Analoge und Digitale PC Sounds

Wie kommen analoge Klänge eigentlich in den PC? Und wo ist der Unterschied zwischen analogen und den digitalisierten Klängen? Musik, Geräusche oder die menschliche Stimme werden allgemein als Schall bezeichnet. Schall wird durch Schwingungen eines Körpers erzeugt, die als Welle über ein Medium wie Luft weitergegeben werden.So funktioniert zum Beispiel die Klangerzeugung bei einer Hifi-Anlage mit Plattenspieler wie folgt: Auf der Platte ist der Schall in Form von wellenförmigen Vertiefungen in einer Rille gespeichert. Das Tonabnehmersystem tastet die Plattenrille in definierter Geschwindigkeit ab und wandelt die unterschiedlichen Vertiefungen in eine entsprechend variable elektrische Spannung. Diese wiederum verstärkt die Hifi-Anlage und gibt sie an die Boxen weiter.

Die Boxen machen aus der variablen Spannung wieder hörbare Musik, indem sie die Luft in Schwingungen versetzen. Über die Luft gelangen die Schwingungen an das Trommelfell in Ihren Ohren. Es wirkt wie ein umgekehrter Lautsprecher, der die Schwingungen wieder in elektrische Signale für das Gehirn umsetzt – Sie hören. Die Schallplatte ist ein typischer Speicher für Audiodaten, die Audio-CD ein anderer. Beide Medien speichern den Schall, allerdings auf unterschiedliche Weise: Auf der Schallplatte liegt der Klang als Welle analog, auf der CD als Folge von Zahlen digital vor. Die Zahlen stehen für “Messpunkte” einer analogen Schallwelle.

Aus analog mach digital

Während des Digitalisierens misst ein A/D-Wandler (Analog/Digital) die Spannung in sehr kurzen Zeitabständen. Der Wandler sitzt im PC auf der Soundkarte. Die dabei erfassten Werte sind die digitalen Informationen, die dann in einer Datei gespeichert werden können. Werden diese auf einer Zeitachse aufgetragen, wird eine Kurve sichtbar, die ein Abbild des aufgenommen analogen Klanges ist. Die Abbildung rechts zeigt dies am Beispiel einer einfachen Sinuskurve.

Anhand der Grafik sind die beiden wichtigsten Werte für die Qualität des Digitalklangs erkennbar: Die Achse mit der Beschriftung “Spannung” stellt die Auflösung oder Sampling-Tiefe dar. Die Achse mit der Beschriftung “Zeit” stellt die Frequenz oder Sampling-Rate dar. Um aus dem sogenannten Sampling wieder hörbare Klänge und Geräusche zu machen, besitzt eine Soundkarte ausserdem noch den sogenannten D/A-Wandler (Digital/Analog-Wandler), der umgekehrt arbeitet. Er verwandelt die digitalen in analoge Signale, die dann durch den Verstärker über die Lautsprecher wieder zu Schall werden.

Sampling-Rate und Sampling–Auflösung

Die Sampling-Rate legt fest, wie viele Messungen während des Digitalisierens in einem festgelegten Zeitraum ausgeführt werden. Je mehr Messungen, desto genauer die Nachbildung der analogen Klangkurve. Die Sampling-Rate heisst auch horizontale Auflösung und hat die Masseinheit Hz (Hertz).
Die gebräuchlichsten Sampling-Raten beim Computer zeigt die folgende Übersicht:

- 11.025 Hz: Hierbei wird der Klang nur in Telefonqualität digitalisiert.

- 22.050 Hz: Hierbei wird der Klang mit Mittelwellen-Radioqualität aufgenommen.

- 44.100 Hz: Diese Sampling-Rate produziert CD-Qualität.

Die unterschiedlichen Klangqualitäten hängen mit der Sampling-Rate nach einem einfachen Grundsatz zusammen: Die Frequenz des höchsten digitalisierbaren Tones entspricht der halben Sampling-Rate (Halbfrequenzregel). CDs werden mit einer Sampling-Rate 44.100 Hz oder 44,1 KHz (Kilohertz) digitalisiert. Dies bedeutet, dass die Schallwelle in jeder Sekunde 44.100 mal gemessen und ein Digitalisierungspunkt ermittelt wird. Entsprechend der “Halbfrequenzregel” kann die CD Töne bis maximal 22 KHz digitalisieren. Da das Hörvermögen des Menschen schon bei Frequenzen von 20 KHz endet, liefert das CD-Format also einen ausreichend guten Digitalklang, der auch Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörvermögens speichert.

Die Sampling-Tiefe

Die Sampling-Tiefe ist die vertikale Auflösung der gesampelten Kurve. Sie beschreibt die Genauigkeit des digitalen Samples bei der Erfassung der Spannung des analogen Klanges. Da das menschliche Ohr keine feineren Auflösungen als 16 Bit – das entspricht 65536 einzelnen Spannungsschritten – wahrnehmen kann, ist 16 Bit die Standardauflösung eines Samples auf der CD. Natürlich hören wir nicht in Bits. Rechnet man aber die Fähigkeiten des Ohrs in Bit um, ist bei den genannten 16 Bit das Auflösungsvermögen erschöpft. Für Tonstudios hat sich ein Standard von 48 KHz Sampling-Rate und 21 oder 24 Bit Auflösung etabliert, der noch
Reserven für eine digitale Nachbearbeitung in guter Qualität bietet. Der Platzbedarf von unkomprimiertem CD-Sound ist enorm. Pro Digitalisierungspunkt sind es zwei Byte (16 Bit). Eine Sekunde Monoschall erfordert somit 88.200 Bytes (44.100 mal 2). Bei einer Stereo-Aufnahme verdoppelt sich die
anfallende Datenmenge, da der linke und der rechte Tonkanal getrennt aufgezeichnet werden. Für 1 Minute Musik ergibt sich daraus ein Speicherplatzbedarf von rund 10 MB nach der folgende Berechnung: 44.100 (Hz) x 2 (Byte) x 2 (Kanäle) = 176.400 Bytes pro Sekunde x 60 Sekunden