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