Audiostandards

=Audio-Standards=

Analoge und digitale Audiosignale
Bei einer Audio-Aufnahme liegt am Mikrofon ein analoges Signal vor, welches in seinem Verlauf dem Schalldruck entspricht. Das Analogsignal wird anschließend sofort für die weitere Verarbeitung digitalisiert (z.B. Übertragung, Speicherung, ...). Einige berühmte Gitarristen verzichten bewusst auf die Digitalisierung des via Tonabnehmer abgenommenen Schwingungsverlaufs, indem sie z.B. ohne zwischengeschaltete digitale Effektgeräte direkt ihre analogen Gitarrenverstärker für die Klanggestaltung einsetzen. Wir beschäftigen uns hier auf dieser Seite aber ausschließlich mit digitalisiertem Audio. Nach der Analog-/Digitalwandlung liegt ein Digitalsignal vor (siehe auch http://pcbasics.wikispaces.com/AnalogDigital).

Die Digitalisierung des analogen Audiosignals
Der wert- und zeitkontinuierliche (analoge) Verlauf eines dem Schalldruck entsprechenden Signals wird via Analog-/Digitalwandlung in ein wert- und zeitdiskretes (digitales) Signal gewandelt. Es wird eine Abtastrate gewählt (z.B. 44,1kHz Audio-CD), welche es ermöglicht, die im Signal enthaltenen Frequenzen (z.B. 20Hz-20kHz) bei einer Digital-/Analogwandlung wieder zu rekonstruieren (Interpolieren). Der originale Signalverlauf muss wiederhergestellt werden können (siehe @http://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon-Abtasttheorem). Es wird für die auf die Abtastung folgende Quantisierung des Messwertes eine Auflösung gewählt (z.B. 16Bit Audio-CD), welche eine ausreichend hohe Dynamik sowie ein geringes Digitalisierungsrauschen ermöglicht. Für die Speicherung der unkomprimierten digitalen Audiodaten muss man nur die abgetasteteten und quantisierten Werte aus dem Schalldruckverlauf codieren und hintereinander in eine Datei schreiben.

Kompression digitaler Audiodaten (verlustfrei)
Für die verlustfreie Speicherung komprimierter Audiodaten können die zeit- und wertdiskreten Audiowerte entsprechend bekannter verlustfreier Verfahren reduziert werden (RLE, Huffman, u.a. Entropiekodierungen). Zu den verlustfreien Formaten gehören z.B. FLAC, Monkey's Audio. Die Einsparung an Speicherplatz liegt in der Regel bei maximal 50%. Aufgrund des ausreichend zur Verfügung stehenden Speicherplatzes hat dieses heute zur Folge, dass man heute die vorhandenen Audiodaten meistens gar nicht komprimiert, wenn man diese verlustfrei speichern möchte.

Gründe für eingeschränkten Bedarf verlustfreier Kompression bei Audiodaten

 * 1) vorhandene ausreichend große Speichereinheiten
 * 2) mögliche Inkompatibilitäten zwischen Programmen, d.h. Formatprobleme
 * 3) erhöhter Handlingsaufwand (Schulung, Installation, komprimieren, de-komprimieren, ...)
 * 4) eventuell unentdeckte Programmfehler in den Codecs könnten die Qualität der Audiodaten beeinträchtigen
 * 5) Bedingte Eignung für Archivierung, "unzureichende" Standardisierung der verlustfreien Kompressionsformate

Einsatz von verlustfreien Formaten in der Archivierung
Bei der Wandlung und Bearbeitung von verlustbehafteten Formaten entstehen jeweils weitere Verluste gegenüber der Originalaufnahme. Um auch in Zukunft unverfälschte Originalaufnahmen nutzen zu können, sollte man für die Archivierung von Audio eher verlustfreie Kompressionsformate wählen, falls man auf ca. 50% Speicherplatzersparnis Wert legt - oder eben unkomprimierte Audiodaten nutzen. Für die Archivierung gelten folgende Anforderungen: > (Apple-Lossless oder WMA-Lossless eignen sich daher eher weniger in der Archivierung.)
 * 1) Unterstützung von Meta-Tags erforderlich.
 * 2) Damit die Daten im Archiv auch in 50 Jahren noch lesbar sind, ist es sinnvoll, bevorzugt ein "Open Source"-Format einzusetzen, z.B. FLAC.

siehe auch:
 * @http://www.mpx.net/info/verlustfrei.html
 * @http://www.chip.de/downloads/FLAC_13643353.html
 * @http://www.chip.de/downloads/Monkey-s-Audio_16674113.html

