Dynamik, Abtastrate, Datenrate - bitte Aufklärung

[raphael]

In der Audiosignalverarbeitung bezeichnet man quasi alles mit Transienten, was keine stationäre Sinusschwingung ist. Fourier gilt strenggenommen ja auch nur für stationäre Sinussignale bzw. der Überlagerung solcher.
Die Transienten können unterschiedlich aussehen. Einige modulieren die Frequenz, andere die Amplitude und wieder andere beides. Das extremeste Beispiel wäre eine Sinusschwingung, deren Amplitude durch eine Rechteckschwingung moduliert wird. Man kann zeigen, daß ein solches Signal nur bis zu einer Grundschwingung von 500Hz bei 48kHz korrekt rekonstruiert wird.
Zudem wissen wir aus der Sprachcodierung, daß wir Menschen auf sog. Mikromodulationen reagieren, die wir nutzen, um Stimmen und Geräusche erkennen und einordnen zu können. Diese werden durch die Abtastung mit 48kHz nicht erfaßt, da die zeitl. Auflösung zu gering ist.
Viele von diesen Vorgängen passieren während des Toneinsatzes, sprich, wenn der Spieler einen neuen Ton anbläst. Diese Phase ist entscheidend für unsere Wahrnehmung des Instruments. Experimente zeigen, wenn man man nur den eingeschwungenen Zustand eines Instrumentes hört, empfindet man den Klang als künstllich unschön. Für unser Gehör ist der Einschwingvorgang von Bedeutung, der quasi-stationäre Zustand ist nicht so stark von Bedeutung.

Raphael

[fabi]

Hm, dass es zu sehr steilen Flanken kommt, will ich nicht bestreiten. Ausströmgeräusche haben ein nahezu weißes Spektrum und da kommen sicherlich sehr hohe Frequenzen bei raus, weit jenseits der 20kHz.

Recheckschwingung hin oder her, wir wissen doch, dass das Ohr Sinus- und Rechteckschwingungen ab einer bestimmten Frequenz nichtmehr unterscheiden kann. Das gilt nur für stationäre Signale, sagst du?

Du beauptest letztlich, dass sich der Einschwingvorgang auf der Frequenzachse nicht darstellen lässt, weil die Fouriersynthese nur für den eingeschwungenen Zustand gilt. Dann brauchen wir von Frequenzebene erst gar nicht mehr zu reden.

In unserem Ohr bildet sich aber eine Wanderwelle aus, die an der jeweiligen Stelle, je nach Frequenz einen Reiz hervorruft. Die oberste Frequenz ist mechanisch begrenzt.
Während des Einschwingvorgangs kommen also Frequenzen vor, die innerhalb des Frequenzbereiches von 20Hz..20Khz liegen, bei einer Abtastfrequenz mit mehr als der doppelten oberen Grenzfrequenz aber nicht erfasst werden können?

Das heißt aber auch, dass für das System das Superpositionsprinzip NICHT gilt und es auch nicht linear-zeit-invariant ist. Die Impulsantwort kann ein solches System selbstverständlich nicht beschreiben.

Grüße!

PS: Es geht nicht darum, eine Signal korrekt zu rekonstruieren, dabei sind wir uns einig, ja? Es geht darum, im Ohr den gleichen Reiz hervorzurufen.

[raphael]

Darstellen kann man das schon. Sagen Dir Zeit-Frequenz-Neuzordnungs-Verfahren im Zusammenhang mit Fourier-Analysen etwas?

Das Superpositionsprinzip ist nicht verletzt, weil ich nicht behaupte, f<20kHz ließe sich nicht darstellen, sondern ich behaupte, die zeitliche Veränderung der Schwingungen (Modulation) läßt sich nicht hinreichend genau darstellen und fordere eine 10µs Auflösung! (Soll ich ein Transparent basteln? )

Ja wir sind uns einig, es geht um denselben Reiz im Ohr. Ich möchte dies aber nicht nur auf den stationären Fall beschränkt wissen.

P.S. Es geht auch nicht darum, jemanden abzuwatschen.

