Digitalaudio

Digitalaudio ist die Bezeichnung für digitalisierte Audiosignale (Musik usw.).

Umwandlung Analog - Digital

Musik und Töne sind physikalisch Schallwellen. Sie können mit einem Mikrofon in analoge elektrische Wellensignale umgewandelt und aufgezeichnet werden. Digitalisierung bedeutet, diese Wellensignale in binäre Zahlenwerte zu transformieren. Dazu müssen hinreichend oft die Werte der Audiosignale abgetastet und gespeichert werden. Laut dem in der digitalen Signalverarbeitung bekannten Abtasttheorem muss die Abtastfrequenz mehr als doppelt so groß sein wie die höchste Frequenz des abzutastenden Signals. Wird zu selten abgetastet, dann entsteht der sogenannte Alias-Effekt. Da die meisten Menschen nur Signale bis zirka 20 kHz hören, werden Audiosignale auf CDs mit 44,1 kHz abgetastet. Höhere Frequenzen im Audiosignal müssen vorher (analog) gefiltert werden, da man sonst ein Brummen hört (hier würde der Alias-Effekt die zu hohen Frequenzen auf niedrige Frequenzen "herunterwerfen").

DVDs und DAT arbeiten mit 48kHz, neuere Formate und professionelle Musikproduktionen sogar bis zu 192 kHz.

Hohe Abtastraten erhöhen nicht nur die mögliche maximale Frequenz, sondern erleichtern auch sowohl analoge als auch digitale Bearbeitung des Audiomaterials: ist die zur Verfügung stehende Samplerate höher als die benötigte, so können digitale Audioeffekte mehr Samples zur Berechnung heranziehen und somit z. B. Tempostreckungen besser interpolieren. Mehr dazu unter Überabtastung.

Da bei der Digital-Analog-Wandlung ein gespiegeltes Signal oberhalb der maximalen Nutzfrequenz entsteht, muss dieses mit analogen Filtern (Hicut/Tiefpass) entfernt werden. Idealerweise würden bei 44,1 kHz Samplerate unterhalb von 22,05 kHz alle Anteile verlustfrei passieren (Tiefpass), oberhalb von 22,05 kHz jedoch vollständig unterdrückt werden. Da solche steilflankigen Filter aufwendig herzustellen sind, kann man mit einer höheren Abtastrate (beispielsweise 48kHz) den Bereich von 22,05 kHz bis 24kHz als Gleitbereich für den Tiefpass verwenden und somit bei ähnlichem Frequenzumfang preiswertere Hicuts einsetzen.

Wichtiger als die Abtastrate ist der Dynamikumfang, der bei PCM durch die Samplebreite beschrieben wird. Sie gibt an, wie viele Lautstärkeabstufungen digital kodiert werden können. Während man eine Steigerung der Samplerate von 48 kHz auf 96 kHz nicht oder nur schwer wahrnehmen kann, ist eine Erweiterung der Samplebreite von 16 auf 24 Bit für das Ohr deutlich hörbar.

Kodierung

Für unkomprimierte PCM-kodierte Audiodaten fallen große Datenmengen an. Der benötigte Speicherplatz pro Sekunde ergibt sich aus:

• Bits pro Sekunde = Samplerate * Samplebreite * Kanäle

Für eine CD (44,1kHz, 16bit, 2 Kanäle) ergeben sich somit 1411200 Bits pro Sekunde oder 10,1MB pro Minute.

44100Hz * 16bit * 2 = 1411200 Bits pro Sekunde

/8 = 176400 Bytes pro Sekunde

/1024 = 172,2656 Kilobytes pro Sekunde

/1024 = 0,1682 MB pro Sekunde

*60 = 10,0936 MB pro Minute

Zur Reduktion dieser Datenmengen wurden Formate wie Ogg/Vorbis oder MP3 geschaffen, die durch verlustbehaftete Bearbeitung eine Verringerung der Datenmengen erreichen. Je nach gewünschter Ausgabegröße schwankt die Qualität dabei zwischen nicht bemerkbar und stark verfremdet; man spricht vom Kompressionsartefakt: ist er hörbar, ist die gewählte resultierende Bitrate zu gering und das Ergebnis damit deutlich vom Original zu unterscheiden.

Musiktauschbörsen

Die Entstehung und private Nutzung des Internets ermöglichte eine Verbreitung von digitalen Audiodateien in vorher ungekanntem Ausmaß. Tauschbörsen wie Napster enthielten hunderttausende Musikdateien. Häufig sind sie einzige Quelle für nicht mehr durch Plattenfirmen angebotene Tonträger.

Abspielgeräte

Audioplayer ermöglichen das Abspielen von komprimierten Audiodateien am Computer. Aber auch tragbare Player sind seit einigen Jahren mit stetig wachsendem Speicher und Funktionsumfang auf dem Markt. Häufig beherrschen diese Geräte jedoch nur MP3 oder WMA. Da WMA ein proprietäres Datenformat und MP3 patentbehaftet ist, können die Herstellerfirmen durch eine Änderung der Lizenzpolitik die Nutzung der Audiodateien einschränken, unterbinden oder mit zusätzlichen Kosten versehen. Für WMA ist seit langem pay-per-play im Gespräch, womit jedes einzelne Abspielen des Songs kostenpflichtig oder Musik lediglich gemietet wird. Bessere Geräte verwenden daher das patentfreie Ogg/Vorbis-Format, für das niemals Lizenzgebühren erhoben werden können, da es für jedermann öffentlich zugänglich ist.

Siehe auch

• DVD
• CD
• mp3
• Digitalisierung

Literatur

• Thomas Görne: Tontechnik. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, Leipzig, 2006, ISBN 3-446-40198-9.
• Roland Enders: Das Homerecording Handbuch. 3. Auflage, Carstensen Verlag, München, 2003, ISBN 3-910098-25-8

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Weblinks

• http://www.vorbis.com
• http://www.iis.fraunhofer.de/amm/techinf/layer3/
• Audio nach MIDI wandeln: Was bedeutet Erkennung von Musik? Konvertierungsprogramme Audio nach MIDI und allgemeine Informationen, Dissertationen, Mathematik und Physik zur Tonerkennung