Verlustbehaftete Speicherung von digitalen Audiodaten
Für die verlustbehaftete Speicherung verwendet man heute im Alltagsgebrauch auch den Begriff Kompression, obwohl das nicht ganz richtig ist - wie wir bereits wissen. Bei der verlustbehafteten Speicherung von Audiodaten gilt: "Was ich nicht wahrnehmen kann, das muss ich auch nicht speichern" (siehe auch Psychoakustik, Hörphysiologie, Hörpsychologie, ...). Die folgenden Gründe sind die Grundlage für das verlustbehaftete Filtern von Audiodaten: Darüberhinaus können weitere Daten gespart werden durch ...
 * 1) Frequenzen außerhalb des Hörbereichs - ca. 20Hz-20kHz - sind für uns Menschen nicht wahrnehmbar. Alte Menschen haben einen kleineren Hörbereich (obere Grenze unter 10kHz).
 * 2) Leise Schallereignisse unterhalb der Hörschwelle sind nicht wahrnehmbar.
 * 3) Leisere werden von lauteren Schallereignissenüberdeckt; Maskierungseffekt
 * z.B. verschwindet das Ticken des Weckers bei Klingeln des Telefons.
 * 1) Kurz vor und kurz nach lauten Schallereignissen werden leisere Schallereignisse schlechter bzw. gar nicht wahrgenommen, d.h. unser Gehirn verarbeitet vorrangig laute Ereignisse.
 * 1) ... die Zusammenführung mehrerer Kanäle zu einem, z.B. Stereo zu Mono
 * 2) ... die Verringerung der Auflösung/Dynamik, z.B. 16Bit->12Bit

Frequenzanalyse von Audiodaten mittels FFT
Um aus digital vorliegenden Audiodaten die enthaltenen Frequenzen ermitteln zu können, muss man diese Daten mit einem mathematischen Verfahren in die Frequenzdarstellung umwandeln (FFT). Anschließend kann dann z.B. das Frequenzspektrum angezeigt werden. > > ==== (Tipp: Denken Sie an die in den Audiodaten enthaltenen Frequenzen!) ====
 * Überlegen Sie:
 * ====Wie viele Abtastwerte werden benötigt für eine Frequenzanalyse?====
 * ====Begründen Sie den von Ihnen genannten Wert!====

Formate
Gespeichert werden Digitalsignale sowohl in unkomprimierter als auch in komprimierter Form. Hierfür stehen verschiedene Formate zur Verfügung.
 * Einfache (unkomprimierte) Dateiformate: PCM, WAV, AIFF, ...
 * Komprimierende Formate:
 * AAC (Advanced Audio Coding)
 * MP3 (MPEG1-Layer3)
 * WMA (Windows Media Audio)
 * Vorbis (Xiph.org, OGG-Containerformat)
 * DTS (Digital Theater Systems)
 * Dolby Digital (AC-3)
 * ATRAC / AA3 (Sony, Minidisc)
 * OPUS (z.B. bei WhatsApp im Einsatz)
 * @https://de.wikipedia.org/wiki/Opus_%28Audioformat%29
 * @https://www.opus-codec.org/
 * Grundlagen: MDCT (Modified Discrete Cosine Transformation)
 * Grundlagen: MDCT (Modified Discrete Cosine Transformation)

siehe auch:
 * @https://amanu.de/Popup.aspx?ID=AUDIOFORMAT

Spezielle Codecs und Konverter ...
to do
 * MPC (Musepack)

Audio-Qualität
Je weniger stark die Audio-Datenreduktion ausfällt, desto höher ist die resultierende Qualität des digitalisierten Audiosignals. Ein bei einer Samplefrequenz von 96kHz mit 48Bit aufgelöstes Audiosignal dürfte gegenwärtig die höchsten Ansprüche jedes Soundliebhabers erfüllen. Eine solche Digitalisierung beeinflusst in kinster Weise den Klang. Der Hörer kann das digitalisierte Signal nicht mehr vom Original unterscheiden. Solch eine Audio-Qualität bezeichnet man auch als Transparenz. ...

Test

 * Test A
 * Test B

Infos
Datenreduktionsverfahren: Sonstiges zu verschiedenen Audioformaten:
 * MP3 - @http://de.wikipedia.org/wiki/MP3
 * AAC - @http://de.wikipedia.org/wiki/Advanced_Audio_Coding
 * MDCT - @http://de.wikipedia.org/wiki/Modifizierte_diskrete_Kosinustransformation
 * ATRAC - @http://de.wikipedia.org/wiki/Adaptive_Transform_Acoustic_Coding
 * HE-AAC - @https://de.wikipedia.org/wiki/MPEG-4_High_Efficiency_Advanced_Audio_Coding
 * @https://de.wikipedia.org/wiki/Audiodatenkompression
 * @http://www.audio.de/ratgeber/digitale-audioformate-dsd-vs-pcm-1532849.html
 * @http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0312281.htm
 * @http://www.audiotechnologie.eu/digitaler-rundfunk.html
 * @http://de.wikipedia.org/wiki/Compact_Disc
 * @http://de.wikipedia.org/wiki/MiniDisc
 * @http://www.dolby.com/us/en/technologies/dolby-digital.html
 * @http://www.pcgameshardware.de/Windows-10-Software-259581/News/Dolby-Audio-Dolby-Digital-Plus-im-Lieferumfang-1160076/
 * @https://lehrerfortbildung-bw.de/werkstatt/sound/formate/
 * @http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Audiokompression-audio-compression.html
 * @http://nibis.ni.schule.de/~lepke/audio/audio-grund.html
 * @http://koepenick.net/mp3.htm