[fabi]

nee, sagt mir nix.

Jetzt lassen wir die Frequenzebene erstmal weg. Kann man ein beliebiges Zeitsignal im Hörbereich denn nun mit 44.1kHz nachbilden, oder nicht? Du sagst: nein, weil die Zeitauflösung zu gering ist. Zeitauflösung hängt aber doch - nun kommt sie wieder - direkt mit der oberen Grenzfrequenz zusammen. Das ist doch der Grund, dass man die doppelte obere Grenzfrequenz braucht, damit die Aliasingfrequenzen nicht im Nutzband liegen.

Nehmen wir also ein beliebiges, analoges Zeitsignal und schicken es durch einen idealen AD-DA-Wandler mit 20kHz oberer Grenzfrequenz. Nun geben wir das Signal über einen idealen Wandler direkt aufs Ohr. Dort bildet sich die Wanderwelle aus und es entsteht ein Reiz. Du sagst nun, der Reiz wird mit bzw. ohne Digital-Wandler nicht der gleiche sein. ja?

(Den idealen Wandler haben wir nicht, wir können ihn aber problemlos durch einen sehr guten Kopfhörer tauschen, er bleibt ja mit oder ohne Wandlung gleich, das Ohr ebenfalls. Jetzt nur, falls wir das mal ausprobieren wollten.)

Ich habe jetzt richtig verstanden, dass das Zeitsignal eben nicht beliebig sein darf?

Darf ich es der einfachheit halber direkt auf der analogen Seite so bandbegrenzen, dass oberhalb 20Khz nix mehr rauskommt, oder ist das unzulässig? (Ich würde es ohnehin durch Fouriersynthese digital erzeugen, aber das können wir ja gerne mit 24bit und 196kHz machen) Das analoge Signal sollte ich bandbegrenzen dürfen, das können wir einfach mit einem analogen Filter vorhin ausprobieren und feststellen, ob ein Unterschied hörbar ist, oder nicht.

Versteh mich nicht falsch, ich will gerne verstehen was du meinst, vielleicht schaffen wirs auch ohne Transparent.

Grüße!

[fabi]

noch was: Es geht dir um die Änderung des Signals mit der Zeit, nicht um das Signal selber. Wir müssten jetzt also ein Signal festlegen, das man analytisch beschreiben kann, irgendein Gauss-Puls oder soetwas. Davon könnte man dann die Ableitung bilden und schauen, dass die Änderung über einem gewissen Grenzwert liegt, den du festlegen müsstest. Klassische Aufgabe für Maple.

Nun erzeugen wir das gleiche Signal gesamplet mit Matlab. Die Samplingrate kann man frei einstellen und das Signal anschließend als .wav-Datei speichern. Mit einem Fireface oder dgl. kann man sich die zwei Files anhören, einmal mit 16bit 44kHz und einmal mit 24bit 196kHz. Gute Idee? Haben das schon viel schlauere Köpfe irgendwo gemacht?

[harry_m]

Die Frage ist doch nicht, ob der Unterschied existiert oder nicht. In diesem Fall ist nur eins relevant: ist der Unterschied wahrnehmbar oder nicht? Ist unser Ohr wirklich gut genug, um diese (zweifellos vorhandene) Differenz zu erkennen?

Ich habe nicht umsonst den dts/Dolby Digital - Streit angesprochen: da ging es auch um die Frage, ob die höhere Komprimierung bei DD zu schlechteren Ergebnissen führt, als bei dts.

Auf die Gefahr, dass ich mich wiederhole: meine (nicht repräsentative) Erfahrung besagt, dass die Qualität der Arbeit im Studio wesentlich höheren Einfluss auf das Ergebnis hat, als das Format bzw. Eigenschaften der CD.

