Audiotechnik AUDIOTECHNIK

Transkript

1 AUDIOTECHNIK 1

2 Übersicht Was ist Audio? Warum digital? Analog zu Digital Psychoakustik Kompression (MPEG-Audio) DVD-Audio Übertragung (MIDI) Probleme der AD/DA-Wandlung 2

3 Was ist Audio? I Töne Sprache Geräusche Musik... 3

4 Was ist Audio? II Schwingungen wellenförmige Vibration in Flüssigkeiten Festkörpern Gasen (Schallgeschwindigkeit: 330m/s = 1188 km/h) periodische Schwingungen (Klänge) Musikinstrumente Gesang Wind... nichtperiodische Schwingungen Sprache Geräusche... 4

5 Was ist Audio? III Amplitude objektiv: Energie des Klanges subjektiv: Lautstärke der Schwingung 5

6 Was ist Audio? IV Frequenzen Infraschall: 0 bis 20 Hertz (Hz) Hörschall: 20 bis 20 khz Ultraschall: 20 khz bis 1 GHz Hyperschall: 1 GHz bis 10 THz 6

7 Warum Digital? Qualität der Reproduktion Qualität ist NUR abhängig von der Analog/Digital/Analog-Konvertierung Qualität ist unabhängig von Verarbeitung (z. B. Geräte) Transport (z. B. Kabel) Speicherung (z. B. Festplatte, Magnetband, CD) Möglichkeiten der Konvertierung/Bearbeitung verlustfreies Kopieren nicht-sequentieller Zugriff nicht-destruktives Editing platzsparendere Speicherung... 7

8 Analog zu Digital I PAM (Puls Amplitude Modulation) Ermittlung von Amplitudenwerten innerhalb eines Zeitintervalls 8

9 Analog zu Digital II PWM (Puls Width Modulation) Ermittlung von Impulsen, deren Länge die Intensität des analogen Signals wiedergibt 9

10 Analog zu Digital III PCM (Pulse Code Modulation) universelles Verfahren zur Digitalisierung von analogen Zeitreihen Sampling Abtastung des analogen Signals in einem festgelegten Zeitintervall Verwendung von PAM Quantisierung Zuordung eines ganzzahligen Wertes innerhalb eines festgelegten Zahlenbereiches 10

11 Probleme der AD/DA-Wandlung I Nyquist Abtast-Theorem Harry Nyquist ( ) Mathematisch bewiesen durch Claude E. Shannon und Vladimir Aleksandrovich Kotelnikov die Abtastrate (Sampling Frequenz) muss doppelt so hoch sein, wie die höchste Frequenz des abzutastenden Signals Folge: Frequenz-Überlappung (Aliasing) ggf. falsche Rekonstruktion des Signals Nyquist Shannon Kotelnikov 11

12 Probleme der AD/DA-Wandlung II Quantisierungsrauschen Fehler durch Rundung bei der Digitalisierung 12

13 Probleme der AD/DA-Wandlung III Verzerrungen (Clipping) Übersteuerung des Eingangsignals Abschneiden der Spitzen eines Signals Folge von Variablenüberläufen 13

14 Psychoakustik I Hörschwelle unterschiedliche Empfindlichkeit (Lautstärkeeindruck) des Gehörs für verschiedene Frequenzbereiche höchste Empfindlichkeit im Bereich von 2 khz bis 4kHz 14

15 Psychoakustik II Maskierung Überdeckung eines Frequenzbereiches durch ein Störsignal Zeitliche (temporale) Maskierung verdeckt auch nach Abschalten des Störsignals den betreffenden Frequenzbereich 15

16 Kompression Dynamikkompression Einsatz nichtlinerarer (logarithmischer) Quantisierung kleine Signale werden mit niedrigeren Bitwerten kodiert Beispiele: A-law, u-law Psychoakustische Kompression Verwendung von Subband-Kodierung & Maskierung dadurch Entfernung von irrelevanten Daten Reduktion der Datenrate Beispiel: MP3 16

17 Kompression MPEG-Audio (I) Übersicht MP3 ist Kurzform von MPEG-1 Audio Layer III Verwendung der»psychoakustischen Kompression«hohe Kompression von Audiodaten bei vermeindlich geringem Qualitätsverlust Datenrate von 128KBit/s (44,1 khz, 16Bit Stereo) 17

18 Kompression MPEG-Audio (II) Algorithmus (1) Anwendung eines Faltungsfilters, um ein Signal in 32 Bänder zu unterteilen Berechnung des Schallddruckpegel eines Bandes wenn der Schalldruckpegel eines Bandes kleiner als der Maskierungsschwellwert eines Nachbarbandes, wird dieses Band nicht kodiert. Andernfalls werden die Koeffizienten quantisiert 18

19 Kompression MPEG-Audio (III) Algorithmus (2) Unterteilung des Datenstromes in Frames Ein Frame entspricht einem Tonsignal über eine bestimmte Zeiteinheit Jeder Frame enthält 384 Samples, die Abtastwerte aus 32 Teilbändern repräsentieren Aus jedem Teilband stammen 12 Werte 19

20 Kompression MPEG-Audio (V) MPEG-1 Audio Layer I-III Technische Unterschiede Layer 1 DCT-basierter Filter mit einem Frame und einer Gleichverteilung der Bänder über das gesamte Spektrum. Das psychoaktustische Modell verwendet nur die Frequenzmaskierung Layer 2 Verwendet drei Frames (vorhergehend, jetzt, nachfolgend) mit insgesamt 1152 Samples über das gesamte Spektrum. Dies realisiert im Ansatz eine Art temporaler Maskierung Layer 3 (MP3) Nichtlineare Aufteilung der kritischen Bänder. Das psychoakustische Modell verwendet eine temporale Maskierung. Die Redundanz eines Stereo-Signales wird berücksichtigt. Verwendung von Huffmann Encoding 20

