Von analog zu digital und umgekehrt
Heutzutage sind fast 99% der Tonaufzeichnungs-, Tonwiedergabestudio- und Musiksynthesizer digitale Geräte.
Jeder weiß, dass selbst ein typischer Heim-CD-Player einen Digital-Analog-Wandler verwendet und dass Musik auf CDs in 16-Bit-Zahlen geschrieben wird. Sowohl der Originalton als auch das Musikmaterial (Stimme, klassische Musikinstrumente, E-Gitarren usw.) und die Tonausgabe Ihres Musikzentrums sind analoge Signale, keine digitalen Signale. Für die heutige Aufnahmeindustrie besteht der Schlüssel daher darin, analoge Signale in digitale und digitale Daten in analoge Audiosignale umzuwandeln. Versuchen wir herauszufinden, wie diese Transformationen stattfinden. Das analoge Signal stellt einen kontinuierlichen Prozess in Zeit und Amplitude dar, und seine digitale Darstellung ist eine Folge oder Reihe von Zahlen, die aus einer endlichen Anzahl von Bits besteht. Die Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal besteht aus zwei Stufen: Zeitabtastung und Amplitudenquantisierung. Zeitabtastung bedeutet, dass das Signal durch eine Reihe seiner Abtastwerte dargestellt wird, die in regelmäßigen Abständen entnommen werden. Wenn wir beispielsweise sagen, dass die Abtastrate 44,1 kHz beträgt, bedeutet dies, dass das Signal 44100 Mal pro Sekunde gemessen wird. Das Hauptproblem in der ersten Stufe der Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal (Digitalisierung) ist die Wahl der Abtastfrequenz des analogen Prozesses. Die Antwort gibt der bekannte Nyquist-Satz, der besagt, dass für ein analoges Signal (zeitlich kontinuierlich), das den Frequenzbereich 0 Hz bis F Hz einnimmt, aus seinen Abtastwerten mit absoluter Präzision die Frequenz von rekonstruiert werden soll Die Abtastrate muss mindestens doppelt so hoch sein wie die maximale Audiofrequenz F. Wenn das tatsächliche analoge Signal, das in ein digitales Format konvertiert werden soll, Frequenzkomponenten von 0 Hz bis 20 kHz enthält, ist die Abtastfrequenz dieses Signals es sollte nicht weniger als 40 kHz sein. Schauen wir uns genauer an, was mit einem analogen Signal und seinem Spektrum beim Abtasten passiert.
Während der Abtastung ändert sich das Frequenzspektrum erheblich. Das ursprüngliche analoge Signal hat tendenziell ein Spektrum, das hauptsächlich im Frequenzband von 20 Hz bis etwa 20 kHz konzentriert ist, da die üblichen Tonabnehmer und Mikrofone, aus denen es entnommen wird, ungefähr diesen Frequenzgang haben. Darüber hinaus enthält das Signal häufig Interferenzen mit Frequenzen von bis zu mehreren hundert Kilohertz. Dies sind verschiedene “Transporter”, die schwer von Computergeräten, Industrie- und Elektrogeräten, Straßenbahnen, Oberleitungsbussen usw. zu entfernen sind. Nach dem Abtasten ist das Signal eine sequentielle Zeitreihe sehr enger Impulse mit unterschiedlichen Amplituden und einem sehr breiten Spektrum von bis zu mehreren Megahertz (eine mathematische Tatsache: Je schmaler der Impuls, desto breiter sein Spektrum). Daher dehnt sich das Spektrum einer solchen Pulssequenz im Allgemeinen auf mehrere Megahertz aus. Daher ist das Spektrum des abgetasteten Signals viel breiter als das Spektrum des ursprünglichen analogen Signals. Schauen wir uns genauer an, wie dieses neue breite Spektrum aufgebaut ist. Es gibt zwei wichtige Prozesse. Erstens erstreckt sich die “Faltung” des gesamten ursprünglichen Spektrums des analogen Signals von ungefähr 20 Hz bis zu mehreren hundert Kilohertz innerhalb des Frequenzbandes von 0 Hz bis zur Hälfte der Abtastfrequenz.
Faltung bedeutet, dass alle Komponenten des ursprünglichen analogen Signals mit Frequenzen über der Hälfte der Abtastrate (und dies ist meist unhörbares Rauschen) in den für das menschliche Ohr hörbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis ” Die durchschnittliche Abtastfrequenz “Hz”, dh unhörbare Störungen werden hörbar, und daher kann sich das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtern. All dies scheint sehr ungewöhnlich, um nicht zu sagen, dass es sogar dem gesunden Menschenverstand widerspricht! Es stellt sich heraus, dass Hochfrequenzsignale mit Frequenzkomponenten abgetastet werden, die deutlich höher sind als nicht nur die Hälfte der Abtastrate, sondern auch die Abtastrate selbst. Auf den ersten Blick widerspricht dies sogar dem oben erwähnten Nyquist-Theorem. Aber schauen wir uns Abb. 4 an. Es zeigt den Prozess des Abtastens eines hochfrequenten sinusförmigen Signals mit mehr als dem Zweifachen seiner Abtastfrequenz.