[MFB]

Beispiel wäre eine Sinusschwingung, deren Amplitude durch eine Rechteckschwingung moduliert wird. Man kann zeigen, daß ein solches Signal nur bis zu einer Grundschwingung von 500Hz bei 48kHz korrekt rekonstruiert wird.

auch bei korrekter Bandbegrenzung nicht?
Das kann ich kaum glauben!
Die zusätzliche Filterwirkung durch das obligatorische sample&hold ist bekannt?
Gruß

[fabi]

harry_m, ich schrieb daher von "dem gleichen Reiz".

[harry_m]

harry_m, ich schrieb daher von "dem gleichen Reiz".

Fabian, Dich habe ich verstanden...

P.S.: wieso England? Wo genau, wie lange noch? (Ich bin demnächst vielleicht wieder in der Nähe von London...)

[raphael]

Richtig Fabian, es geht mir nicht um die stationäre Frequenz des Signals, sondern um die zeitliche Änderung des Signals. Die werden nicht aufgelöst, da das Ereignis genau zwischen zwei Abtastpunkten liegt und daher nicht erfaßt wird unser Ohr das aber nachweislich auflöst.
Deine Versuchsanordnung ist prinzipiell richtig, man muß nur sicherstellen, daß man das Signal auch wirklich mit 48kHz bzw. 96kHz rekonstruiert und genau da steigen viele Wandler aus. Typischerweise tasten alle DA-Wandler auf eine fixe Rate hoch, also aus dem 48kHz-Signal wird z.Bsp. ein 384kHz-getastetes Signal gemacht, aus dem 96kHz Signal aber auch (384kHz). Kann auch ein anderer Wert sein, wichtig ist nur daß das Ergebnis dieselbe Abtastrate ist. D.h. das Signal wird durch Artefakte überlagert, die bei der Umtastung entstehen, je weiter ich hochtasten muß, umso mehr erzeuge ich Störungen im Ausgangssignal. Das ist nur ein rein technischer Aspekt.
Noch kurz eine Randnotiz zum Umtasten: Man kann beobachten, daß beim Hochtasten von Signalen, die einen hohen Rauschanteil beinhalten (z.Bsp Flöten etc.) im unteren Frequenzband (also <1kHz) Störsignale auftauchen, die man irgendwie unterdrücken muß. Der Aufwand steigt exponentiell an, wenn man es gut machen will. Je weniger ich umtasten muß, desto weniger Probleme habe ich.
Es sind also zwei Argumentationsstränge, die man getrennt betrachten muß, einerseits bezogen auf unsere Hörfähigkeit und andererseits rein technische Aspekte.

Raphael

P.S. Lustig fand ich heute, daß in einer Zeitschrift eine Anleitung zu finden war, wie man seine HiFi-Anlage auf nachlassende Hörfähigkeit im Alter anpaßt.

[harry_m]

...Die werden nicht aufgelöst, da das Ereignis genau zwischen zwei Abtastpunkten liegt und daher nicht erfaßt wird unser Ohr das aber nachweislich auflöst....

P.S. Lustig fand ich heute, daß in einer Zeitschrift eine Anleitung zu finden war, wie man seine HiFi-Anlage auf nachlassende Hörfähigkeit im Alter anpaßt.

Der Nachweis für den ersten Punkt würde mich brennend interessieren.

Was den Punkt 2 betrifft: was ist hier lustig? Es istTatsache, dass mit zunehmenden Alter die Fähigkeit hohe Töne zu hören nachlässt. Selbstverständlich will auch ein 50-Jähriger Aufnahmen, die er vor 30 Jahren gehört hat mit allen Details hören: und hier bleibt nur die Anhebung im HT-Bereich übrig. Was ist hier lustig?

Klar wird sein Enkel es sehr komisch empfinden, aber das ist doch eine ganz andere Frage, nicht wahr?

Findest Du die Brillenträger auch lustig? Wie sieht es mit solchen Dingern aus wie z.B. Zahnersatz, Gehhilfen und Hüftprotesen?

