Tag: was ist digitaler Audio-Rundfunk

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Was ist digitales Audio?

Heute hören wir überall: hochwertigen digitalen Ton, digitale Fotografie, digitales Video.

Was bedeutet dieses Schlagwort: digital? Der Schlüssel liegt in modernen Methoden zum Aufzeichnen, Verarbeiten und Speichern einer Vielzahl von Informationen, die gleichzeitig mit dem Aufkommen von PCs erschienen. Die ersten PCs wurden nur für Abwicklungsvorgänge entwickelt, später entdeckten sie jedoch, dass sie mit Texten, Bildern, Tönen und Videos arbeiten können. Sie müssen nur alles in die Computersprache übersetzen.

Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, wie Sie mit einem PC Ton aufnehmen und wiedergeben können. Zunächst werden die Schallschwingungen mit einem Mikrofon in eine Wechselspannung umgewandelt. Diese Spannung wird in den Eingang eines speziellen Computergeräts eingespeist – einer Soundkarte. Der Computer kann keine Spannung registrieren. Wie jedes elektronische Gerät kann es nur den Spannungswert von zwei Pegeln aufzeichnen: “Es gibt Spannung” (wir sollten eine logische Einheit sagen) oder “Es gibt keine Spannung” – logische Null.

In Form von Kombinationen aus logischen Nullen und Einsen zeichnet der PC Zahlen, Buchstaben, Wörter oder Formeln auf. Es ist klar, dass das Aufzeichnen einer großen Informationsmenge viele Speicherzellen erfordert, da nur eine Binärzahl in eine Zelle geschrieben werden kann: 1 oder 0. Zum Schreiben einer Ziffer oder eines Buchstabens werden 8 Speicherzellen benötigt. Die Nummer 3 ist als 00000011 geschrieben, die Nummer 5 ist 00000101, der Buchstabe k ist 01101001 und dergleichen.

Wie nehme ich Ton auf?
Bedienfeld des PC-Audioverarbeitungsgeräts Sehr einfach! Die Wechselspannung, die die Soundkarte erreicht, erhält mehrere Messungen, deren Ergebnisse vom PC im Speicher sorgfältig aufgezeichnet werden. Der Computer misst die Spannung zu jedem Zeitpunkt ungefähr 44.000 Mal pro Sekunde und zeichnet ihren Wert im Speicher auf. Dies ähnelt der Art und Weise, wie Schüler einen Wetterkalender führen: Jeden Tag zur gleichen Zeit zeichnen sie die Messwerte eines Thermometers, eines Barometers auf. Der PC zeichnet auch Spannungswerte auf, dies geschieht jedoch viel häufiger. Wie machst du das? Einfach! Moderne Computer können mehr als eine Milliarde einfache Vorgänge pro Sekunde ausführen, sodass die 44 oder sogar 98.000 Messungen, die für die Aufzeichnung hochwertiger Audiodaten erforderlich sind, für einen Computer kein Problem darstellen. Gleichzeitig muss der PC viel Arbeit leisten: Zeichnen auf dem Bildschirm, Schreiben der Messergebnisse auf die Festplatte, Beobachten, welche Taste Sie gedrückt haben, wo sich die Maus bewegt hat, neue Spannungswerte gemessen usw. Trotz der Tatsache, dass eine Spannungsmessung aus mehreren Dutzend einfachen Operationen besteht, reicht die Geschwindigkeit moderner Prozessoren dafür aus.

Zum Speichern von digitalem Audio sind große Speichermengen erforderlich. Eine Sekunde Ton nimmt den gleichen Platz ein wie 88.000 Buchstaben! So wird Ton aufgenommen: Spannungsmessungen werden auf einer großen CD aufgezeichnet. Vergleichen: Sie können im Textformat eine kleine Bibliothek mit 4-5.000 Büchern für mehrere hundert Seiten oder … 76 Minuten hochwertige Musik aufnehmen.

Moderne Computer haben gelernt, “zu betrügen”. Sie nehmen sehr leise Töne mit weniger Präzision auf, das Ohr hört sie noch nicht klar. Geräusche, die als laute Geräusche maskiert sind, werden auch weniger genau digitalisiert. Warum im Detail aufnehmen, wie weich die Geige klingt, wenn die Trommel hart angeschlagen wird? Daher kann die von Tönen belegte Speicherkapazität um das Zehnfache reduziert werden. Dies (und nicht nur das) geschieht in den gängigen MP3-Computer-Audioformaten, die im Internet üblich sind, und in tragbaren MP3-Playern sowie in Atrac, das in Minidisc-Playern verwendet wird.

