Über Digitalisierung
AD/DA Wandler
Sensoren erfassen physikalische Messgrößen (z.B. Temperatur, Lichtstärke oder Sprache), die sie in ein elektrisches Signal wandeln. Dieses Signal kann zur Steuerung von Maschinen verwendet werden, oder es wird gespeichert und später weiterverwendet.Um die Signale mit einem Computer zu verarbeiten, muss es einerseits digitalisiert – und wenn es den Computer verlässt wieder analog gewandelt werden.
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Unterscheidung "Signal"
- Analoges Signal: zeitlich und wertemäßig in unendlich viele Werte unterscheidbar = zeit- und wertkontinuierlich.
- Digitales Signal: Beschreibung eines Signalverlaufs anhand von vielen Zahlenwerten. Egal, welches Zahlensystem verwendet wird (z.B. Binär- Dezimal- oder Hexadezimalsystem)
- Binäres Signal: Das binäre Signal kennt nur zwei Zustände, die man mit 0 und 1 bezeichnet.
Diese Seite soll exemplarisch zeigen, wie ein Audio-Signal als analoges Signal aufgenommen, digital gespeichert und später als digitales Signal wieder analog zurück gewandelt wird, damit es von einem Lautsprecher wiedergegeben werden kann.
Inhalt
Eigenschaften Audio-Signal
Bild: Wikiwand
Ohren wandeln schnelle Druckschwankungen (=Schall) über eine Membran in kleine elektrische Signale, die über Nervenbahnen ans Gehirn weiter geleitet werden. In der Akkustik wird unterscheiden:
• Audio: Schallwellen im hörbaren Bereich: ca. 16 Hz – 16.000 Hz
• Ton: harmonische Schwingung einer einzigen Frequenz [Hz]
• Klang: Frequenzgemisch, was Lebewesen als Geräusch, Musik, Sprache erkennen.
Jenseits der es hörbaren Bereichs liegt der Infraschall und der Ultraschall.
Bild: Stereo-Aufnahme mit Audacity
Stereo unterteilt sich in rechter (oben) & linker Kanal (unten)
Z.B. mit dem Programm „Audacity“ kann man den Signalverlauf einer Aufnahme am PC sichtbar machen:
Eigenschaften:
Signaltyp: „analog“ = zeit- & wert -kontinuierlich – wenn auch unregelmäßig und verschieden schnell wechselnd, aber genau das stellt die „Information“ codiert dar.
- Unregelmäßiger Spannungsverlauf: Klang.
- Höhe der Amplituden: Lautstärke Klanganteile.
- Schnelle unregelmäßige Wechsel: Tonhöhen.
- Amplitude: Spannungshöhen
- Frequenz: Geschwindigkeit im Wechsel der Amplituden.
Signalweg: Aufnehmen - speichern - abspielen
Aufnahme: Das Mikrofon (= Sensor) wandelt die Druckwellen in ein elektrisches Signal.
Speichern: Die Hi-Fi Anlage speichert und/oder verstärkt das elektrische Signal, um es an einen Lautsprecher weiter zu leiten.
Abspielen: Lautsprecher/Kopfhörer (=Aktor) wandeln das elektrische Signal wieder in Druckwellen zurück.
Speichermedien gab es auch schon vor dem Computerzeitalter: z.B. Schallplatte, Tonband, oder Kassette:
Speicherung einen analogen Signals
Schallplatte
Eine Diamantnadel läuft durch eine Rille. Die Rille versetzt die die Nadel in rechts/links Schwingung, die später entweder mechanisch (über Hebel) oder elektrisch (Verstärkerschaltung) an Lautsprecher weitergegeben.
Magnetband
Der Aufnahmestrom wird durch eine Spule des Elektromagneten geführt. Durch den magnetischen Fluss entsteht am Spalt ein Magnetfeld, dass die Elementarmagnete in der weichmagnetischen Schicht des Bandes ausrichten. Umgekehrt sorgen die Magnetfelder des Bandes beim Abspielen für einen Stromfluss.
Digitalisierung
Quelle: Youtube | Digi4All [06:33 min.]
