Bemonsteringssnelheid en bitdiepte

Free Download Mp4Gain

We now offer a subscription for just 10 cents a day*

You will always enjoy the full version of Mp4Gain with all its features and benefits.

For just 10 cents a day*

*Unlimited FULL version of Mp4Gain, billed $US12.50 Quarterly (+ $5 USD one time subscription payment JUST in the first payment).

All other payments will be just $3.12 per month, billed quaterly.

That's only 10 cents per day!

CLICK TO PURCHASE

THIS PRICE ONLY LASTS FOR A FEW DAYS

Bemonsteringssnelheid en bitdiepte

uno

Bij het beschrijven van digitale opnameapparaten worden twee fundamentele concepten gebruikt: samplefrequentie en bitdiepte. In dit artikel zullen we zien wat het is.

Bemonsteringssnelheid
De sample rate is de snelheid waarmee de logger samples van het ingangssignaal vastlegt. Bij het opnemen van geluid in digitale vorm worden in feite individuele samples of, met andere woorden, de geluidsintensiteitswaarden op verschillende tijdstippen geregistreerd.

De samplefrequentie voor opnameapparatuur is meestal de volgende standaardwaarden: 44,1 kHz; 48 kHz en 96 kHz. Hoe hoger de samplefrequentie, hoe meer samples er in 1 seconde worden genomen en hoe beter de digitale geluidskwaliteit die we als resultaat krijgen.

Wat is de betekenis van deze cijfers? Ze betekenen het aantal keren dat de recorder de geluidsintensiteitswaarde van het ingangssignaal per seconde leest. De samplefrequentie wordt gemeten in kilohertz (kHz), 1 kHz = 1000 samples per seconde.

Als de opname bijvoorbeeld is gemaakt met een bemonsteringsfrequentie van 48 kHz, betekent dit dat de geluidsrecorder de waarde van de geluidsintensiteit 48.000 keer per seconde meet en opneemt.

Dit aantal lijkt misschien onvoorstelbaar groot, maar hier is het fenomeen Nyquist-frequentie de moeite waard om te onthouden. De Nyquist-frequentie is genoemd naar de persoon die deze voor het eerst heeft ontdekt. Definieert de hoogste geluidsfrequentie die kan worden opgenomen met een bepaalde samplefrequentie.

Kortom, de maximale toon die digitaal kan worden ingevoerd, is ongeveer de helft van de samplefrequentie.

Daarom is bij het opnemen met een bemonsteringsfrequentie van 48 kHz de maximale audiofrequentie die kan worden opgenomen 24 kHz. Dit is voldoende, aangezien het menselijk oor frequenties hoort van gemiddeld 20 Hz tot 20 kHz.

Bit diepte
Als je het hebt over digitale opnameapparaten, hoor je vaak de woorden “16-bit”, “24-bit”, enzovoort. Sommige betekenen het aantal informatie-eenheden waarmee de waarde van elk monster verkregen uit de digitale opname kan worden weergegeven.

Hoe hoger de waarde van dit nummer, hoe nauwkeuriger u de waarde van elke sample kunt opnemen en hoe hoger de geluidskwaliteit die u als resultaat krijgt.

Denk niet dat hoe groter het aantal bits, dat wil zeggen, hoe groter de bitdiepte, hoe groter de intensiteitswaarde die kan worden ingesteld. Hier wordt representatieprecisie bedoeld.

Moderne recorders zijn meestal 24 bits breed. Opgemerkt moet worden dat opnemen met een grote bitdiepte veel ruimte op het opslagapparaat in beslag neemt, maar dit is niet zo belangrijk, omdat moderne media een enorm volume hebben en steeds betaalbaarder worden.

Free Download Mp4Gain

Waarom upsampling? Deel 1

Waarom upsampling? Deel 1

Upsamplin

Als het gaat om het verbeteren van de digitale geluidskwaliteit, zijn experts op dit gebied het maar over één ding eens: naarmate de samplefrequentie toeneemt, verbetert de geluidskwaliteit dramatisch.

