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Grundlagen Recording: Auflösung und Abtastung

Autor: Daniel Remmel

Obwohl heutzutage in vieler Munde, wissen doch viele nicht, was Digitalrecording überhaupt ist.
In diesem Artikel möchten wir das Prinzip, nach dem Audiodateien digitalisiert werden, näher erläutern.



Auflösung


Beim Digital- bzw. Harddiskrecording dreht es sich in erster Linie darum, Musik bzw. Audiodaten zu digitalisieren und auf einem Computer bzw. einer Festplatte (engl. Harddisk) abzuspeichern. Man spricht hier vom sogenannten Sampling.

Schall besteht aus nichts anderem als Druck-Wellen. Mikrophone wandeln diese Wellen durch Spannung in elektrische Signale um.
Sie können aber auch direkt erzeugt werden (z.B. bei Keyboards)

Computer arbeiten zwar prinzipiell auch mit elektrischem Strom, allerdings kennen sie nur zwei Zustände Strom an und Strom aus (bzw. 0 und 1). Zahlen bestehen also lediglich aus Kombinationen von Nullen und Einsen. Wie viele Zahlen ein Computer darstellen kann, hängt von der sogenannten Bitbreite ab.

Kann der Prozessor 4 [lex=30]Bit[/lex] verarbeiten, ergeben sich daraus 16 verschiedene Zahlenkombinationen, die er darstellen kann (0000 bis 1111). So lautet die Zahl "4" z.B. im Binärcode (oder Bitcode) dargestellt: 0100.
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Um jetzt aus einer elektrischen Spannung ein digitales Signal zu machen, benötigt man einen sogenannten AD-Wandler (Analog-Digital-Wandler).
Dieser legt ein sog. Bit-Raster über die Spannungskurve, tastet diese in bestimmten Abständen ab und speichert den jeweiligen Bit-Wert.

Am höchsten Punkt der Spannung (z.B. 5V) wird der größte Digitalwert vergeben. Dementsprechend bei dem niedrigsten Pegel die kleinste digitale Zahl.

Das wären bei 4 Bit beispielsweise 1111 (dezimal 15) beim höchsten und 0000 entsprechend beim niedrigsten. Es existieren hier allerdings verschiedene Möglichkeiten, die verschiedenen Pegel digital zu kodieren (z.B. die Komplementbildung bei negativen Werten), auf die an dieser Stelle jedoch nicht näher eingegangen werden soll.


Die Samplingfrequenz (Abtastfrequenz)


Um jetzt einen bestimmten Spannungsverlauf digital nachzubilden, wird die Spannung in regelmäßigen Abständen abgetastet. Dieser Wert wird der Auflösung entsprechend digitalisiert (also in die einzelnen Bits zerlegt) und dann im Rechner gespeichert. Man spricht hier von der Abtastrate. Da dies mehrere Male pro Sekunde geschieht, spricht man auch von der Abtastfrequenz. Diese wird in Herz (Hz = Abtastungen pro Sekunde) gemessen:


Um eine bestimmte Frequenz digital abzubilden, braucht man logischerweise pro Halbwelle eine Abtastung. Daraus ergibt sich, dass die Abtastfrequenz doppelt so hoch sein muss, wie die Tonfrequenz. Bei Telefonen, die in der Regel mit 4KHz arbeiten, wird bei Digitalisierung mit 8KHz abgetastet.
Das menschliche Ohr kann Frequenzen bis maximal ca. 20 - 22 KHz wahrnehmen. Daraus ergibt sich die übliche Abtastfrequenz von 44KHz.

Wenn ein digitales Signal ausgegeben werden soll, werden die einzeln abgegriffenen Bitwerte wieder in Spannungswerte umgerechnet, woraus dann wieder eine Kurve entsteht, die allerdings jetzt wesentlich eckiger aussieht. Hier eine schematische Darstellung des Signals des obigen Spannungs-Verlaufes


Die gängige Audio-CD-Technik arbeitet mit 44KHz und 16 Bit (ca. 65.000 verschiedene Zustände). Im Studiobereich ist eine Abtastrate von 96 KHz bei 24 Bit (ca. 16 Mio verschiedene Zustände) üblich. Diese hohe Auflösung wird dann später vor dem Mastering auf 16bit/44KHz runtergerechnet.

Durch niedrige Auflösungen hat man gerade bei leisen Signalen qualitative Einbußen, da die volle Bandbreite nur bei maximaler Amplitude genutzt werden kann. Hat man beispielsweise 5 Volt Vollausschlag bei einer Auflösung von 16 Bit (16 Mio Zustände), hat man bei leisen Passagen mit einer Amplitude von ca 2.5 Volt entsprechend nur noch 15 Bit (8 Mio Zustände) Nutzbandbreite zur Verfügung.

Das war ein kleiner, hoffentlich nicht zu komplizierter Ausflug in die Digitalwelt. Nicht unbedingt notwendig zum recorden, schadet es aber trotzdem nie, wenn man etwas Hintergrundinfo besitzt...




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