Medien- Technik. Digital Audio

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1 Digital Audio Medientyp digital audio representation Abtastfrequenz /sampling frequency Quantisierung (Bittiefe) Anzahl der Kanäle/Spuren Interleaving bei Mehrkanal Positiv/negativ Codierung operations Speicherung Zugriff auf Sequenzen Editieren Klangeffekte Konvertierung

2 Sampling Signal in Intervallen abtasten und digitalisieren Shah-Funktion F(t) S(t) G(t)=F(t)*S(t) Hohe Abtastfrequenz Niedrige Abtastfrequenz

3 PCM Puls Code Modulation PAM-Signal Puls-Amplitude-Modulation Signal 3-Bit-PCM-Signal Speicherung als Folge diskreter Werte.

4 Sampling 44 Hz-Ton fade in

5 Sampling Spektrum berechnet mit Fast Fourier Transform FFT 44Hz

6 Shannon-Nyquist Abtast-Theorem Abtast-Theorem: Ist f max die höchste und f min die niedrigste vorkommende Frequenz, so heißt f band =f max -f min die Bandbreite des Signals. Es kann exakt rekonsturiert werden, wenn es mit mindestens der doppelten Frequenz der Bandbreit abgetastet wird. (Shannon, Nyquist) Überabtastung Höhere Abtastraten als sie nach Nyquist- Shannon notwendig sind, bringen mehr Daten, aber nicht mehr Information/ Qualität. Unterabtastung Niedrigere Abtastraten bringen falsche Informationen- Anmerkung:... wenn keine Quantisierungsfehler vorhanden sind!

7 Shannon-Nyquist Abtast-Theorem Unterabtastung Niedrigere Abtastraten bringen falsche Informationen- Das erste Klangbeispiel lässt einen Ton erklingen, dessen Frequenz von ca. 1Hz bis über 8Hz linear zunimmt (die Original-Abtastfrequenz von 16kHz wurde bei der Transformation in das Ogg- Vorbis Format auf 4kHz heraufgesetzt).

8 Shannon-Nyquist Abtast-Theorem Unterabtastung Niedrigere Abtastraten bringen falsche Informationen- Das zweite Beispiel gibt fast das gleiche Signal wieder, diesesmal mit 8Hz abgetastet. Durch Unterabtastung werden Töne oberhalb von 4Hz falsch ausgelesen mit dem Ergebnis, dass eine Tonhöhe aufgezeichnet wird, die abfällt, statt zu steigen.

9 Analog-Digital-Analog-Verarbeitungskette Taktgeber Tiefpass- Filter ADC Digitale Verarbeitung DAC Tiefpass Filter Analoges Eingangs- Signal Frequenzbegrenztes Analogsignal Digitale Samples Digitale Samples Treppchensignal Analoger Ausgang

10 44,1 khz Samplingfrequenz, 16 Bit Tiefe, Stereo The Beatles George Harrison Paul McCartney John Lennon Ringo Starr

11 44,1 khz Samplingfrequenz, 16 Bit Tiefe, Stereo (.wav) 441 pro s 16 Bit = Byte Dauer s Stereo Kanäle CD-Qualität Ca. 175 kb/s Dateigröße: 44.1 * * * = Byte

12 11,5 khz Samplingfrequenz, 16 Bit Tiefe, Stereo (.wav) 44 kb/s 115 pro s 16 Bit = Bytes Grenzfrequenz nahe 5,5 khz Dauer s Stereo Kanäle Dateigröße: 11.5 * * * = 88. Byte

13 ,5 khz Samplingfrequenz, 8 Bit Tiefe, Stereo (.wav) 44 kb/s 5 pro s 8 Bit = 1 Byte Dauer s Stereo Kanäle Dateigröße:.5 * 1 * * = 88. Byte

14 Quantisierungsfehler Genauigkeit der Messwerte hängt von der Samplingtiefe ab

15 Sampling Samplingtiefen und Bitraten Abtastrate legt definitiv höchste übertragbare Frequenz fest Sprache: Frequenzen < 4kHz UKW-Rundfunk bis 15 khz CD-Qualität bis ca. khz Je höher die Samplingtiefe, um so exakter wird das Signal abgetastet. Beispiel: Audio-CD Kanäle Samplingtiefe 16 Bit 441 Samples/s * Byte*441/s = 1764 Byte/s Beispiel: ISDN-Telefonie 64 kbit/sec DAT /DV 48 khz, 16 Bit, Kanäle

16 Störleistung auf Grund diskreter Quantisierung U SS 3 1 Quantisierungsfehler U ± Q SS Q = n 1 gleichverteilt Elektrische Leistung: N = U * I U = U * R U = R Aus dem Quantisierungsfehler resultierende Störleistung: t N U () t = t ( U() t ) t t Q t dt Q N Q 1 N = = = = t ( U() t ) t Qt dt 4t Q 4t 3 Q t 4t 3 3 t t t tdt 3 dt

17 Störabstand = Signalleistung / Störleistung U SS 3 1 U ss = 1 n N = S = Q U SS Störleistung Nutzleistung Signal-Leistung bei gleichverteilten Werten..U SS S = 1 1 U SS S Nutzleistung:Störleistung N U = 1 SS 1 * Q = ( n 1) Störabstand db: 1lg S = 1lg 1 nlg 6 n db N (( ) ) n +1 Bit Sample-Tiefe + 6 db Störabstand 16 Bit etwa 1 db

18 Sampling: Leise Stellen 1 Rauschen und Knistern bei geringer Samplingtiefe Nichtlineares Abtasten A-law μ-law -Abtastung

19 Codecs: Coder/Decoder

20 Vorlesung Medientechnik SS 6 Dr. Manfred Jackel Studiengang Computervisualistik Universität Koblenz-Landau Capuns Koblenz Postfach Koblenz Manfred Jackel WWW: mtech.uni-koblenz.de Literatur zu diesem Kapitel Hyperlinks zu diesem Kapitel Das Abtast-Theorem (Oliver Deussen) Grafik-Quellen atleshomepage.html

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