Digitales Audio

Abtastung und 4-Bit-Quantisierung eines analogen Signals (rot) unter Verwendung von Pulse Code Modulation.

Digitales Audio ist eine Technologie, die digitale Signale für die Tonwiedergabe verwendet. Sie umfasst die Analog-Digital-Wandlung, die Digital-Analog-Wandlung, die Speicherung und die Übertragung.

Digitales Audio hat sich aufgrund seiner Nützlichkeit bei der Aufnahme, Manipulation, Massenproduktion und Verteilung von Ton entwickelt. Der moderne Vertrieb von Musik über das Internet durch Online-Shops hängt von digitalen Aufnahmen und digitalen Kompressionsalgorithmen ab. Der Vertrieb von Audio in Form von Datendateien anstelle von physischen Objekten hat die Vertriebskosten erheblich gesenkt.

Überblick über digitales Audio

Von analog zu digital

Von der Wachsrolle bis zur Kompaktkassette beruhen die Speicherung und Wiedergabe von analoger Audiomusik auf denselben Prinzipien, auf denen das menschliche Gehör beruht. In einem analogen Audiosystem beginnt der Klang als physikalische Wellenform in der Luft, wird über einen Wandler (z. B. ein Mikrofon) in eine elektrische Darstellung der Wellenform umgewandelt und gespeichert oder übertragen. Um wieder in Klang umgewandelt zu werden, wird der Prozess durch Verstärkung und anschließende Rückwandlung in physikalische Wellenformen über einen Lautsprecher umgekehrt. Obwohl sich die Art des Signals ändern kann, bleiben seine grundlegenden, wellenartigen Eigenschaften während der Speicherung, Umwandlung, Vervielfältigung und Verstärkung unverändert. Alle analogen Audiosignale sind aufgrund des Rauschens in elektronischen Schaltkreisen anfällig für Rauschen und Verzerrungen.

Digitales Audio ist die Technologie der Darstellung von Audio in digitaler Form. Die digitale Audiokette beginnt, wenn ein analoges Audiosignal in elektrische Signale – „Ein/Aus“-Pulse – statt in elektromechanische Signale umgewandelt wird. Dieses Signal wird dann weiter kodiert, um Fehler zu vermeiden, die bei der Speicherung oder Übertragung des Signals auftreten können. Diese „Kanalcodierung“ ist entscheidend für die Fähigkeit des digitalen Systems, das analoge Signal bei der Wiedergabe wiederherzustellen. Ein Beispiel für einen Kanalcode ist die Acht- bis Vierzehn-Bit-Modulation, wie sie in der Audio-Compact-Disc verwendet wird.

Ein analoges Signal wird mit einer bestimmten Abtastrate und Bitauflösung in ein digitales Signal umgewandelt; es kann mehrere Kanäle enthalten (2 Kanäle für Stereo oder mehr für Surround Sound). Im Allgemeinen gilt: Je höher die Abtastrate und die Bitauflösung, desto größer ist die Klangtreue und desto größer ist die Menge der digitalen Daten.

Klangqualität

Obgleich das Ziel sowohl analoger als auch digitaler Systeme die perfekte Wiedergabe von Audiosignalen ist, gibt es mehrere Hindernisse, die diesem Ziel entgegenstehen. Dazu gehören:

• Analoges Grundrauschen in den Erfassungsschaltungen und inhärente Kapazitäten und Induktivitäten, die die Bandbreite des Systems begrenzen, sowie Widerstände, die die Amplitude begrenzen.
• Digitales Quantisierungsrauschen in den Erfassungsschaltungen und die Abtastrate begrenzen die Bandbreite und die Bitauflösung begrenzt den Dynamikbereich (Auflösung der Amplitudenbildung).

Um eine bessere Klangtreue zu erreichen, sind hochwertigere Komponenten erforderlich, was die Gesamtkosten erhöht.