[Nightingale]

.wav vs .flac

In Analogie zu dem eben gelesenen habe ich eine Frage. Wenn die DA Wandlung mit einer Umrechnung des Signales von e.g. 96khz auf 384kHz im Wandler zu Störungen im Bereich 20Hz-20kHz führt, wie ist das dann beim flac Format. Führt dann nicht die Umwandlung von wav auf flac zu ebensolchen 'Fehlern'? Da HDDs Speicherplatz nicht die Welt kostet speicher ich meine CDs im Moment im wav Format und nicht in flac.
Gr
Peter

[agossi]

Ob man Audiodaten als *.wav oder *.flac abspielt, hat auf die Qualität des analogen Signals keinen Einfluss. Flac ist ein verlustloses Kompressionsverfahren und ist nur eine andere Darstellung digitaler Werte, wie wenn man eine Word-Datei als *.zip speichert.

Der D/A-Wandler wird von den Treibern immer mit zeitdiskreten Werten gefüttert, egal aus welchen Dateien diese Werte stammen.

Ich verstehe sehr gut, was Raphael meint: es ist dem Ohr (bzw. unserem Gehirn) eben nicht egal, ob das ganze Frequenzspektrum eines Signales zeitgleich oder phasenverschoben eintrifft, und je höher die Abtastfrequenz, umso genauer ist diese zeitliche Zuordnung der Signale untereinander.

Die ganze Diskussion über hörbare Phasenverschiebungen geht in die gleiche Richtung. Bei einem Mehrwegelautsprecher ist der zeitliche Versatz der Spektren der Einzelchassis eben auch nicht egal, deshalb man immer mehr auf DSP-Technik setzt, die Laufzeitunterschiede wettmachen können.

Und das kann neben dem ganzen technischen Aspekt durchaus auch einen "emotionalen" Sinn haben.

[harry_m]

..Ich verstehe sehr gut, was Raphael meint: es ist dem Ohr (bzw. unserem Gehirn) eben nicht egal, ob das ganze Frequenzspektrum eines Signales zeitgleich oder phasenverschoben eintrifft...

Zuerst: wenn man von Frequenzspektrum spricht, so muss man schon genau wissen, ob man über ZEITgleichheit oder PHASENverschiebung diskutiert. Zeit und Phase sind nicht dasselbe. Und schon gar nicht, wenn man von Frequenzbereichen spricht.

Abgesehen davon. Ich kann mich an einen großen Artikel im KT erinnern, wo genau das verneint wurde. Dort wurde von Versuchen berichtet, wo man mit Hilfe von DSP's die Signale um Werte verschoben hat, die in einem realen Lautsprecher nie und niemals erreicht werden können: und die Hörer haben es nicht unterscheiden können.

[raphael]

Was ist hier lustig?

Klar wird sein Enkel es sehr komisch empfinden, aber das ist doch eine ganz andere Frage, nicht wahr?

Findest Du die Brillenträger auch lustig? Wie sieht es mit solchen Dingern aus wie z.B. Zahnersatz, Gehhilfen und Hüftprotesen?

Ach, kommt jetzt wieder die Moralkeule, um die Rentnerrepublik zu retten?
Spaß beiseite, ist nicht ernstgemeint.

Was ist lustig fand, war lediglich, daß in solchen Magazinen sonst immer von Linearität bis 50kHz geschwärmt wird und jetzt plötzlich ist die Linearität relativ.

Verzeih mir, aber die K+T nehme ich nicht wirkllich ernst, wenn es um wissenschaftliche Forschung geht. Tut sonst ja hier auch keiner, wenn es um neue Entwicklungen geht.

Zurück zum Thema.
Die Hörbarkeit der Phasenlage wird bei Zwicker/Zöllner diskutiert. Quintessenz: Wenn die Phasenlage in der einen Situation A nicht hörbar ist, kann sie trotzdem in einer anderen Situation B hörbar werden. Das ist abhängig, welche Frequenzkombination mit welchen Amplituden im Musikgeschehen gerade auftreten. Pauschalurteile sind nicht zulässig. Die Schlußfolgerung ist dann also: Ich kann mich bei Auslegung meiner Kette nicht darauf verlassen, daß immer nur Situation A auftritt, weil Situation B genauso wahrscheinlich ist.

Raphael