Upsampling

Ook onder het woord “verbeteren” begrijpt iedereen al iets van zichzelf. Alle verschillende meningen over dit onderwerp komen neer op het volgende: het geluid wordt helderder, zachter, natuurlijker, de lage frequenties worden duidelijker waargenomen.

Deze nuances worden echter alleen opgemerkt door luisteraars die getraind zijn met een goed oor voor muziek op speciaal geselecteerd geluidsmateriaal en met technisch geavanceerde apparatuur.

Er zijn veel hypothesen die verklaren waarom de geluidskwaliteit wordt verbeterd door bemonstering. Veel technici zijn geneigd te geloven dat deze relatie het gevolg is van vervormingen die ontstaan door filtering en interpolatie tijdens reconstructie van het audiosignaal.

Op modern technisch niveau kunnen hoogwaardige interpolators praktisch onmogelijk te implementeren zijn, daarom verhogen fabrikanten in plaats van ze te verbeteren eenvoudig de bemonsteringsfrequentie. Misschien gaat het helemaal niet over hen.

Een andere versie waar veel muziekliefhebbers zich aan houden, is dat bij een lage bemonsteringsfrequentie, bijvoorbeeld 44100 Hz, digitaal geluid volledig verstoken is van nuances van hoge geluiden, waarvan de hoofdfrequenties boven de 7 kHz liggen. , en bij lagere frequenties zijn er te weinig nuances voor hoge kwaliteit. perceptie van muziek.

In feite genereren veel muziekinstrumenten trillingen tot 100 kHz. Het is waar dat het aandeel van energie dat in de frequentieband boven 20 kHz valt 0,01 tot 2% is voor geluiden van harmonische aard en 0,02 tot 68% voor geluiden die worden gecreëerd door een cimbaal, driehoek of het slaan op een drumrand. metaal (hoepel shot – Noot van de redactie).

Zelfs het frequentiebereik van spraak in sissende geluiden strekt zich uit tot 40 kHz. Aanhangers van deze versie schamen zich niet dat een persoon geen geluiden kan waarnemen met een frequentie hoger dan 20 kHz. Aangenomen wordt dat echografie wordt waargenomen buiten het gehoorsysteem, bijvoorbeeld via beengeleiding.

Geruchten dat harmonischen boven 20 kHz significant bijdragen aan het geluid, hebben geleid tot de creatie en wijdverbreide introductie van analoog-naar-digitaal converters die 96 kHz en 192 kHz samplefrequenties gebruiken; De bemonsteringsfrequentie zal naar verwachting toenemen tot 384 kHz.

Op basis van moderne kennis van de menselijke perceptie van geluid, moet worden aangenomen dat de relatie tussen digitale geluidskwaliteit en bemonsteringsfrequentie het gevolg is van de transformatie van het kwantiseringsfoutspectrum in het audiofrequentiebereik.

In de technische literatuur wordt dit onderwerp alleen overwogen voor een bepaald wiskundig model, wanneer de muziek wordt weergegeven door een signaal met een uniforme verdeling in niveau en frequentie. In dit geval worden de kwantisatiefouten omgezet in ruis met een uniforme spectrale dichtheid van 0 Hz tot de Nyquist-frequentie.

Bij elke verdubbeling van de bemonsteringsfrequentie wordt de spectrale ruisdichtheid gehalveerd en neemt de signaal-ruisverhouding toe met 3 dB. Aangezien de drukresolutielimiet ongeveer 1 dB is, is het onwaarschijnlijk dat deze decibel een merkbaar effect hebben op de geluidsperceptie in het hoogfrequente gebied. Op basis van deze cijfers is het absoluut onmogelijk om voorlopige conclusies te trekken over de verandering in geluidskwaliteit.