Umwandlungsprozess

Ein digitales Audiosignal beginnt mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC), der ein analoges Signal in ein digitales Signal umwandelt. Der ADC arbeitet mit einer Abtastrate und wandelt mit einer bekannten Bitauflösung um. CD-Audio hat zum Beispiel eine Abtastrate von 44,1 kHz (44.100 Samples pro Sekunde) und eine Auflösung von 16 Bit für jeden Kanal (Stereo). Wenn das analoge Signal nicht bereits bandbegrenzt ist, ist vor der Umwandlung ein Anti-Aliasing-Filter erforderlich, um Aliasing im digitalen Signal zu verhindern. (Aliasing tritt auf, wenn Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz nicht bandbegrenzt wurden und stattdessen als hörbare Artefakte in den unteren Frequenzen erscheinen).

Ein Überblick über den digitalen <-> analogen Konvertierungsprozess.

Einige Audiosignale, wie z. B. solche, die durch digitale Synthese erzeugt werden, stammen vollständig aus dem digitalen Bereich; in diesem Fall findet keine Analog-Digital-Konvertierung statt.

Nach der Abtastung mit dem ADC kann das digitale Signal dann in einem Prozess verändert werden, der als digitale Signalverarbeitung bezeichnet wird, wobei es gefiltert oder mit Effekten versehen werden kann.

Das digitale Audiosignal kann dann gespeichert oder übertragen werden.Die Speicherung digitaler Audiodaten kann auf einer CD, einem MP3-Player, einer Festplatte, einem USB-Flash-Laufwerk, einer CompactFlash-Karte oder einem anderen digitalen Datenspeicher erfolgen.
Audiokomprimierungstechniken wie MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis oder Flac werden häufig eingesetzt, um die Dateigröße zu verringern.Digitale Audiodaten können an andere Geräte gestreamt werden.

Der letzte Schritt bei digitalen Audiodaten ist die Rückwandlung in ein analoges Signal mit einem Digital-Analog-Wandler (DAC).

Wie ADCs arbeiten DACs mit einer bestimmten Abtastrate und Bitauflösung, aber durch die Prozesse des Oversamplings, Upsamplings und Downsamplings kann diese Abtastrate nicht mit der ursprünglichen Abtastrate übereinstimmen.

Geschichte der digitalen Audioverwendung bei kommerziellen Aufnahmen

Die kommerzielle digitale Aufnahme von klassischer und Jazz-Musik begann in den frühen 1970er Jahren, wobei japanische Unternehmen wie Denon, die BBC und das britische Plattenlabel Decca (das Mitte der 70er Jahre eigene digitale Audiorecorder für das Mastering seiner Alben entwickelte) Pionierarbeit leisteten, obwohl es bereits seit den 1960er Jahren experimentelle Aufnahmen gab.

Die erste 16-Bit-PCM-Aufnahme in den Vereinigten Staaten wurde 1976 von Thomas Stockham an der Santa Fe Opera mit einem Soundstream-Recorder gemacht. In den meisten Fällen gab es keine Mischstufe; es wurde eine digitale Stereoaufnahme gemacht, die unverändert als Masterband für die spätere kommerzielle Veröffentlichung verwendet wurde. Diese ungemischten digitalen Aufnahmen werden immer noch als DDD bezeichnet, da es sich um eine rein digitale Technologie handelt. (Ungemischte analoge Aufnahmen werden in der Regel ebenfalls als ADD bezeichnet, um eine einzige Generation analoger Aufnahmen zu kennzeichnen.)

Obwohl die allererste digitale Aufnahme eines nicht-klassischen Musikstücks, Morrissey-Mullens Cover des Rose Royce-Hits „Love Don’t Live Here Anymore“ (1979 als Vinyl-EP veröffentlicht), 1978 in den Abbey Road-Aufnahmestudios der EMI aufgenommen wurde, war das erste vollständig digital aufgenommene (DDD) Popmusik-Album Ry Cooders „Bop Till You Drop“, das Ende 1978 aufgenommen wurde. Es wurde nicht abgemischt, sondern direkt im Studio auf einem zweispurigen 3M-Digitalrekorder aufgenommen. Viele andere Spitzenkünstler waren frühe Anhänger der digitalen Aufnahmetechnik. Andere, wie z. B. der ehemalige Beatles-Produzent George Martin, waren der Meinung, dass die digitale Mehrspur-Aufnahmetechnik der frühen 1980er Jahre noch nicht den Entwicklungsstand der analogen Systeme erreicht hatte. Martin setzte jedoch die digitale Abmischung ein, um die Verzerrungen und das Rauschen zu reduzieren, die ein analoges Masterband mit sich bringen würde (daher ADD). Ein frühes Beispiel für eine analoge Aufnahme, die digital abgemischt wurde, ist Fleetwood Macs 1979 veröffentlichtes Album Tusk.