Wie spiele ich den Sound?
Wie wird digitaler Sound wiederhergestellt? Noch einfacher als es zu tippen! Im Mathematikunterricht mussten Sie wahrscheinlich eine Funktion nach Punkten grafisch darstellen, und im Physiklabor mussten Sie ein Diagramm basierend auf Messungen zeichnen. Während der Wiedergabe liest der PC jederzeit den Spannungswert aus dem Speicher und nimmt mit einer Soundkarte fast die gleiche Wechselspannung wieder auf, die digitalisiert wurde.

Diese Methoden zur Aufnahme und Wiedergabe von Ton werden nicht nur von Computern verwendet, sondern auch von verschiedenen CD-, MD- und MP3-Playern, die tatsächlich auch Mikrocomputer sind, allerdings ohne die üblichen Tastaturen, Mäuse und Monitore.

Es ist praktisch, digitalen Ton nicht nur aufzunehmen und zu speichern, sondern ihn auch aus der Ferne zu übertragen. Der Komfort liegt in der Einsparung von Sendezeit und Akkulaufzeit. Während eines Gesprächs auf einem Mobiltelefon wird die Stimme in digitale Form umgewandelt und gespeichert. Wenn sich beispielsweise 1/5 Sekunde Ton angesammelt hat, schaltet sich der Sender des Telefons ein und der Ton wird 1/100 Sekunde lang übertragen.

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Grundlagen des digitalen Audios

Digitales Audio basiert auf der mathematischen Darstellung der Schallwelle.

Die digitale Welt entwickelt sich sehr schnell und es ist kein Wunder, dass viele Menschen die digitale Technologie als komplex empfinden. In diesem Artikel wird erläutert, was digitales Audio ist, ohne auf komplizierte mathematische Details einzugehen. Um zu verstehen, was digitaler Sound ist, müssen Sie zunächst verstehen, dass in einem Computer keine Sounds und nur eine Mathematik vorhanden sind.

Was ist Ton?
Schall ist die Schwingung von Molekülen. Mathematisch kann Schall genau als “Welle” beschrieben werden. Es hat einen maximalen Spitzenwert (Wellenbuckel) und einen minimalen Wert (Auslenkung). Wenn Sie jemals eine grafische Darstellung einer Schallwelle gesehen haben, werden Sie feststellen, dass Schall immer durch eine Kurve dargestellt wird, die ständig die X-Achse kreuzt. Dies bedeutet, dass die Art des Schalls “periodisch” ist. Jeder Ton hat einen Scheitel und eine Ablenkung, eine positive und eine negative Periode. Dies wird als Schleife bezeichnet. Das Grundkonzept ist also, dass alle Klänge mindestens einen Zyklus haben.

Die nächste wichtige Idee ist, dass jede periodische Funktion mathematisch als eine Reihe von Sinuskurven dargestellt werden kann. Mit anderen Worten, selbst der komplexeste Klang ist nur eine Sammlung von Sinuswellen. Eine Stimme kann ihre Lautstärke und Tonhöhe ständig ändern, aber jedes Mal, wenn sie ertönt, ist die Stimme nur ein Satz von Sinuswellen.

Und schließlich drittens: Menschen hören keine Geräusche mit einer Frequenz über 22 kHz. Daher ist es nicht erforderlich, alles über 22 kHz aufzuzeichnen.

Die Grundlagen des Klangs lauten also wieder wie folgt:

Schallwellen sind periodisch und können daher als eine Ansammlung von Sinuswellen beschrieben werden.
Wir sind nicht an Wellen mit einer Frequenz von mehr als 22 kHz interessiert, weil wir sie physikalisch nicht hören können.
Analog-Digital-Übergang
Nehmen wir an, ich spreche in ein Mikrofon. Das Mikrofon verwandelt meine Stimme in einen kontinuierlichen elektrischen Strom. Dieser elektrische Strom wird durch einen Draht durch einen Verstärker geleitet und gelangt schließlich in einen Analog-Digital-Wandler (ADC). Denken Sie daran, dass der Computer keine Töne, sondern mathematische Werte speichert. Daher benötigen wir etwas, das den analogen Stream in eine Folge von Einsen und Nullen umwandelt. Dies ist, was der ADC tut. In einfachen Worten, der Konverter macht schnelle Schnappschüsse der Schallwelle, die als Samples bezeichnet werden, und weist jedem Sample einen Amplitudenwert zu. Und hier kommen wir zu zwei Grundkonzepten, die helfen, die Natur des digitalen Klangs zu erklären. Diese Konzepte sind Zeit und Breite.

