Warum Upsampling? Teil 1
Wenn es um die Verbesserung der digitalen Klangqualität geht, sind sich Experten auf diesem Gebiet nur in einem Punkt einig: Mit zunehmender Abtastrate verbessert sich die Klangqualität dramatisch.
Unter dem Wort “verbessern” versteht jeder bereits etwas für sich. Die Meinungsvielfalt zu diesem Thema läuft auf Folgendes hinaus: Der Klang wird klarer, weicher, natürlicher, die tiefen Frequenzen werden klarer wahrgenommen.
Diese Nuancen werden jedoch nur von Zuhörern bemerkt, die mit einem guten Ohr für Musik auf speziell ausgewähltem Klangmaterial und mit technisch fortschrittlichen Geräten geschult sind.
Es gibt viele Hypothesen, die erklären, warum die Klangqualität durch Sampling verbessert wird. Viele Techniker neigen dazu zu glauben, dass diese Beziehung auf Verzerrungen zurückzuführen ist, die durch Filterung und Interpolation während der Rekonstruktion des Audiosignals entstehen.
Auf einem modernen technischen Niveau ist es möglicherweise praktisch unmöglich, hochwertige Interpolatoren zu implementieren. Statt sie zu verbessern, erhöhen die Hersteller einfach die Abtastrate. Vielleicht geht es überhaupt nicht um sie.
Eine andere Version, an die sich viele Musikliebhaber halten, ist, dass bei einer niedrigen Abtastfrequenz, beispielsweise 44100 Hz, der digitale Klang völlig frei von Nuancen hoher Klänge ist, deren Hauptfrequenzen über 7 kHz liegen. und bei niedrigeren Frequenzen gibt es zu wenige Nuancen für eine hohe Qualität. Wahrnehmung von Musik.
Tatsächlich erzeugen viele Musikinstrumente Schwingungen von bis zu 100 kHz. Es ist richtig, dass der Energieanteil, der in das Frequenzband über 20 kHz fällt, 0,01 bis 2% für Klänge harmonischer Natur und 0,02 bis 68% für Klänge beträgt, die durch ein Becken, ein Dreieck oder einen Schlag auf einen Trommelrand erzeugt werden. Metall (Hoop Shot – Anmerkung des Herausgebers).
Sogar der Frequenzbereich der Sprache in zischenden Zischen reicht bis zu 40 kHz. Unterstützer dieser Version schämen sich nicht, dass eine Person keine Geräusche mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz wahrnehmen kann. Es wird angenommen, dass Ultraschall unter Umgehung des auditorischen Systems wahrgenommen wird, beispielsweise durch Knochenleitung.
Gerüchte, dass Oberwellen über 20 kHz erheblich zum Klang beitragen, haben zur Schaffung und weit verbreiteten Einführung von Analog-Digital-Wandlern mit 96-kHz- und 192-kHz-Abtastraten geführt. Die Abtastfrequenz wird voraussichtlich auf 384 kHz ansteigen.
Basierend auf modernen Kenntnissen der menschlichen Wahrnehmung von Schall muss angenommen werden, dass die Beziehung zwischen digitaler Klangqualität und Abtastfrequenz auf der Transformation des Quantisierungsfehlerspektrums im Audiofrequenzbereich beruht.
In der Fachliteratur wird dieses Thema nur für ein bestimmtes mathematisches Modell betrachtet, wenn Musik durch ein Signal mit einer gleichmäßigen Verteilung in Pegel und Frequenz dargestellt wird. In diesem Fall werden die Quantisierungsfehler in Rauschen mit einer gleichmäßigen spektralen Dichte von 0 Hz bis zur Nyquist-Frequenz umgewandelt.
Bei jeder Verdoppelung der Abtastfrequenz wird die spektrale Rauschdichte um die Hälfte reduziert und das Signal-Rausch-Verhältnis um 3 dB erhöht. Da die Druckauflösungsgrenze ungefähr 1 dB beträgt, ist es unwahrscheinlich, dass diese Dezibel einen spürbaren Einfluss auf die Schallwahrnehmung im Hochfrequenzbereich haben. Aufgrund dieser Zahlen ist es absolut unmöglich, vorläufige Schlussfolgerungen über die Änderung der Klangqualität zu ziehen.
Um das Spektrum der Quantisierungsfehler, der Abtastfrequenz und der Klangqualität in Beziehung zu setzen, wird in diesem Artikel vorgeschlagen, ein Tonsignal als Musikmodell zu verwenden, wie es zur Bewertung der Qualität von Schallpfaden üblich ist. Dieser Ansatz basiert größtenteils auf Materialien, die in der Zeitschrift “Sound Engineer” veröffentlicht wurden.
Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden. Im Gegensatz zu analogem Audio ist digitales Audio das Produkt der Amplitudenmodulation. Dies manifestiert sich in einer starren funktionalen Abhängigkeit des Frequenzmultiplizitätsfaktor-Quantisierungsfehlerspektrums der Audiosignalfrequenz F und der Abtastfrequenz fs, dargestellt als Verhältnis der Primzahlen y und x (k = fs / F = y / x). Das Frequenzspektrum von Quantisierungsfehlern ist immer diskret und wird eindeutig durch den Multiplizitätsfaktor bestimmt; Die Komponenten dieses Spektrums werden auch eindeutig durch die Amplitude des Audiosignals bestimmt, ausgedrückt in Quanten. Dies bedeutet, dass der Mechanismus zur Bildung des Quantisierungsfehlerspektrums nicht von der Anzahl der verwendeten Bits abhängt. Mit zunehmender Quantisierungstiefe.