Om het spectrum van kwantisatiefouten, bemonsteringsfrequentie en geluidskwaliteit in verband te brengen, wordt in dit artikel voorgesteld om een toonsignaal als muziekmodel te gebruiken, zoals gebruikelijk is om de kwaliteit van geluidspaden te evalueren. Deze benadering is grotendeels gebaseerd op materiaal dat is gepubliceerd in het tijdschrift “Sound Engineer”.

De resultaten kunnen als volgt worden samengevat. In tegenstelling tot analoge audio is digitale audio het product van amplitudemodulatie. Dit komt tot uiting in een rigide functionele afhankelijkheid van het frequentie-multipliciteitsfactor-kwantiseringsfoutspectrum van de audiosignaalfrequentie F en de bemonsteringsfrequentie fs, weergegeven als de verhouding van de priemgetallen y en x (k = fs / F = y / x). Het frequentiespectrum van kwantisatiefouten is altijd discreet en wordt uniek bepaald door de multipliciteitsfactor; de componenten van dit spectrum worden ook op unieke wijze bepaald door de amplitude van het audiosignaal, uitgedrukt in quanta. Dit betekent dat het mechanisme voor de vorming van het kwantiseringsfoutspectrum niet afhankelijk is van het aantal gebruikte bits. Met een toename van de bitdiepte van de kwantisering.

24/192 digitaal audioformaat en waarom het niet klopt. Deel 4

24/192 digitaal audioformaat en waarom het niet klopt. Deel 4

Oversampling

Begrijp het bemonsteringsproces verkeerd

De bemonsteringstheorie is vaak onbegrijpelijk zonder de context van signaalverwerking. En het is geen wonder dat de meeste mensen, zelfs briljante doktoren op andere gebieden, het niet begrijpen. Het is ook niet verwonderlijk dat veel mensen niet eens beseffen dat ze een fout maken.

De bemonsterde signalen worden vaak weergegeven als een gekartelde ladder, zoals in de figuur hierboven (in rood), die een ruwe benadering lijkt te zijn van het oorspronkelijke signaal. Deze weergave is echter wiskundig nauwkeurig en wanneer deze wordt geconverteerd naar een analoog signaal, wordt de grafiek vloeiend (blauwe lijn in de afbeelding).

De meest voorkomende misvatting is dat steekproeven een grof proces zijn en tot verlies van informatie leiden. Het discrete signaal wordt vaak weergegeven als een gekartelde, hoekige getrapte replica van de originele perfect gladde golfvorm. Als u dat denkt, kunt u ervan uitgaan dat hoe hoger de samplefrequentie (en meer bits per sample), hoe kleiner de stappen en hoe nauwkeuriger de benadering. Het digitale signaal zal meer en meer op een analoge vorm lijken totdat het vorm krijgt met een samplefrequentie die bijna oneindig is.

Evenzo zullen veel mensen die niet-digitale signalen verwerken naar de afbeelding hieronder kijken en zeggen: “Ugh!” Het kan lijken alsof het discrete signaal niet de hoge frequenties van de analoge golfvorm weergeeft, of met andere woorden, naarmate de frequentie van het geluid toeneemt, daalt de bemonsteringskwaliteit en neemt de frequentierespons af of wordt deze gevoelig voor de fase van het ingangssignaal.

Het ziet er gewoon zo uit. Deze overtuigingen zijn verkeerd!

Alle signalen onder de Nyquist-frequentie (de helft van de samplefrequentie) worden perfect en volledig opgevangen tijdens het samplen, en een oneindig hoge samplefrequentie is hiervoor niet nodig. Sampling heeft geen invloed op de frequentierespons of fase. Het analoge signaal kan zonder verlies worden hersteld, net zo soepel en synchroon als het origineel.

Je kunt niet tegenspreken met de wiskunde, maar wat zijn de moeilijkheden? De bekendste is de beperking van de bandbreedte. Signalen boven de Nyquist-frequentie moeten vóór het samplen worden gefilterd om aliasvervorming te voorkomen. Het beruchte anti-aliasingfilter werkt als dit filter. De onderdrukking van bemonsteringsruis is in de praktijk misschien niet perfect, maar met moderne technologieën komt u heel dicht bij het ideale resultaat. En we komen tot overbemonstering.

