Digitale audio
Digitale audio staat voor een digitale voorstelling van geluid. Digitale opslag van geluid dus, wat nodig is om geluid te verwerken met behulp van een computer. Digitale opslag van geluid werd (door Sony ) voor het eerst commercieel toegepast in 1982 door het op de markt brengen van de cd of compact disc.
Eerste digitalisatie
Voor 1982 was het al mogelijk in de huiskamer digitaal geluid op te nemen met een PCM-adaptor. Een PCM-adaptor is een elektronisch apparaat dat analoog geluid omzet in digitaal geluid, dat weer wordt omgezet naar een pseudo-videosignaal dat kan worden opgeslagen op videoband. De samplefrequentie van 44,1 kHz, die wordt gebruikt in de compact disc, is ontleend aan zo'n PCM-adaptor.
Vormen van digitalisatie
Deze digitale voorstelling van geluid kan van oorsprong:
- volledig handmatig ingevoerd zijn (bijvoorbeeld door toetsen op een klavier aan te slaan)
- Bestandsformaten van dit type: MIDI
- een écht geluid zijn, dat gedigitaliseerd werd. Bestanden van deze oorsprong noemt men bitstroom bestanden.
- Bestandsformaten van dit type: wave, mp3, ogg ...
- een combinatie zijn van de 2 voorgaande. Deze bestanden noemt men modules.
- Bestandsformaten van dit type: xm, s3m, mod, it ...
Dit resulteert in een groot aantal verschillende types bestandsformaten voor digitaal geluid.
MIDI
Het verschil tussen modules en MIDI zit hem voornamelijk in de manier waarop instrumenten worden opgeslagen. Bij MIDI wordt enkel een nummeraanduiding opgeslagen per instrument. Bij modules wordt per instrument een geluidsmonster (bitstroom-formaat) van dat instrument opgeslagen.
Gevolg hiervan is dat bij het afspelen van een module een instrument altijd hetzelfde klinkt. Bij een MIDI bestand hangt het ervan af welk instrument het afspeelprogramma associeert met het instrumentnummer. Hiervoor bestaan gelukkig standaarden, zoals General MIDI, maar die beschrijven slechts het instrumenttype (bv: trompet, enz) zodat zelfs wanneer je de standaard volgt, de uiteindelijke geluidskwaliteit sterk afhangt van het geluidsmonster dat de speler gebruikt voor dat bepaalde instrumentnummer.
Bij het digitaliseren van geluid wordt verondersteld dat het geluid reeds in analoge vorm is (een microfoon kan hier bijvoorbeeld voor zorgen). De elektrische stroom die hiervan het resultaat is, wordt dan gedigitaliseerd. Hiervoor maakt men gebruik van een ADC, waar vrijwel ieder digitaal apparaat met een analoge ingang over beschikt. Met behulp van een DAC kan digitaal geluid omgezet worden naar een analoog geluid.
Digitalisatie van geluid
ADC
De ADC (analoog-digitaal-converter) is een stuk elektronica dat een continu analoog signaal omzet naar een discreet digitaal signaal (dat wil zeggen een reeks getallen). Het algemene principe is het volgende: Met een bepaalde frequentie wordt de momentane amplitude van het analoge signaal bepaald en omgezet in een getal (wat resulteert in een sample). Analoge signalen hebben per definitie een oneindige resolutie (cfr. de continue functie). De resolutie van digitale signalen is echter wel eindig. Bij de conversie gaat daarom altijd kwaliteit verloren. De hoeveelheid kwaliteit die verloren gaat is afhankelijk van een aantal kwaliteitsfactoren.
Kwaliteitsfactoren
Resolutie/Bit depth/Sample Precisie
De vooraf bepaalde precisie bepaalt hoeveel mogelijke discrete waarden (stappen) een sample kan aannemen, en dus hoe hoog de resolutie is. Men benoemt deze factor dikwijls als bit depth omdat hij staat voor het aantal bits dat ter beschikking is om de waarde op te slaan. Met dit vaste aantal bits moeten verschillende sterktes gecodeerd kunnen worden, dus met meer bits kun je de sample dichter laten naderen tot de realiteit. Echter, de precisie is niet oneindig. Door de conversie zal iedere sample ten opzichte van het analoge signaal altijd afgerond moeten worden. Dit is een vervorming van het signaal en wordt ook wel kwantisatieruis genoemd. Geluid dat gedigitaliseerd is met cd kwaliteit is meestal gesampled met 16 bits per sample. Dat wil zeggen dat elke sample 2^16 = 65536 verschillende waarden kan aannemen. Kwantisatieruis is hierbij nauwelijks hoorbaar. Sommige klassieke opnamen hanteren een kwantiseringsdiepte van 20 bits per sample om een nog lager niveau van kwantisatieruis op te leveren (2^20 = 1048576 mogelijke waarden per sample).
Bemonsteringsfrequentie (samplefrequentie of "sample rate" (Engels))
Het aantal bepalingen van een samplewaarde per seconde noemt men de bemonsteringsfrequentie. Aan een bemonsteringsfrequentie is een andere grootheid verbonden, genaamd de Nyquist-frequentie. De Nyquist-frequentie voor een gegeven bemonsteringsfrequentie is gelijk aan de helft van die bemonsteringsfrequentie (sample ratio) en staat voor de hoogste frequentie die reproduceerbaar kan worden opgenomen. Het menselijk gehoor kan frequenties waarnemen van 20 Hz tot maximaal 20 kHz. Om dus alle frequenties die voor mensen hoorbaar zijn op te slaan, moet de samplefrequentie minstens 40 kHz bedragen. Het is dan ook niet zomaar dat geluid met cd-kwaliteit een samplefrequentie van 44.1 kHz heeft. In studio's gebruikt men vaak 48, 96 tot 192 kHz.
Wanneer het bemonsteren onregelmatig verloopt, ontstaat een vervorming die jitter heet.
Hogere kwaliteitsfactoren vergen ook een grotere processorkracht en opslagcapaciteit, wat echter steeds minder een knelpunt is.
Na de digitalisatie kan het digitale geluid bewerkt worden.
Randfenomenen bij de ADC
- Aliasing: Het verschijnsel dat signaalcomponenten met een frequentie hoger dan de Nyquist-frequentie niet goed verwerkt worden en zelfs een storende invloed op het resultaat hebben;
- Spooksignalen: Dit zijn signalen waarvan de frequentie in analoge vorm buiten het menselijk gehoorspectrum ligt, maar die vanwege afrondingsfouten of vervorming toch binnen het menselijk gehoorspectrum vallen in hun digitale vorm.