Unterschiedliche Auflösungen

Beim Sampling kommt bereits die Bedeutung der Auflösung bei digitalen Audiosignalen zum Tragen. Auflösung hat bei Audiosignalen zwei Dimensionen: Eine zeitliche und eine auf die Präzision der Wiedergabe bezogene.

Die zeitliche Dimension ist einfach beschrieben mit der Geschwindigkeit der Abtastung, bzw. der damit verbundenen Anzahl an Samples pro Sekunde. Das analoge Signal muss aufgrund des Nyquist-Shannon-Theorems mindestens 40'000 mal pro Sekunde abgetastet werden, um Klang bis zur oberen Grenze des menschlichen Hörvermögens (20'000 Hz) originalgetreu in seine digitale Repräsentation überführen zu können. Tatsächliches Studioequipment zeichnet Schallwellen jedoch in einer wesentlich höheren Frequenz, zwischen 88'200 und 352'800 Hz, auf.

Die Dimension der Präzision hängt mit der Quantisierung zusammen. Man nennt diese Dimension auch Dynamikumfang. Wie bereits erwähnt, kann das analoge Signal aufgrund seiner Stufenlosigkeit nicht ohne weiteres digital gespeichert werden – digital gespeichert werden kann nämlich nur, was in zuvor fest definierten Stufen vorliegt. Analoge Werte dagegen entsprechen einer reellen Zahl unendlicher Präzision zwischen einschliesslich 0 und ausschliesslich 1. Der Prozess der Überführung von der analogen Stufenlosigkeit in die Regeln des digitalen Raums wird Quantisierung genannt.

Bei der Quantisierung werden die analogen Werte mit einem festen Wert multipliziert und anschliessend auf die nächste Ganzzahl gerundet. Durch den Multiplikator wird die Präzision festgelegt, wobei eine höhere Präzision jeweils besserer Wiedergabequalität entspricht. Die Präzision bei Audiosignalen wird typischerweise auf 16 Bit (Multiplikator 65'536), 24 Bit (Multiplikator 16'777'216) oder 32 Bit festgelegt (Multiplikator 4'294'967'296). Wie Sie sich die Dimension der Präzision in der Praxis vorstellen können, zeigt die Abbildung, indem sie dasselbe Signal, einmal mit hoher Präzision abgetastet (oben) und einmal mit niedriger Präzision (unten) abgetastet gegenüberstellt. Der Unterschied in der Präzision zwischen den zwei Kurven beträgt in etwa 3 Bit.

Der Unterschied bei der Quantisierung von analogen Audiosignale mit hoher und niedriger Bit-Tiefe. Unten sind es lediglich 3-Bit.

An dieser Stelle möchten wir Ihnen aufzeigen, wo bewährte Arten der Wiedergabe und hochauflösende Audioformate in Bezug auf die drei vorgestellten Dimensionen einzuordnen sind:

• Die herkömmliche Audio-CD ermöglicht 44'100 Samples pro Sekunde, eine Präzision von 16 Bit und zwei Kanäle.

• MP3 ermöglicht bis zu 48'000 Samples pro Sekunde, eine Präzision von 16 Bit und einen oder zwei Kanäle.

• FLAC ermöglicht bis zu 352'800 Samples pro Sekunde, eine Präzision von 24 Bit und zwei Kanäle. Bei 96'000 Samples pro Sekunde sind auch 5.1 Kanäle möglich.

• DSD auf der SA-CD oder DXD-Dateien basiert auf 2'822'400 Samples pro Sekunde und einer Präzision von 1 Bit. Die Technik unterscheidet sich grundsätzlich von der PCM und wird im Folgenden erklärt.

Aufgrund des Nyquist-Shannon-Theorems ging man zum Zeitpunkt der Entwicklung von Audio-CD und MP3 davon aus, dass die gebotene Auflösung von 44'100 Samples pro Sekunde mehr als ausreichend ist. Jedoch müssen bei der Konvertierung in 44'100 Samples/s hochfrequente Anteile des ursprünglichen Audiosignals mittels eines Tiefpassfilters entfernt werden.