Tag: wie digitales Audio funktioniert

MP3- und Audio-Digitalisi
erung.

Die ganze Menschheit hat sich an alltägliche Dinge wie das Aufnehmen und Wiedergeben von Ton gewöhnt, sei es ein Diktiergerät, ein Anrufbeantworter oder Musikaufnahmen ihrer Lieblingskünstler. Und Menschen, die die meiste Zeit in der Nähe des Computers verbringen, können sich ein Leben ohne Ton wahrscheinlich nicht vorstellen. Dieser Artikel konzentriert sich auf ein allgemeines Codierungsformat wie MP3.

Nun, Thomas Alva Edison begann mit der Aufnahme, als er die Worte “Mary hatte ein Lamm” auf seiner “Talking Machine” rief. Die “sprechende Maschine” war das weltweit erste Gerät, das Ton aufzeichnete und wiedergab: ein Phonograph, der einen Soundtrack mechanisch auf einer Wachswalze aufzeichnete. Zu dieser Zeit war dies sicherlich ein großer Fortschritt, wie zu dieser Zeit, und dies war im Jahr 1877, als niemand auf die Idee kam, etwas Ähnliches zu schaffen.

Der größte Nachteil dieses Tonträgers war jedoch die Fragilität der Aufnahme. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie lernten die Menschen, Ton nicht nur mechanisch wie Edison, sondern auch elektromechanisch und fotoelektrisch aufzunehmen, und mit dem Aufkommen von Computern wurde es möglich, Ton in digitaler Form aufzunehmen. Der Hauptvorteil dieser Aufnahmemethode ist die Beibehaltung der Klangqualität, unabhängig davon, wie oft sie abgespielt oder neu geschrieben wurde. Da digitale Informationen auf einem Computer verarbeitet werden können, eröffnete sich eine Vielzahl von Möglichkeiten für die Arbeit mit Ton. . Da die Aufnahme einer Komposition in der frühen Phase der Entwicklung des digitalen Klangs viel Speicherplatz kostete und magnetische Medien nur eine geringe Kapazität hatten, begannen Softwareentwickler, diese Tatsache zu verblüffen. wie man viel Musik auf eine kleine Festplatte legt. Dies führte zum Erscheinen verschiedener Programme – Kompressoren, die die Größe der Audiodatei reduzierten. Komprimierungsalgorithmen ermöglichten das Entfernen bestimmter Frequenzen, was zu einem Verlust der Klangqualität führte, und dann stand der Benutzer vor der Wahl, Geld für den Kauf zusätzlicher Megabyte und das Speichern unkomprimierter Musikdateien auszugeben oder Geld zu sparen. und Kompressoren verwenden.

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, was “Klang” im wirklichen Leben ist. Die Übertragung von Informationen aus der Ferne mit akustischen Schwingungen ist nur aufgrund der Eigenschaften der akustischen Umgebung möglich, in der dieselben Schallschwingungen auftreten. Sie sind aufgrund des Vorhandenseins elastischer Bindungen zwischen Partikeln im leitenden Medium möglich. Die Schallquelle erzeugt einen Druckbereich durch Komprimieren von Luftmolekülen. Diese Moleküle übertragen ihre Energie auf andere in der Nähe und diese wiederum auf andere usw., was dazu führt, dass Bereiche mit erhöhtem und verringertem Druck im Verhältnis zum Umgebungsdruck auftreten. Dies erzeugt eine Schallwelle, die von Natur aus kontinuierlich ist. Einer der Parameter der Welle ist die Amplitude. Nehmen wir ein einfaches Beispiel: eine Gitarrensaite. Jeder weiß, dass es zur Erhöhung der Lautstärke des Klangs erforderlich ist, die Saite mit mehr Kraft zu ziehen, wodurch die Schwingungsamplitude erhöht wird, was zu einer Erhöhung der Druckabweichung führt. Eine Welle reicht jedoch nicht aus, um einen Schall zu übertragen, der vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern.

