Digitaler Sound
Im Gegensatz zum analogen Signal simuliert das digitale Signal keinen akustischen Klang.
Digitaler Sound weist einzelnen Zeitpunkten digitale Werte zu, die die Höhe der Amplitude an einem bestimmten Punkt widerspiegeln. Der zweite Unterschied zwischen digitalem und analogem Audio besteht darin, dass digitales Audio diskret ist.
Wie Sie wissen, werden digitale Informationen in Bytes gespeichert, von denen jedes aus 8 Bits besteht. Ein Bit ist die kleinste Einheit digitaler Informationen, die nur zwei Werte annehmen kann: Null oder Eins.
Wie wandelt man also ein kontinuierliches analoges Signal in eine Folge von Nullen und Einsen um und verknüpft diese Informationen sogar korrekt mit der Zeitachse? Das Konvertieren von Audio in ein digitales Format ist in zwei Vorgänge unterteilt: Abtasten und Quantisieren. Abtastung – Abtast- und Quantisierungszeit – Amplitude. Diese Vorgänge führt Ihr Audio-Interface aus.
Jedes Audio-Interface verfügt über einen ADC (Analog-Digital-Wandler) und einen DAC (Digital-Analog-Wandler). Lassen Sie uns überlegen, wie die Audioaufnahme funktioniert, wenn ein Mikrofon und ein Computer mit angeschlossenem Audio-Interface aufgenommen werden.
Wenn Sie sprechen, erzeugt Ihre Stimme Luftdruckschwankungen, die das Mikrofon aufnimmt und in ein elektrisches Wechselspannungssignal umwandelt. Das empfangene elektrische Signal ist sehr schwach, daher wird es verstärkt und dann zur digitalen Umwandlung an das Audio-Interface gesendet. Basierend auf seiner internen Uhr unterteilt der ADC die Zeit in viele verschiedene Punkte. Die Zeitabtastung erfolgt gemäß der eingestellten Frequenz, die angibt, wie viele Punkte durch 1 Sekunde Ton geteilt werden. Zu jedem empfangenen Zeitpunkt misst der ADC die Spannung des Eingangssignals und weist dem Amplitudenwert die entsprechende Ziffer zu. Die durch diese Konvertierung erhaltenen Daten können auf einem Computer gespeichert werden.
Digitaler Sound
Wenn Sie mit der Wiedergabe der Audiodatei beginnen, wird der umgekehrte Vorgang gestartet. Die digitalen Informationen werden vom Computer an Ihr Audio-Interface gesendet. Ihr DAC sorgt für eine umgekehrte Umwandlung der empfangenen Informationen in ein kontinuierliches elektrisches Signal mit Wechselspannung. Das Signal wird dann verstärkt und über Ihr Lautsprechersystem wiedergegeben.
Wie hoch ist die Abtastrate, um digitalen Sound zu erhalten, der dann wieder in analogen umgewandelt werden kann? Nach dem Satz von Kotelnikov kann jedes bandbegrenzte Signal abgetastet und dann in digitaler Form wiederhergestellt werden, solange die Abtastrate mindestens doppelt so hoch ist wie die höchste Frequenz des ursprünglichen Signals.
Dies bedeutet, dass unser Signal eine maximale Frequenz haben muss, die niemals überschritten wird. Wenn wir die höchste Frequenz einstellen, müssen Sie sie nur noch mit zwei multiplizieren und die gewünschte Abtastrate erhalten. Nach dem Theorem müssen auch alle Frequenzen über der Hälfte der Abtastrate aus dem Eingangssignal entfernt werden.
Da eine Person Geräusche von 20 Hz bis 20 kHz hört, sollte eine Abtastrate von 40 kHz ausreichen, um alle für eine Person hörbaren Geräusche zu codieren. Mit einem kleinen Spielraum für den Filter, der vor der Konvertierung in ein digitales Format im CD-Audiostandard berechnet wird, werden Töne über 22.050 Hz abgeschnitten und die Abtastrate beträgt 44.100 Hz.
Lassen Sie uns nun genau sehen, welche Zahlen der ADC den Amplitudenwerten beim Konvertieren eines analogen Signals zuweist.
Der Computer kann der Amplitude eine endliche Anzahl von Werten zuweisen. Wie oben erwähnt, ist jede Information in einem Computer eine Folge von Bits, von denen jedes Werte von Null oder Eins annimmt.
Ein numerischer Ausdruck von n Bits setzt 2 n verschiedene Varianten von Werten voraus, dh 2 n verschiedene Varianten von Folgen von Nullen und Einsen. Die Tabelle zeigt die Sequenzoptionen für n = 2,3,4.