Subjektive Bewertung

Die Bewertung der Wiedergabetreue ist ein altes Problem bei Audiosystemen im Allgemeinen. Obwohl Audiosignale mit speziellen Instrumenten nach genaueren Standards gemessen und analysiert werden können, als dies mit dem Gehör möglich ist, geben solche Messungen nicht immer Aufschluss darüber, ob bestimmte Klänge von einem bestimmten Hörer als „gut“ oder „schlecht“ bewertet werden. Zu den Parametern, die sich auf die Audioqualität auswirken, gehören das Hörvermögen, persönliche Vorlieben, der Standort der Lautsprecher und die physikalischen Eigenschaften des Raums. Natürlich ist die subjektive Bewertung nicht nur bei digitalem Audio möglich. Allerdings kommen bei der digitalen Audiotechnik weitere Faktoren hinzu, wie verlustbehaftete Kompressionsalgorithmen und psychoakustische Modelle.

Digitale Audiotechnologien

• Digital Audio Broadcasting (DAB)
• Digital Audio Workstation
• Digital Audio Player

Speichertechnologien:

• Digital Audio Tape (DAT)
• Compact Disc (CD)
• DVD DVD-A
• MiniDisc
• Super Audio CD
• verschiedene Audiodateiformate

Digitale Audioschnittstellen

Audiospezifische Schnittstellen umfassen:

• AC97 (Audio Codec 1997) Schnittstelle zwischen integrierten Schaltkreisen auf PC-Motherboards
• Intel High Definition Audio Ein moderner Ersatz für AC97
• ADAT-Schnittstelle
• AES/EBU-Schnittstelle mit XLR-Anschlüssen
• AES47, Professionelles AES3-Digital-Audio über Asynchronous Transfer Mode-Netzwerke
• I²S (Inter-IC-Sound)-Schnittstelle zwischen integrierten Schaltkreisen in der Unterhaltungselektronik
• MADI Multichannel Audio Digital Interface
• MIDI-Verbindung mit geringer Bandbreite zur Übertragung von Instrumentendaten; kann keinen Ton übertragen
• S/PDIF, entweder über Koaxialkabel oder TOSLINK
• TDIF, Tascam-eigenes Format mit D-Sub-Kabel
• Bluetooth über A2DP

Natürlich kann jeder digitale Bus (wie USB, FireWire und PCI) digitales Audio übertragen.

Siehe auch

• Compact Disc
• DVD
• Musik
• Sound

• Borwick, John. 1996. Sound Recording Practice, 4. Auflage. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0198166087.
• Ifeachor, Emmanuel C., und Barrie W. Jervis. 2002. Digital Signal Processing: A Practical Approach, 2. Auflage. Harlow, UK: Prentice Hall. ISBN 0201596199.
• Rabiner, Lawrence R., und Bernard Gold. 1975. Theorie und Anwendung der digitalen Signalverarbeitung. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0139141014.
• Stanley, William D., Gary R. Dougherty, und Ray Dougherty. 1984. Digital Signal Processing. Reston, VA: Reston Pub. Co. ISBN 083591321X.
• Watkinson, John. 2005. The Art of Digital Audio, 3. Auflage. Oxford: Focal Press. ISBN 0240515870.

Alle Links abgerufen am 23. Oktober 2017.

• Digital Audio. (Tutorial.)
• Einführung in die Computermusik: Band 1, Kapitel 5: Digital Audio.

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