21 Kompression MPEG-Audio (IV) MPEG-1 Audio-Layer 3 (MP3) 21

22 DVD-Audio (I) DVD-ROM Book A DVD-Video Book B DVD-Audio Book C DVD-R Book D DVD-RW Book E 22

23 DVD-Audio (II) Eigenschaften von DVD Audio Vergleich von CD-DA DVD-Video DVD-Audio Super Audio CD (SACD) 23

24 DVD-Audio (III) DVD-Audio Kompression unkomprimiert: LPCM verlustfrei komprimiert (bis 2:1): MLP (Meridian Lossless Packing) verlustbehaftet komprimiert: Dolby Digital, DTS, MPEG-2 Sampling Raten 44.1, 48, 88.2, 96, 176,4, 192 KHz Quantisierung 10, 20 und 24 bit mehrkanal-fähig bis zu 6 Kanäle Hintergrundinformationen Video-Standbilder, Video-Clips,... 24

25 DVD-Audio (IV) DVD-Audio Eigenschaften im Vergleich 25

26 DVD-Audio Kopierschutz Content Protection for Pre-recorded Media (CPPM) Von 4C Entity entwickelt (IBM, Intel, Matsushita und Toshiba) 56-bit Schlüssel, anstatt 40-bit bei CSS Komponenten Medien-ID im Lead-In Bereich der DVD: Nicht kopierbar! Medien-ID und CCI (Copy Control Information) im Klartext auf der DVD Media Key Block (MKB) verschlüsselt auf der DVD (/Audio_TS/DVDAUDIO.MKB) Geräteschlüssel im Decoder 26

27 DVD-Audio SACD Super-Audio-CD (SA-CD) Sony/Philips Standard Direct Stream Digital (DSD) 2,8 MHz, 1-Bit Verlustfreie Kompression (2:1) Text, Grafik und Video möglich Kopierschutz durch digitales Wasserzeichen Pit Signal Processing (PSP) abwärtskompatibel zur Audio-CD (Hybrid) DVD-9 SA-CD 27

28 Beispiele für Audiokompression Verlustbehaftet (Lossy) MP3 (MPEG 1 Audio Layer 3) AAC (Advanced Audio Coding) Ogg Vorbis Windows Media Audio 9 (VBR) Verlustfrei (Lossless) MLP (Meridian Lossless Packing) FLAC (Free Lossless Audio Codec) Apple Lossless Audio Windows Media Audio 9 Lossless 28

29 Übertragung - MIDI MIDI (Musical Instrument Digital Interface) standardisiertes Protokoll zur Steuerung elektronischer Musikinstrumente und Musikeffektgeräte physikalische Schnittstelle Überbegriff für die Musik, die diesem Standard genügt 1984 entwickelt Standardisierung und Weiterentwicklung durch International Midi Organisation (IMA) MIDI Manufacturers Association(MMA) 29

30 Übertragung - MIDI Komponenten Sequenzer Komponieren/Wiedergabe von Musik mit Rechner MIDI Sequenzen werden in MIDI-Dateien gespeichert Synthesizer Synthetische Erzeugung und Manipulation von Klängen Sampler Wie Synthesizer, jedoch synthetisiert ein Sampler Töne aus einer Palette von Instrument-Samples 30

31 Übertragung - MIDI Datenformat instrumentenbezogene Kodierung Lautstärke Grundfrequenz Bezeichnung des Instruments MIDI-Nachrichten bestehen aus einem Statusbyte und bis zu 3 Datenbytes Statusbyte 1 B B B K K K K Datenbyte 0 _ Statusbyte kündigen eine Aktion an und gliedern sich in Kanal- und Systembefehle. Kanalbefehle (BBB) beziehen sich auf der insgesamt 16 Kanäle (KKKK), mit denen jeweils ein angeschlossenes Instrument assoziiert ist 31

32 Übertragung - MIDI Bewertung Vorteile MIDI-Dateien sind plattformübergreifend MIDI-Dateien sind sehr klein: 1 min Musik ca Kbyte MIDI Kodierung entspricht der Vorgehensweise beim klassischen Komponieren Nachteile Ohne wirklich gute Instrumente kein schöner Klang, da synthetische Klangerzeugung keine Sprache oder Geräusche MIDI-Dateien klingen auf unterschiedlichen Systemen, je nach eingesetzten Geräten unterschiedlich 32

33 Übertragung MIDI AusblicK General Midi Standard-Erweiterung ermöglicht geräteunabhängig möglichst originalgetreue Wiedergabe Midi über IEEE 1394 (FireWire) Verwendung aktueller Technologien und Protokolle 33

34 Literatur»Taschenbuch Multimedia«HENNING, PETER A., Fachbuchverlag Leipzig, 2. Auflage 2001, gebundene Ausgabe, 603 Seiten, ISBN , ca. 20»Multimedia Technologie«Grundlagen, Komponenten und Systeme Steinmetz, Henning, Springer Verlag Heidelberg, 3. überarbeitete Auflage 2000, gebundene Ausgabe, 968 Seiten, ISBN , ca. 55»The Art of DIGITAL AUDIO«Watkinson, John, Focal Press Oxford, Third Edition 2001, Hardcover, 752 Seiten, ISBN , ca

35 Links Super Audio CD (SA-CD) 35