Klangbissigkeit
Klangbissigkeit
In der digitalen Welt ist nichts kontinuierlich, alles hat eine bestimmte mathematische Bedeutung. In der analogen Welt erreicht die Schallwelle ihre Spitze und alle Werte von 0 dB bis zur Spitze existieren. Und in einem digitalen Signal gibt es eine begrenzte Anzahl möglicher Amplitudenwerte. Stellen Sie sich analoges Audio als jemanden vor, der sanft eine Rolltreppe hinaufgeht, während digitales Audio jemand ist, der eine Treppe hinaufgeht und sich im Laufe der Zeit auf der einen oder anderen Sprosse befindet. Oder nehmen wir an, es gibt Werte 50 und 51. Beim analogen Klang kann es also einen Zwischenwert von 50,46 geben, beim digitalen Klang wird dieser Wert jedoch auf 50 gerundet. Dies bedeutet, dass die Schallwelle beim Durchgang tatsächlich verzerrt ist der ADC … Und da das analoge Signal kontinuierlich ist, tritt diese Rundung der Werte während des Umwandlungsprozesses ständig auf. Dies wird als Quantisierungsfehler bezeichnet und klingt nach einem seltsamen Rauschen. Aber stellen Sie sich eine Leiter mit mehr Stufen vor, die weniger hoch sind. Jetzt haben wir die Werte 50, gefolgt von 50,2, gefolgt von 50,4 und dann 50,6 usw. Ein analoges Signal mit einem Amplitudenwert von 50,46 wird jetzt auf 50,4 anstatt auf 50 gerundet. Dies ist eine wesentliche Verbesserung, die Quantisierungsfehler nicht vollständig beseitigt, sondern deren Auswirkungen erheblich verringert. Eine Zunahme der Bissigkeit ist im Wesentlichen eine Zunahme der Anzahl von Stufen auf einer Treppe mit einer Abnahme ihrer Höhe. Wenn der Quantisierungsfehler abnimmt, nimmt der Rauschpegel ab. Jetzt haben wir die Werte 50, gefolgt von 50,2, gefolgt von 50,4 und dann 50,6 usw. Ein analoges Signal mit einem Amplitudenwert von 50,46 wird jetzt auf 50,4 anstatt auf 50 gerundet. Dies ist eine wesentliche Verbesserung, die Quantisierungsfehler nicht vollständig beseitigt, sondern deren Auswirkungen erheblich verringert. Eine Zunahme der Bissigkeit ist im Wesentlichen eine Zunahme der Anzahl von Stufen auf einer Treppe mit einer Abnahme ihrer Höhe. Wenn der Quantisierungsfehler abnimmt, nimmt der Rauschpegel ab.

Was ist digitales Audio?

Digitales Audio ist eine numerische Darstellung von Ton.

Das Aufnehmen von Ton als digitaler Ton ähnelt dem Aufnehmen von Ton auf einem Kassettenrekorder. Angenommen, Sie haben ein Mikrofon an Ihren Computer angeschlossen. Immer wenn ein Ton zu hören ist (Sprechen, Singen, Spielen eines Musikinstruments oder irgendein Geräusch), “hört” das Mikrofon ihn und wandelt den Ton in ein elektrisches Signal um. Das Mikrofon sendet dann das Signal an die Soundkarte des Computers, die das Signal in Zahlen umwandelt. Diese Zahlen werden als Samples bezeichnet.

Eine Soundkarte ist ein Gerät, das in einen Computer eingesetzt wird und es ihm ermöglicht, die elektrischen Signale von jedem Soundgerät zu verstehen. Sie können sich eine Soundkarte als “Übersetzer” vorstellen. Wenn ein Audiogerät (z. B. ein Mikrofon, ein elektronisches Musikinstrument, ein CD-Player oder ein anderes Gerät, das ein Audiosignal ausgeben kann) Signale an den Computer sendet, empfängt die Soundkarte die Signale und wandelt sie in Zahlen um, die Computer kann verstehen.

