Analog-Digital-Verarbeitung


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Analog-Digital-Verarbeitung

Digital vs Analog

Ein digitales Signal wird von analog erhalten oder direkt in digital (in elektrischen Musikinstrumenten) synthetisiert.

DIGITAL ANALOG AUDIO

Die Konvertierung von analog zu digital umfasst zwei grundlegende Vorgänge: Abtasten und Quantisieren. Diskretisierung ist das Ersetzen eines kontinuierlichen Signals durch eine Reihe von Abtastwerten seiner Momentanwerte, die in regelmäßigen Abständen entnommen werden. Nach dem Satz von Kotelnikov-Chenon kann ein diskretes Signal später vollständig wiederhergestellt werden, solange die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch ist wie die obere Frequenz des Signalspektrums. Die Abtastwerte werden dann entsprechend der Stufe quantisiert: Jeder von ihnen wird ein diskreter Wert zugewiesen, der näher an dem realen Wert liegt. Die Genauigkeit der Quantisierung wird durch die Bitbreite der Binärdarstellung bestimmt. Je höher die Bittiefe, desto mehr Quantisierungspegel (2N,

Das Audio-CD-Format hat eine Abtastfrequenz von 44,1 kHz und 16 Bit. Dies ergibt 44.000 Samples pro Sekunde, von denen jedes einen von 216 = 65536 Pegeln annehmen kann (für jeden der Stereokanäle).

Neben dem 44,1-kHz / 16-Bit-Format werden auch andere für die digitale Aufzeichnung verwendet. Die Studioaufnahme erfolgt in der Regel in 20-24 Bit, dann werden die Daten durch Neuberechnung in eine Audio-CD konvertiert. Die zusätzlichen Bits werden dann verworfen oder (besser) gerundet, manchmal wird pseudozufälliges Rauschen hinzugefügt, um das Quantisierungsrauschen (Dithering) zu reduzieren.

Die fortschrittlichsten benutzerdefinierten Audioformate sind DVD-Audio und Super-Audio-CD (SACD). DVD Audio verwendet den von Meridian entwickelten verlustfreien MLP-Datenkomprimierungsalgorithmus. Und SACD verwendet im Gegensatz zu anderen Formaten keine Pulscodemodulation (PCM oder PCM), sondern eine Ein-Bit-Codierung des DSD-Streams (Discrete Pulse Width Modulation). SACDs werden in Einzel- oder Doppelschicht-Discs (Hybrid-Discs) mit einer normalen CD-Schicht geliefert.

Das beliebteste Audiomedium ist heute die CD, obwohl Audiophile gewisse Einschränkungen in der Klangqualität haben. Der Grund dafür liegt in der niedrigen Abtastrate: Für eine genaue Rekonstruktion von Signalen nahe der Obergrenze des Audiobereichs wird ein Filter benötigt, der physikalisch nicht funktionsfähig ist (seine Impulsantwort deckt den negativen Zeitbereich ab). Dies wird teilweise durch digitale Filterung mit höherer Abtastung und Bittiefe kompensiert. Die Daten auf der Disc sind redundant codiert (Reed-Solomon-Code), um eine reibungslose Wiedergabe in Echtzeit zu gewährleisten.

Für die digitale Audioübertragung ist eine Breitbandkommunikation erforderlich, insbesondere für unkomprimierte hochauflösende Mehrkanalübertragungen.

Abbildung: 1. Digitalisieren eines analogen Signals und Abrufen digitaler Samples auf CD Audio und SACD (rechts)

DIGITAL AUDIO GETRIEBE

Die Kommunikationsleitungen für die digitale Audioübertragung können Kabel, optische Leitungen und Freileitungsfunk sein.

Für die Übertragung von PCM-Signalen über verdrahtete Leitungen wurden AES / EBU-Schnittstellen (symmetrisch, koaxial) und S / PDIF-Schnittstellen (unsymmetrisch koaxial) entwickelt, die die Übertragung verschiedener Signale (Taktfrequenz, digitale Wortrate, Kanaldaten) über ein Kabel. Innerhalb der Geräte werden diese Signale separat übertragen, am Ausgang des Transportmechanismus codiert und am Eingang eines Digital-Analog-Wandlers (in Zwei-Block-Systemen) in einem Digitalempfänger wieder getrennt.

In der Regel wird für die digitale Audioübertragung ein hochwertiges Koaxialkabel verwendet. Es gibt auch S / PDIF-Wandler für Glasfaserleitungen: AT & T ST und Toslink (letzteres ist Standard bei Verbrauchergeräten). Und auch für die Verwendung von Twisted Pair in Ethernet-Kabelnetzwerken. Das Verbreitungsmedium für komprimiertes Audio in Form von archivierten Dateien ist das Internet.

Wie jedes digitale Signal wird digitalisiertes Audio von speziellen Geräten verteilt und geschaltet: Verteilungsverstärker, Matrixschalter und herkömmliche.

Es gibt einen Faktor, der sich negativ auf digitale Signale auswirkt und häufig fast alle Vorteile von digitalem Audio gegenüber analogem Audio zunichte macht, einschließlich der Möglichkeit, Programme ohne Qualitätsverlust wiederholt zu kopieren, zu streamen und zu archivieren: Wir sprechen von Jitter. Jitter ist Jitter oder die Unsicherheit eines Übergangs von 0 nach 1 und umgekehrt.