Overbemonstering

Bemonsteringsfrequenties boven 48 kHz zijn niet relevant voor high-fidelity-audio, maar zijn wel nodig voor sommige moderne technologieën. Overbemonstering (overbemonstering) is de belangrijkste [7].

Het idee van overbemonstering is eenvoudig en elegant. Misschien herinner je je mijn video “Digital Media. A Guide for Beginner Geeks ”dat de hoge samplefrequenties een veel grotere kloof bieden tussen de hoogste frequentie waar we om geven (20 kHz) en de Nyquist-frequentie (de helft van de samplefrequentie). Dit maakt eenvoudigere en robuustere anti-aliasingfilters mogelijk en verbetert de betrouwbaarheid. Deze extra ruimte tussen 20 kHz en de Nyquist-frequentie is in wezen een buffer voor het analoge filter.

Bovenstaande figuur toont diagrammen uit de video “Digital Media. Een beginnershandleiding die de overgangsbandbreedte illustreert voor een DAC of ADC op 48 kHz (links) en 96 kHz (rechts).

Dit is slechts de helft van de strijd omdat digitale filters minder praktische beperkingen hebben dan analoge filters en we de afvlakking met grotere precisie en efficiëntie kunnen voltooien. Het droge hoogfrequente signaal gaat door een digitaal anti-aliasing filter, dat geen probleem heeft om de overgangsband van het filter in kleine ruimtes te plaatsen. Zodra het rechttrekken is voltooid, worden de extra discrete secties in de kussenruimte eenvoudig teruggevouwen. Het overbemonsterde signaal wordt omgekeerd gereproduceerd.

Dit betekent dat signalen met een lage samplefrequentie (44,1 kHz of 48 kHz) dezelfde getrouwheid, soepele respons en lage aliasing kunnen hebben als signalen met een samplefrequentie van 192 kHz of hoger, maar geen van deze zal verschijnen. . nadelen (ultrasone golven die intermodulatievervorming veroorzaken, grotere bestandsgrootte). Bijna alle moderne DAC’s en ADC’s oversamplen met zeer hoge snelheden, en maar weinig mensen weten dit omdat het automatisch binnen het apparaat gebeurt.

DAC’s en ADC’s zijn niet altijd in staat geweest om te oversamplen. Dertig jaar geleden gebruikten sommige opnameconsoles hoge samplefrequenties voor geluidsopname met alleen analoge filters. Dit hoogfrequente signaal werd later gebruikt om masterrecords te maken.

24/192 digitaal audioformaat en waarom het niet klopt. Deel 3

24/192 digitaal audioformaat en waarom het niet klopt. Deel 3

192 kHz wordt als schadelijk beschouwd

192 kHz digitale muziekbestanden bieden geen voordeel, maar hebben toch enige impact. In de praktijk blijkt dat de afspeelkwaliteit iets slechter is, en tijdens het afspelen verschijnen ultrasone golven.

Zowel audio-omvormers als eindversterkers zijn gevoelig voor vervorming en vervorming heeft de neiging zich snel op te bouwen in de hoge en lage frequenties. Als dezelfde luidspreker het ultrasone geluid weergeeft samen met de frequenties van het hoorbare bereik, zullen alle niet-lineaire kenmerken een deel van het ultrasone bereik veranderen in het hoorbare spectrum in de vorm van ongecontroleerde willekeurige niet-lineaire vervormingen die het hele bereik van hoorbare audio beslaan. Niet-lineariteit in een eindversterker heeft hetzelfde effect. Deze effecten zijn moeilijk op te merken, maar testen hebben bevestigd dat beide soorten vervorming hoorbaar zijn.

De bovenstaande grafiek toont de vervorming als gevolg van intermodulatie van 30 kHz en 33 kHz audio in een theoretische versterker met een constante harmonische vervorming (THD) van ongeveer 0,09%. Vervorming is zichtbaar over het spectrum, zelfs bij de laagste frequenties.

