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Stand

8´2006

Thema

Digitalisierung von Audio-Signalen!

Wie kommt das Audiosignal, von Sprach- oder Musikaufnahmen in den Computer auf die Festplatte?
Warum gibt es Qualitätsunterschiede?

vom analogen Signale

Ein Ton- und Klangsignal, wie Sprach- oder Musikaufnahmen über ein Mikrofon, Mischpult, Keyboard, Kopfhörer (Line) -Ausgang sind in der Regel analog. Das bedeutet, dass der Klang so aufgenommen und abgespielt wird, wie wir Menschen ihn hören.

zum digitalen Signal (-Daten)

Um dieses analoge Signal in den Rechner (Computer) oder auf eine CD zu bekommen, muss das analoge Signal erst einmal digitalisiert (quantisiert) werden! Das macht eine eingebaute elektronische Baugruppe, der Analog-Digital-Wandler (Konverter), kurz ADC genannt.

Umwandlungsqualität

Je aufwändiger und hochwertiger der ADC arbeitet und rechnet, umso naturgetreuer kann der ursprüngliche Analogklang später wieder reproduziert und vom Lautsprecher oder Kopfhörer abgehört werden. Grundsätzlich handelt es sich dabei nur um eine Annäherung. So natürlich wie das Original wird es nie mehr!

Arbeitsweise des ADC

Das analoge Signal wird zweifach zerlegt (analysiert):

... (1) Abtastfrequenz

Zuerst wird die Frequenz des analogen Signals in sehr schmale, kleine vertikale Zeit-Streifen (Abtastfrequenz, Abtastrate, Samplingrate, Zeitquantisierung) geschnitten. Dieser Wert wird dann ausgemessen und zwischengespeichert.
Die Abtastfrequenz muss mindestens doppelt so hoch wie die Frequenz der Aufnahmequelle.. Da wir Menschen eine Frequenz bis zu 20.000 Hz (20 kHz) hören können, sollte die Abtastfrequenz mindestens 40 kHz haben. Hier heisst es je mehr desto besser!

Typische Werte sind hierbei;
44,1 kHz = Audio-CDs
48 kHz = besser Digitalgeräte
96 kHz = Studiogeräte, (CD-) Mastering am Rechner

... (2) Sampling-Tiefe

Auch die Lautstärke des analogen Signals wird in sehr kleine, feine horizontale Streifen (Samplingtiefe, Amplitudenquantisierung) geschnitten werden. Die daraus resultierenden elektrischen Werte werden berechnet und ebenfalls zwischengespeichert.
Selbstverständlich besteht auch hier der Grundsatz, je höher die Samplingtiefe (also je keiner und feiner das Streifenmuster) umso naturgetreuer kann das Original-Signal wieder hergestellt werden! Aber auch der Rauschabstand erhöht sich. Das bedeutet, dass das Quantisierungsrauschen, dass im original Audiosignal nicht vorhanden ist, stark (bis unter die Hörschwelle) minimiert werden kann.

Typische Werte sind hierbei;
8 bit = einfache Effektgeräte, eher für Dokumentationen oder Internet-Übertragungen (Download, Podcast)
16 bit = Audio-CD
24 bit = Studiotechnik, (CD-) Mastering am Rechner

Signalwerte digitalisieren

So, dann werden diese beiden Werte übereinander gelegt, miteinander verrechnet und heraus kommt ein Gitternetz, dass dann durch seine resultierenden Kreuzpunkte (XY-Punkt) annähernd das tatsächliche originale Analogsignal nachbildet. Es entsteht eine treppenhafte, gezackte Abbildung der analogen Rundung. Das heisst, je engmaschiger das Raster, desto genauer die originale Abbildung! Der Klang wird wesentlich dynamischer, klarer, präziser und homogener mit wesentlich weniger Rauschanteil!
Nach der Digitalisierung wird der Werte abgespeichert und/oder weiter zur Verfügung gestellt.

Speicherplatz

Da stellt sich zwangsläufig die Frage, warum nicht immer in bester, höchster Qualität bearbeiten und abspeichern?
Leider setzt die maximale Quantisierungs-Qualität auch eine hohe Rechnergeschwindigkeit voraus, was nicht jeder Rechner in Echtzeit ohne grössere Rechenfehler leisten kann. Eine erheblich aufwändigere Bauteilqualität ist hier Voraussetzung. Das macht sich zwangsläufig im Geldbeutel bemerkbar.

Noch bedeutender ist heute aber der Speicherbedarf auf der Festplatte oder der CD (-ROM).

Hier ein kleines Rechenbeispiel von einer Audio-CD mit 16bit/44,1kHz;
16 bit * 44,1 kHz * 60 sek * 2 Kanäle {für Stereoübertragung}
= 84 672 000 bit/min / 8 bit {8bit = 1 Byte = 1 B}
= 10 584 000 B/min / 1024 {1024 B = 1 kB}
= 10 296 kByte/min /1024 {1024 kB = 1 MB}
= ca. 10 MB/min
= ca. 600 MB/Stunde

Da auf einer normaler Audio-CD (ROM) 700 MB-Speicherkapazität zur Verfügung stehen, kann dann auch nur ein Audiosignal von ca. 70 Minuten Länge in Stereo abgespeichert werden kann!

Immer die höchste Auflösung!

Wird bei unserem Rechenbeispiel die Samplingtiefe von 16 bit auf 24 bit gesetzt, steigt der Speicherbedarf proportional um 50 % an. Somit kann auf der CD (-ROM) nur ca. 47 statt 70 Minuten abgespeichert werden. DIE, klingen aber besser !!!

Zurückverwandeln

Sollte das digitale Signal von der CD jetzt wieder hörbar gemacht werden, wird das digitale Signal durch einen Digital-Analog-Wandler (DAC) geschickt.
Dort wird in genau umgekehrter Weise das originalähnliche Analogsignal zurück gerechnet. Wichtig ist hierbei, dass das Digitalsignal die gleiche Zeit- und Amplitudenquantisierung wie der DAC hat. Daher kann der gemeine CD-Player nur was mit den üblichen 16bit und 44,1kHz Digitalsignalen anfangen.

Analogstufe

Meines Erachtens ist aber die, am DAC-Ausgang angeschlossene Analogstufe (Analogfilter), im Wesentlichen für das originalgetreu wirkende Audiosignal (die Musik...) verantwortlich.
Die Qualität DIESER Baugruppe ist extrem kostenintensiv und lässt sich tatsächlich nur erhören !

Weiter Informationen

Höhere Graphische Bundes-Lehr- und Versuchsanstalt Wien, Audiotechnik, Gerhard Junker MOVIE-COLLEGE
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c´t Computer-Magazin



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