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Mit Ton arbeiten

Mit Ton arbeiten

Analog and Digital

Analoges und digitales Audio

 Analog and Digital

Die analoge Tonaufnahme basiert auf der Umwandlung von Schallwellen in elektrische Wellen mit einem Mikrofon. Ein Mikrofon besteht aus einer kleinen Membran, die vibrieren kann, und einem Mechanismus, um die Vibrationen der Membran in ein elektrisches Signal umzuwandeln. (Der genaue elektrische Mechanismus unterscheidet sich je nach Mikrofontyp.) Im Allgemeinen entspricht ein höherer Druck einer höheren Spannung und umgekehrt.

Der Rekorder überträgt die Wellenform noch einmal, diesmal von einem elektrischen Signal über einen Draht zu einem magnetischen Signal auf Band. Bei der Wiedergabe der Aufnahme geschieht das Gegenteil: Das magnetische Signal wird in ein elektronisches Signal umgewandelt, wodurch der Lautsprecher vibriert (normalerweise elektromagnetisch).

Das Hauptgerät für die digitale Aufzeichnung ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC, Analog-Digital-Wandler, ADC). Der ADC erfasst einen Teil der elektrischen Spannung auf dem Audiopfad und präsentiert ihn als Nummer, die dann an den Computer übertragen wird. Wenn Sie die Spannung mehrere tausend Mal pro Sekunde erfassen, erhalten Sie ein Signal, das dem Original sehr nahe kommt. Die Aufnahmeeinheit wird als Sample bezeichnet (jede Zahl in einer Audiodatei entspricht einem Sample in einer Wellenform).

Es gibt zwei Faktoren, die die Qualität einer digitalen Aufzeichnung bestimmen:

Abtastrate
Die Frequenz, mit der Samples aufgenommen oder abgespielt werden, gemessen in Hertz (Hz) oder Samples pro Sekunde. Eine typische Audio-CD wird mit einer Abtastrate von 44100 Hz aufgenommen, kurz bekannt als 44 kHz. Dies ist die gleiche Standardabtastrate, die für die meisten Ziffern verwendet wird.

Beispielformat (Größe)
Die Anzahl der Stellen in der digitalen Darstellung jeder Probe. Stellen Sie sich vor, die Abtastrate wird horizontal und die Stichprobengröße vertikal dargestellt. Die Audio-CD ist 16 Bit breit, was ungefähr 5 Dezimalstellen entspricht.

Höhere Abtastraten für die digitale Aufnahme ermöglichen eine genaue Aufnahme bei höheren Frequenzen. Die Abtastrate muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste gewünschte Abtastrate. Es wird angenommen, dass das durchschnittliche menschliche Ohr keine Frequenzen über 20.000 Hz unterscheiden kann, weshalb 44.100 Hz als Standard für Audio-CDs gewählt wurden. Jetzt erfolgt der Übergang zu den Frequenzen 96 und 192 kHz schrittweise, insbesondere im DVD-Audio-Format. Viele Menschen hören jedoch einfach nicht den Unterschied zwischen 44,1 kHz und 192 kHz Audio.

Größere Samples bieten einen größeren Dynamikbereich, dh die Möglichkeit, lautere und leisere Klänge zu präsentieren. Wenn Sie mit der Dezibel-Skala (dB) vertraut sind, können Sie ein Beispiel von gewöhnlichen Audio-CDs nennen – ihr Dynamikbereich beträgt theoretisch 90 dB, aber er klingt tatsächlich niedriger als -24 dB. Audacity unterstützt zwei weitere Sample-Größen: 24-Bit, das am häufigsten bei digitalen Studioaufnahmen verwendet wird, und 32-Bit-Gleitkomma, dessen Dynamikbereich alle vorstellbaren Anforderungen abdeckt, obwohl die Daten mit diesen Parametern belegt sind Nur doppelt so viel Speicherplatz wie 16-Bit-Audio.

Bei der Wiedergabe von digitalem Sound wird ein Digital-Analog-Wandler (DAC) verwendet. In diesem Fall wird zur Wiederherstellung des ursprünglichen Signals und zur anschließenden Digitalisierung mit dem ADC eine Probe entnommen, aus der an den Analogausgängen eine bestimmte Spannung hergestellt wird. Die ersten CD-Player haben genau das getan, daher war die Klangqualität nicht sehr gut. Moderne Player glätten das Audiosignal auch durch Abtasten innerhalb eines Bereichs der Abtastfrequenz. Die Qualität der Filter im DAC wirkt sich auch auf das neu erstellte Tonsignal aus. Das Filter ist eine der Signalanpassungsstufen im DAC.

Der unvermeidliche Verlust beim Übergang von analogem zu digitalem Audio kann durch eine Reihe von Vorteilen der digitalen Aufzeichnung ausgeglichen werden. Digitale Daten können beliebig kopiert werden und es kommt zu keinem Qualitätsverlust. Diese Daten können auf eine Musik-CD gebrannt oder als komprimierte Dateien ins Internet gestellt werden. Außerdem sind digitale Aufnahmen viel einfacher zu bearbeiten als analoge Bänder.

Ein Personal Computer verfügt über alle erforderlichen Geräte, um Audiodaten von analog zu digital und umgekehrt umzuwandeln. Zuallererst ist es eine Soundkarte, ein zusätzlich installiertes separates Gerät wie Creative SBLive! Und möglicherweise ein im Motherboard integrierter Soundchip. In beiden Fällen enthält das Audiogerät einen Analog-Digital-Wandler (ADC) zur Tonaufzeichnung und einen Digital-Analog-Wandler (DAC) zur Wiedergabe. Das von Ihnen verwendete Betriebssystem interagiert mit der Soundkarte.