Die Beispiele enthalten Informationen, die dem Computer mitteilen, wie das aufgezeichnete Signal zu bestimmten Zeiten klang. Je mehr Abtastwerte zur Darstellung des Signals verwendet werden, desto höher ist die Qualität des aufgezeichneten Signals. Um beispielsweise eine digitale Tonaufnahme mit der gleichen Qualität wie eine CD-Aufnahme zu erstellen, muss der Computer 44.100 Samples pro Sekunde empfangen. Die Anzahl der pro Sekunde entnommenen Proben wird als Abtastrate bezeichnet.

Die Größe jedes einzelnen Samples beeinflusst auch die Qualität des aufgenommenen Klangs. Diese Größe wird als Bittiefe bezeichnet. Je höher die Bittiefe, desto höher die Klangqualität. Um beispielsweise digitales Audio in CD-Qualität zu erstellen, muss jedes Sample 16-Bit sein.

Computer verwenden die Binärform, um Zahlen darzustellen. Die Stelle einer Binärzahl wird als Bit bezeichnet. Jedes Bit repräsentiert eine von zwei Zahlen: 1 oder 0. Durch Kombinieren von Bits können Computer eine beliebige Zahl anzeigen. Beispielsweise wird jede Zahl zwischen 0 und 255 als Acht-Bit-Zahl dargestellt. Mit 16 Bit kann es Zahlen im Bereich von 0 bis 65.535 darstellen.

Ihr Computer kann alle eingereichten Muster speichern. Die zeitlichen Eigenschaften der Probe werden ebenfalls gespeichert. Später kann der Computer in denselben Intervallen Samples an die Soundkarte senden, sodass Sie den Sound genau so hören, wie er aufgenommen wurde. Das Grundkonzept lautet wie folgt: Eine Soundkarte zeichnet ein elektrisches Signal von einem Audiogerät (z. B. einem Mikrofon oder einem CD-Player) auf. Die Soundkarte wandelt die Signale in Zahlenreihen um, die als Samples bezeichnet werden und auf Ihrem Computer gespeichert sind. Während der Wiedergabe werden die Samples an die Soundkarte zurückgesendet, die sie in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal wird an Ihre Lautsprecher (oder ein anderes Audiogerät) gesendet und Sie hören den Ton genau so, wie Sie ihn aufgenommen haben.

Was ist der Unterschied?
Nachdem Sie die Beschreibung von MIDI und digitalem Audio gelesen haben, sind Sie möglicherweise immer noch verwirrt über den Unterschied zwischen beiden. Immerhin zeichnen beide Prozesse die an den Computer gesendeten Signale auf und reproduzieren sie dann, oder? Der Punkt ist, wenn Sie MIDI-Daten aufnehmen, nehmen Sie keinen tatsächlichen Ton auf. Notieren Sie einfach die Anweisungen für die Wiedergabe. Es ist wie bei einem Musiker, der Noten spielt, wobei die Noten MIDI-Daten sind und der Musiker der Computer. Der Musiker (oder Computer) liest die Noten (oder MIDI-Daten) und speichert sie dann im Speicher. Der Musiker spielt dann eine Melodie auf einem Musikinstrument. Was ist, wenn der Musiker ein anderes Instrument zum Spielen nimmt? Das Spiel bleibt gleich, aber der Sound ändert sich. Gleiches gilt für MIDI-Daten.

Ein Keyboard-Synthesizer kann jeden Sound erzeugen, aber die Wiedergabe derselben MIDI-Daten mit dem Keyboard ist genau gleich.

Wenn Sie digitales Audio aufnehmen, nehmen Sie echtes Audio auf. Wenn Sie eine Aufführung eines Musikstücks als digitalen Ton aufnehmen, können Sie den Klang dieser Aufführung nicht wie oben beschrieben ändern. Aufgrund dieser Unterschiede haben MIDI und digitaler Sound ihre eigenen Vor- und Nachteile. Da MIDI als Daten für die Wiedergabe und nicht als tatsächlicher Ton aufgezeichnet wird, haben Sie viel mehr Freiheit, den Ton zu manipulieren als mit digitalem Ton. Sie können den Fehler beispielsweise leicht korrigieren, indem Sie die Tonhöhe ändern. MIDI-Daten können in Standard-Musiknotation konvertiert werden, was mit digitalem Sound nicht möglich ist.