Onhoorbare ultrasone golven dragen bij aan intermodulatievervorming in het hoorbare bereik (lichtblauw gebied). Systemen die niet zijn ontworpen om ultrageluid te reproduceren, hebben vaak hogere vervormingsniveaus, ongeveer 20 kHz, wat verder bijdraagt aan intermodulatie. Het uitbreiden van het frequentiebereik met ultrageluid vereist compromissen die ruis en vervormingsactiviteit binnen het hoorbare spectrum verminderen, maar in elk geval zal onnodige reproductie van de ultrasone component de reproductiekwaliteit verminderen.

Er zijn verschillende manieren om extra vervorming te voorkomen:

Een luidspreker, versterker en signaalspectrumsplitter met alleen ultrasoon geluid om ultrasoon geluid dat u niet kunt horen onafhankelijk te scheiden en weer te geven, zodat het geen invloed heeft op andere geluiden.
Versterkers en transducers die zijn ontworpen om een breder spectrum aan frequenties te reproduceren, zodat ultrasoon geluid geen hoorbare harmonische vervorming veroorzaakt. Vanwege de extra kosten en complexiteit van de uitvoering, zal het extra frequentiebereik de kwaliteit van de weergave in het hoorbare spectrum verminderen.
Goed ontworpen luidsprekers en versterkers die geen echografie produceren.
Om te beginnen hoeft u niet zo’n breed frequentiebereik te coderen. U kunt (en mag) geen ultrasone harmonische vervorming horen in de hoorbare frequentieband als er geen ultrasone component is.
Al deze methoden zijn bedoeld om een probleem op te lossen, maar slechts vier manieren zijn logisch.

Als je geïnteresseerd bent in de mogelijkheden van je eigen systeem, bevatten de volgende samples: 30 kHz en 33 kHz audio in WAV 24/96-formaat, een langere FLAC-versie, enkele melodieën en een stuk normale nummers op 24 kHz om ze te laten vallen volledig in het ultrasone bereik van 24 kHz tot 46 kHz.

Tests om harmonische vervorming te meten:

30 kHz audio + 33 kHz audio (24 bit / 96 kHz) [5 seconden WAV] [30 seconden FLAC]
Stemt af op 26 kHz – 48 kHz (24 bit / 96 kHz) [10 seconden WAV]
Stemt af op 26 kHz – 96 kHz (24 bit / 192 kHz) [10 seconden WAV]
Nummers knippen tot 24 kHz (24-bit / 96 kHz WAV) [10-seconden WAV] (originele cut-versie) (16-bit / 44,1 kHz WAV)
Stel dat uw systeem alle formaten kan afspelen met samplefrequenties van 96 kHz [6]. Wanneer u de bovenstaande bestanden afspeelt, hoort u niets, geen ruis, gesis, klikken of andere geluiden. Als u iets hoort, heeft uw systeem een niet-lineaire respons en veroorzaakt het hoorbare niet-lineaire vervorming van de echografie. Wees voorzichtig bij het verhogen van het volume, als u het digitale of analoge clipgebied betreedt, kan zelfs een zachte clipping sterke intermodulatieruis veroorzaken.

In het algemeen is het geen feit dat harmonische vervorming van ultrasoon geluid hoorbaar is in een bepaald systeem. De veroorzaakte vervorming kan verwaarloosbaar en behoorlijk merkbaar zijn. In ieder geval is de ultrasone component nooit een verdienste en zal het in veel audiosystemen leiden tot een sterke afname van de kwaliteit van de geluidsweergave. In systemen waar het geen schade toebrengt, kan het vermogen om ultrageluid te verwerken worden behouden of in plaats daarvan kunnen middelen worden gebruikt om de geluidskwaliteit van het hoorbare bereik te verbeteren.

Begrijp het bemonsteringsproces verkeerd