In diesem Video wird der Unterschied zwischen analogen Signalen und digitalen Daten gezeigt. Es ist eine gute Ergänzung – und ein weiteres Beispiel (Temperaturmessung) zum hier weiter beschriebenen Audiosignal.
Digitalisierung bedeutet, dass man die Amplituden eines Funktionsverlaufs (hier der Spannungsverlauf des Audiosignals) in schnellen Zeitabständen misst, und deren (Spannungs-) Werte als Zahlen (=digitalisieren) in einen Speicher schreibt. Dazu benötigt man zwei neue Bauteile:
- ADC = Analog-Digital Converter: übersetzt analoge Signale in digitale Werte.
- DAC = Digital-Analog Converter: wandelt digitale Werte zurück in analoge Signale.
Integrierter Baustein (IC)
Analog-digital Wandler und Digital-analog Wandler sind als integrierte Schaltkreise im Handel erhältlich. Sie können auf Platinen mit anderen Bauteilen durch Leiterbahnen verbunden werden.
Doch einfacher geht’s über ….
Soundkarte
Funktion:
Die Soundkarte ist ein kleiner Computer für sich mit einem speziellen digitalen Signalprozessor (DSP) und einem eigenen Arbeitsspeicher (RAM). Über das BUS-Interface gelangen die Sounddaten in das Hauptsystem.
Sampling
Das Digitalisieren von analogen Audiosignalen nennt man Sampling.
- Abtastrate: bestimmt, wie oft das Originalsignal pro Sekunde abgetastet wird.
- Je öfter abtasten, desto besser ist die Genauigkeit später – aber auch desto höher der Speicherbedarf!
- Abtasttiefe (Auflösung): legt die Genauigkeit des Samplings fest.
- Je mehr Bits pro Messwert, desto feiner die Unterscheidung, aber desto höher ist wiederum der Speicherbedarf!
Wandlungsschritte
1) Abtastung
Verarbeitungsschritt: „Sample & Hold“
Ein Taktsignal steuert einen Transistor, der als Schalter fungiert. Der Transistor schaltet die Aufladung eines Kondensators auf den gerade anliegenden Spannungswert. Für die Dauer eines Taktzyklus behält der Kondensator den Spannungswert. Beim nächsten Taktsignal wird der Kondensator auf den nächsten Spannungswert aufgeladen.
2) Quantisierung
Verarbeitungsschritt: „Quantization“
Die am Kondensator anliegende Spannung wird nun einen festen Zahlenwert zugeordnet. Zwischen zwei Zahlenwerte liegt „nichts“. Es wird der Wert gewählt, der dem Messwert man nächsten liegt. Da also Messwert und Quantisierungswert nicht immer gleich sind, kommt es zu Quantisierungsfehlern. Je feiner eine Quantisierungsskala ist, desto geringer ist der Fehler.
3) Codierung
Verarbeitungsschritt: „Coding“
Da Computer im Dualsystem arbeiten, besteht die Quantisierungs- skala aus Binärzahlen. Je feiner also die Skale ist, aus desto mehr Bits besteht jeder einzelne Messwert. Dies lässt die Datei immer umfangreicher werden. Es muss also eine ausgewogene Abstimmung aus Sample-Qualität und Dateigröße gefunden werden.
Kompression
Bild: Moving Picture Encoding Group 3 (Mpg)
MP3 ist ein Verfahren, um bereits digitale Audiodaten zu verkleinern. Für das menschliche Gehör nicht/ kaum wahrnehmbaren Audiosignale können aus dem Original entfernt und so den benötigten Speicherplatz reduzieren. Es wurde in den 80er Jahren am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen sowie an der Friedrich-A.-Universität Nbg. entwickelt. Videos können mit diesen Methoden auf bis zu 99% „geschrumpft“ werden.
Hinzu kommen Bit-Operationen, die lange sich wiederholende Bitfolgen/Muster einfach beschreibt:
- anstatt: 0101 0101 0101 0101 0101
- 5 mal 0101
Das ist etwa die Datenmenge, die auf eine CD passt. Daher haben CDs eine sehr gute Tonqualität – für eine Übertragung per Internet ist die Datei allerdings zu groß.