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Audio Digitalisierung

Auditive Wahrnehmung

Die Klänge der wirklichen Welt, die uns umgeben, sind alle analog, das heißt, sie bestehen aus kontinuierlichen Schallwellen. Und bis vor gar nicht langer Zeit haben wir diese nicht nur ebenso gehört, sondern auch analog aufgezeichnet. Inzwischen ist die analoge Tonaufnahme in vielen Bereichen von der Digitalen Aufzeichnung abgelöst worden, bei der die Schallwellen in Zahlenwerte umgesetzt werden. Da unsere Hörorgane nach wie vor analog arbeiten, erzeugen digitale Tonaufnahmen die Illusion von kontinuierlichen Schallwellen.

Quantisierung

Die Quantisierung ist in der digitalen Signalverarbeitung eine Abbildung, die bei der Digitalisierung von Analogsignalen verwendet wird. Ein Audiosignal (auch Tonsignal) ist ein elektrisches Signal, das akustische Informationen transportiert.

Bei der analog/digital Wandlung wird die Lautstärke in kurzen Abständen gemessen und aufgezeichnet. Dadurch entsteht aus der ursprünglichen Schwingungskurve, eine Kurve aus kleinen Treppenstufen. Der digitale Ton wird mit einer durch Samplingrate und Samplingtiefe vorgegebenen Auflösung punktuell abgetastet. Die beiden Parameter bestimmen wie fein/grob die Rasterung des analogen Signals ausfällt.

Samplingrate (Abtastfrequenz)

Die Anzahl der Messungen pro Sekunde wird als Samplingrate (Abtastfrequenz) bezeichnet. Um eine Schwingung überhaupt aufzeichnen zu können braucht man mindestens zwei Messpunkte pro Schwingung, so dass für die Aufnahme der höchsten wahrnehmbaren Frequenz, die bei ca. 20 kHz liegt, eine Abtastrate von mindestens 40 kHz nötig ist. So erklärt sich, dass der Standart mit dem die meisten Geräte arbeiten (CD), bei 44100 Hz liegt. Je öfter man den Zustand eines Signals in einer bestimmten Zeit abfragt, desto mehr Informationen erhält man über das Signal und desto näher kommt es dem oft analogen Original. Studio Master Download liegen bei 96 kHz bis 192 kHz. Dies ergibt eine verfeinerte Wiedergabe und wirkt sich im Klang räumlicher aus.

Natürlich steigt der Speicherbedarf und die Systemauslastung mit zunehmender Samplingrate, weshalb z.B. für Internetanwendungen gerne auf niedrigere Auflösungen zurückgegriffen wird, auch wenn die Tonqualität darunter erheblich leidet.

Samplingtiefe

Die Samplingtiefe ist ein Mass dafür, wie viele Unterscheidungen bei einer Aufnahme möglich sind. Während die Sampling- oder Abtastrate angibt, wie häufig Informationen über den Zustand eines Stücks abgefragt werden, bestimmt die Samplingtiefe, wie hoch die Stufen zwischen zwei Werten (Datenwort) sind. Je kleiner die Stufen ausfallen, desto feiner wird abgetastet und desto geringere Unterschiede können wahrgenommen werden. Die Samplngtiefe bestimmt damit den Dynamikumfag des Signals. Das Datenwort besteht aus einer festgelegten Anzahl von Binärinformationen (Bit), wobei ein Datenwort aus 8 Bit (z.B. 01001011) 256 Werte ausdrücken kann. Bei 16 Bit Quantisierung lässt sich schon eine Skala von 65536 Werten darstellen. Die Samplingtiefe gibt an, wie viel Bit für die Quantisierung der Pegelmessungen zur Verfügung stehen. Je mehr Bit, desto mehr Lautstärkenabstufungen sind möglich und desto naturgetreuer wir die Aufzeichnung ausfallen.

Das Material auf einer Audio-CD besitzt eine Tiefe von 16 Bit. Damit ist es möglich, Töne auf einer Skala mit 65536 Abstufungen wiederzugeben. Studiomaster Dateien  erlauben eine Tiefe von 24 Bit. Dies ergibt eine Abstufung von 16777216.

Eine hohe Samplingtiefe steigert zusammen mit einer hohen Abtastfrequenz die Güte einer Aufnahme, zugleich steigt aber auch die Datenmenge und damit der benötigte Speicherplatz an.

Speicherkapazität

Der Speicherbedarf lässt sich durch Multiplikation von Samplingrate und Samplingtiefe berechnen: z.B. 44100 (1/s) x 16 Bit x 60 s (pro Minute) x 2 (bei Stereo) = 84672000 Bit = ( /8) 10584000 Byte = ( /1028) 10296 kB = ( /1028) ca. 10 MB pro Minute; bei 96 kHz / 24 Bit sind es schon ca. 33 MB pro Minute.

Ein Musikstück das ca. 3 Minuten dauert braucht in den verschiedene Formate folgenden Speicherplatz:

  • MP3 mit 320 komprimierung: ca. 6 MB
  • Audio CD: ca. 30 MB
  • Studiomaster mit 96kHz/ 24 Bit: ca. 90 MB
  • Studiomaster mit 192kHz/ 24 Bit: ca. 120 MB

Datenrate

Die Datenrate ist ein Synonym für die Übertragungsgeschwindigkeit von Daten auf digitalen Medien. Angegeben wird die Datenrate in übertragener Datenmenge pro Zeiteinheit, meistens in Bit/s oder Vielfachen davon wie zum Beispiel Mbit/s (Megabit pro Sekunde), weshalb die Datenrate oft auch nur Bitrate genannt wird.

Gängige Formate

  • 8 Bit / 22050 Hz – schlechte Qualität, nur noch selten, etwa im Internet, anzutreffen
  • 16 Bit / 44100 Hz – das verbreitetste Format hat sich mit der Audio-CD durchgesetzt
  • 16 Bit / 48000 Hz – bei DAT-Rekordern und einigen „Consumer-Geräten“ zu finden; besser als CD-Qualität
  • 24 Bit / 192000 Hz – derzeitiger Stand der Studiotechnik, wobei es ausser der DVD/BD und dem Streaming kein Medium gibt, mit dem man es abspielen könnte

Digitale Töne, wie wir sie hören

Und wenn die digitalen Signale schließlich aufgenommen, bearbeitet und vielleicht auf CD oder Harddisk gespeichert worden sind, werden sie zum Hören wieder umgewandelt in (möglichst) analoge Schallwellen. Eine hohe Sample-Rate soll sicherstellen, dass unsere Ohren die vielen Stufenwerte als Illusion kontinuierlicher Wellen wahrnehmen. Ob das wirklich gelingt, darüber streiten sich bis heute die Tontechniker und Audiophilen.

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