Audiowandlung und Formate

D. Rival

Übersicht

• 1. Unterschied der Signale

• 2. Audio vs. Midi

• 3. Töne und Wellenformen

• 4. A/D-, D/A-Konverter

• 5. Daten- und Audiokompression

1.1 Unterschied der Signale

• Analog

Zeit und Wertbereich kontinuierlich

(beinhaltet unendlich viele Informationen)

• Digital

Zeitdiskret und Wertdiskret

(endlicher Zeichenvorrat durch Kodierung)

1.2 Analoge Wärme?

• Analog

Übersteuerungen möglich und oft gewollt

Spaltung und Verdopplung der Obertöne

• Digital

Maximal = 0 dB sonst sog. „Clipping“.

Äußerst selten gewollt!

2 Audio vs. Midi

• 2.1 Was ist Midi und warum?

• 2.2 Was ist der Unterschied?

• 2.3 Romplaystandards GM, GS und XG?

2.1 Was ist Midi und warum?

• Musical Instrument Digital Interface

Datenübertragungs-Protokoll

• *.mid, nur Steuerdaten – wenig Speicher

• Midi für Klingeltöne von Mobiltelefonen

und (schon etwas her: ) Sound von

Computerspielen.

2.2 Was ist der Unterschied?

• Während Audio-Daten (z.B. auf einer CD oder in Samples) einen konkreten Klang digital erfassen, speichern und wiedergeben, beinhalten die MIDI-Daten lediglich bestimmte Steuerbefehle, die einen Klangerzeuger veranlassen, vorhandene Klänge wiederzugeben

2.3 GM,GS und XG

• Standards in Klangfarben, Controller, Polyphonie, Effekten (auch Filter u. Dyn.)

• GS Roland(- Soundcanvas)

• XG Yamaha

• Parameter wie Panorama, Velocity sowie systemexklusive Informationen

3 Töne und Wellenformen

• 3.1 Tonhöhe – Frequenz

• 3.2 Lautstärke - Amplitude

• 3.3 Art der Darstellung

3.1 Tonhöhe

• Je schneller eine Schwingung ist, desto höher ist der Ton.

• Die Frequenz der Schwingungen in Hz gemessen – Schwingungen/sec.

3.2 Lautstärke - Amplitude

• Je stärker die Schwingung ist, desto lauter

ist der Ton.

• Die Lautstärke, genauer: relativer Wert von Eingangs und Ausgangspegel = dB.

3.3 Art der Darstellung

• In der Mitte ist der leiseste Ausschlag und nach außen werden die jeweiligen Pegel angezeigt.

• Von links nach rechts ist die Zeit (kl. Einheit: Sample).

(Bsp. Wavelab)

4 A/D D/A Konverter

• 4.1 Wie funktioniert‘ s?

• 4.2 Abtastrate und das Abtasttheorem

• 4.3 Aliasing Fehler

• 4.4 Auflösungen

• 4.5 Bitrate und Speicherbedarf

• 4.6 Unkomprimierte Formate

4.1 Wie funktioniert‘s ?

• Der Analog-Digital Konverter tastet die Schallwelle in festen Abständen ab und gibt sie als Daten weiter.

4.1 Wie funktioniert‘s ?

• PAM= PulsAmplitudenModu-liertes-Signal

• Das Analoge Signal wird quantisiert und

und gespeichert.

(Bitdepth, CD 16 Bit)• PCM

4.2 Abtastrate

• Einheit: Hz. - tastet in diesen festen Abständen die Schallwelle ab

• Abtasttheorem (sehr kurz):Ein Signal, mit einer Minimalfrequenz von 0 Hz und einer Maximalfrequenz freq max. muss mit einer Frequenz größer als 2 * freq max. abgetastet werden

4.2 Abtastrate

• Menschliches Gehör: 20 Hz bis max. 20000Hz

• 20 kHz*2 = 40 Khz

• Bsp.: CD-Standard 44.1 kHz

4.3 Aliasing Fehler

• Aliasing-Fehler entstehen, wenn die Abtastrate zu niedrig für die hohen Frequenzen ist. Es bilden sich neue Frequenzen, die vorher nicht im Ton enthalten waren.

4.4 Auflösungen

• Auflösung: 8, 16, 24 und 32 Bit. Der Platz der jeder kleinsten digitalisierten Information = Sample zu Verfügung steht. Je höher desto genauer. Cd Standard: 16 Bit.

4.4 Auflösungen

• PAM Signal wird in den Quantisierungsbereich eingefügt.

4.4 Auflösungen

• Jeder einzelne digitalisierte Ausschnitt aus einer Schallwelle (Sample) braucht Speicherplatz im Computer. Je mehr Speicher pro Information reserviert wird, desto feinere Unterschiede können gespeichert werden.

• Bsp: 16 Bit: ein Sample kann also Werte zwischen -32.767 und +32.767 haben.

4.5 Bitrate und Speicherbedarf

• Bits die pro Sekunde zu übertragen sind• AbtastR: 44.1 kHz, Codeword-L: 16 Bit, Anzahl

der Kanäle 2(Stereo). • Bitrate = 2*16Bit*44100Hz=1411kBit/sec=176,4

kB/s• 1 Minute sind ca. 10 Mb

44.000 Samples pro Sekunde * 60 Sekunden * 2 Byte pro Sample *2 (stereo) = 10.560.000 Byte = 10,1 Megabyte (bei 1 Kilobyte = 1024 Byte]

4.6 Unkomprimierte Formate

• *.wav• *.aiff

5 Daten und Audiokompression

• 5.1 MP3 (MPEG Audiolayer 3)

• 5.2 MP3 Datenkompression

• 5.3 Audiokompression

• 5.4 Bitrate

• 5.5 Codecs

5.1 MPEG Audiolayer 3

• Vom Deutschen Frauenhofer Institut

• ab 1982 von einer Gruppe um Karlheinz Brandenburg

• Ab 1995 mp3 als Extension festgelegt.

• Die ID3-Tags werden einfach an den Anfang oder das Ende der MP3-Datei gehängt (Metadaten).

5.2 MP3 Kompression

• Nur die hörbaren Frequenzen werden gespeichert (Grenzfrequenz)

• Nicht hörbare Freq. In der Nähe von großen Oberton-Spektren.

• Stereodateien lassen sich relativ besser komprimieren: 1 Kanal=Schnittmenge beider Kanäle und auf dem anderen die Differenz.

(verlustfrei)• Die restliche Datenmenge wird verlustfrei

komprimiert (Bsp.: ZIP)

5.3 Audiokompression

• Dynamische Kompression (Amplitude)

• Erhöhung der gesamten Lautstärke

5.3 Audiokompression

• Multiband

Kompressor

5.4 Codecs

• Coder / Decoder

• Decoder standardisiert

• Encoder von unterschiedlichen Herstellern

z.B. Lame oder Frauenhofer Encoder

Quellenangaben• Andreas Kellermeyer und Andreas Wimmer• atknoll1.informatik.tu-muenchen.de:8080/tum6/lectures/seminars/ss03/audio/v1

digitalaudio-2.pdf

• http://de.wikipedia.org/wiki/Musical_Instrument_Digital_Interface

• de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon-Abtasttheorem

• de.wikipedia.org/wiki/Alexander_Graham_Bell

• Kommunikationsplattform für niedersächsische Schulen NIBIS• http://nibis.ni.schule.de/~lepke/audio/audio-grund.html• (http://nibis.ni.schule.de/~lepke/audio/audacity/audacity.html)

• audacity.sourceforge.net/download/

• www.steinberg.de