Nachdem wir die Natur des Klangs ein wenig verstanden haben, wechseln wir von analog zu digital. Um “natürlichen” Klang zu digitalisieren, müssen Sie ihn zuerst in ein analoges elektrisches Signal umwandeln. In diesem Fall ist das Analogon der Amplitude der Schallwelle die Amplitude der Spannungsänderung. Wie oben erwähnt, sind die Welle und das analoge elektrische Signal kontinuierliche Funktionen, aber für die Digitalisierung müssen sie in diskreter Form dargestellt werden. Hierzu wird ein ADC (Analog-Digital-Wandler) verwendet, der die kontinuierliche Welle in Abschnitte zerlegt (Sample) und die Amplitude der Welle in diesen Abschnitten als Zahl darstellt, dh quantifiziert. Es ist klar, dass für eine größere Präzision und Reinheit des Klangs die Anzahl der Samples gegen unendlich tendieren und ihre Größe gegen Null gehen muss. Die Anzahl der Abtastungen pro Sekunde wird als Abtastrate oder Abtastrate bezeichnet und in Hz gemessen. Es stellt sich die Frage, welche Abtastrate beim Digitalisieren verwendet werden soll, damit das Ergebnis am natürlichsten ist. Es ist theoretisch bekannt, dass für die genaueste Rekonstruktion eines kontinuierlichen analogen Signals aus diskreten Werten eine Abtastfrequenz verwendet werden muss, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Schallfrequenz (Satz von Nyquist). Es ist bekannt, dass das menschliche Ohr Geräusche mit einer Frequenz von 18 bis 20.000 Hz wahrnehmen kann. Daher beträgt die optimale Abtastfrequenz 40 kHz oder mehr. Die häufigsten Abtastfrequenzen sind 44,1 kHz, 48 kHz. Aufgrund der Tatsache, dass Harmonische über 20 kHz auch den Gesamtklang beeinflussen, werden auch Encoder mit Abtastraten von 96 und 192 kHz verwendet. Die Klangqualität hängt auch von der Anzahl der Stellen ab, die zur Aufzeichnung der gemessenen Amplitude verwendet werden. Der Quantisierungsfehler ist umgekehrt proportional zur Bitbreite. Daher wird bei einer 8-Bit-Quantisierung der Schallpegel unter Verwendung von Zahlen im Bereich [-128; 128] mit 16 Bits von [-32768; 32768]. Bei der Aufnahme von Audio-CDs wird beispielsweise eine exakte 16-Bit-Quantisierung verwendet, damit sie eine hohe Klangqualität aufweisen.

Lassen Sie uns eine mittlere Schlussfolgerung ziehen: Der ADC wandelt das analoge Signal in Zahlen um und schreibt sie als Sequenz. Dann kommt Wave, ein Soundformat. Beachten Sie, dass Audio-CDs Ton im gleichen Format aufnehmen. Diese Speichermethode ist jedoch nicht wirtschaftlich. Viele Leute bevorzugen wahrscheinlich eine MP3-Disc, die mehr als 200 Songs enthalten kann, als eine normale CD. Dazu wird die Wave-Datei auf Kosten der Qualität komprimiert. Seien Sie jedoch nicht beunruhigt, da das menschliche Ohr den Verlust der Klangqualität nach der Komprimierung praktisch nicht erkennen kann. Lassen Sie mich jetzt erklären. Alles begann, als die Internationale Organisation für Normung (ISO) Ende der 1980er Jahre die Expertengruppe Moving Pictrures gründete, deren Aufgabe es war, einen internationalen Standard für die Darstellung digitaler Video- und Audiodaten zu entwickeln. Das Ergebnis der Arbeit der Gruppe ist das MPEG-1 Layer 3-Format, kurz MP3, das Audiodaten praktisch ohne Qualitätsverlust um 1/12 komprimiert. Der Audiokomprimierungsalgorithmus in diesem Format basiert auf den psychoakustischen Eigenschaften des menschlichen Hörorgans, und daher hat die Entfernung von Elementen, die vom Ohr nicht wahrgenommen werden, keinen Einfluss auf die spürbare Qualitätsverschlechterung. Angenommen, es befinden sich viele Personen im Raum, die alle lautstark miteinander sprechen. Wenn Sie versuchen, eine Person anzurufen, die nur wenige Meter von Ihnen entfernt ist, ohne Ihre Stimme zu erheben, erwarten Sie nicht, dass sie Ihren Anruf entgegennimmt. , da es Sie aufgrund des erzeugten Geräusches nicht hört. Dies liegt daran, dass Klänge derselben Frequenz mit höherer Amplitude andere Frequenzen mit niedrigerer Amplitude maskieren. Dieser unglückliche Effekt wird jedoch gerne zum Komprimieren von digitalisiertem Audio verwendet. Der Wellenstrom enthält alle Toninformationen, auch maskiert, die für das Ohr nicht hörbar sind. Nach der Komprimierung werden diese Informationen jedoch entfernt, wodurch die Dateigröße verringert wird. Ein weiteres wichtiges Merkmal des zur Kompression verwendeten menschlichen Hörorgans ist die Trägheit. Das Ohr ist, um es vulgär auszudrücken, ein Trägheitsgerät, daher kann eine Person an der Grenze des Unterschieds des Schallpegels vom höchsten zum niedrigsten für eine bestimmte Zeit (~ 100 ms) keinen Schall mit niedrigerer Amplitude hören Daher wird der Ton in diesem Zeitraum möglicherweise nicht gespeichert. Es ist auch möglich, den Schall, der über der Empfindlichkeitsschwelle liegt, nicht zu speichern, dh dessen Schallpegel unter einem bestimmten Wert liegt und daher für eine Person unhörbar ist. Eine weitere interessante Eigenschaft, die zum Codieren verwendet wird (jedoch nicht von ”

Zusammen führt dies zu erheblichen Einsparungen beim von der Audiodatei belegten Speicherplatz. Eine durchschnittliche Musikdatei, die 30-40 MB in “voller” Form belegt, belegt nach dem Codieren in MP3 bereits 3-4 MB, sodass Sie mehr als 11 Stunden Musik auf einer Disc aufnehmen können. Dies ist jedoch nicht die Grenze. Im Jahr 2001 hatte das MP3-Format einen Nachfolger: das MP3Pro-Format. Schöpfer sind Thomson Multimedia und das Fraunhofer-Institut in Deutschland. Eine Besonderheit des neuen verbesserten Formats ist, dass die Dateien im neuen Format bei gleicher Qualität im Vergleich zu normalen MP3s doppelt so viel Speicherplatz beanspruchen. Beispielsweise hat eine MP3Pro-Datei mit einer Klangqualität von 128 kbit / s dieselbe Größe wie eine MP3-Datei mit 64 kbit / s. Ein weiterer Vorteil ist

Mal sehen, wie dies erreicht wird. Das Funktionsprinzip des MP3Pro-Formats ist recht einfach. Beim Codieren wird der Audiostream in zwei Teile unterteilt, zwei Streams. Das erste ist das niederfrequente, das im üblichen MP3-Format codiert ist, wodurch die Formate übrigens abwärtskompatibel werden, da normale Player nur diesen Teil der Datei abspielen. Der zweite Stream ist eine Hochfrequenz, die in dem Teil des MP3-Streams codiert ist, den ältere Player ignorieren. Der neue Decoder kombiniert diese beiden Streams und führt zu einem vollen Klang über das gesamte Frequenzband.
In Bezug auf die Förderung des neuen Formats auf dem Markt hat MP3Pro im Vergleich zu seinem älteren Bruder keine so breite Verbreitung erhalten. Thomson Multimedia bietet eine kostenlose Version des MP3Pro Player / Encoder zum Download von seiner Website an. Die Einschränkungen dieser Version bestehen darin, dass nur 64 kbit / s für die Codierung verfügbar sind. WinAmp-Liebhaber haben ein Plugin zum Abspielen von MP3Pro-Dateien

Natürlich konvergierte das Licht nicht bei MP3, es gibt andere digitale Codierungsformate, aber trotzdem ist es immer noch das beliebteste.