Audio Dithering
Was ist Audio Dithering?
Audio-Dithering ist ein Audio-Verarbeitungsverfahren, bei dem einem digitalen Audiosignal vor der Umwandlung in ein niedrigeres Datenformat ein rauschähnliches Signal hinzugefügt wird. Dies geschieht in der Regel, um die Genauigkeit der digitalen Audioabtastung zu verbessern und die Auswirkungen von Quantisierungsfehlern zu minimieren.
Wenn digitale Audiosignale aufgezeichnet oder bearbeitet werden, werden sie in diskrete Werte (Samples) quantisiert. Je höher die Auflösung des Audioformats ist, desto mehr diskrete Werte stehen zur Verfügung, um das Audiosignal zu beschreiben.Dies bedeutet eine höhere Genauigkeit.
Aufgrund von Rundungsfehlern und anderen Faktoren können jedoch unvermeidliche Quantisierungsfehler auftreten, wenn das Signal von einer höheren Auflösung in eine niedrigere Auflösung umgewandelt wird. An leisen Stellen werden weniger Bits zur Darstellung der Wellenform verwendet, was zu hörbaren Artefakten und Verzerrungen – den Quantisierungsfehlern – führt. Daher profitieren besonders leise Signale von eingeseztem Dithering.
Durch Hinzufügen von Dithersignalen mit einem bestimmten Rauschspektrum können die Quantisierungsfehler auf ein nicht wahrnehmbares Niveau reduziert werden. Audio-Dithering ist daher ein wichtiger Prozess bei der Erstellung hochwertiger digitaler Audioaufnahmen, da sonst Signale im Quantisierungsrauschen – also dem Rauschen welches erzeugt wird, wenn analoges Signal in digitales gewandelt wird.
Was ist Quantisierungsrauschen?
Quantisierungsrauschen ist ein Rauschen, das bei der Umwandlung eines analogen Signals in ein digitales Signal entsteht. Wenn ein analoges Signal in ein digitales Signal umgewandelt wird, wird es in eine Reihe von diskreten Werten aufgeteilt, die als Quantisierungsstufen bezeichnet werden. Da das analoge Signal kontinuierlich ist, kann es nicht perfekt in die diskreten Quantisierungsstufen aufgeteilt werden. Dadurch entsteht ein Fehler, der als Quantisierungsfehler bezeichnet wird und zu einer Verzerrung des Signals führen kann.
Quantisierungsrauschen entsteht, wenn der Quantisierungsfehler mit zufälligem Rauschen kombiniert wird. Das Rauschen kann durch Dithering minimiert werden, indem dem Signal künstliches Rauschen hinzugefügt wird. Dies kann dazu beitragen, den Quantisierungsfehler über eine breitere Frequenzverteilung zu verteilen, wodurch das Quantisierungsrauschen reduziert wird.
Quantisierungsrauschen kann insbesondere bei niedrigen Auflösungen und Bittiefen hörbar sein. Bei höheren Auflösungen und Bittiefen ist das Quantisierungsrauschen jedoch in der Regel weniger hörbar und kann durch den Einsatz von Rauschunterdrückungsalgorithmen weiter reduziert werden.
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Was sind Quantisierungsfehler?
Quantisierungsfehler sind Fehler, die bei der digitalen Aufnahme oder Verarbeitung von analogen analogen Signalen auftreten können. Sie entstehen, wenn ein analoges Signal in diskrete Werte (Abtastwerte) umgewandelt wird, um es digital zu speichern oder zu verarbeiten.
Bei der Quantisierung wird das analoge Signal in diskrete Werte zerlegt, die in einem digitalen Format gespeichert werden. Die Auflösung des digitalen Formats, d. h. die Anzahl der verfügbaren diskreten Werte, bestimmt die Genauigkeit, mit der das analoge Signal wiedergegeben werden kann. Wenn das Analogsignal zwischen zwei diskreten Werten liegt, wird es auf den nächstliegenden diskreten Wert gerundet. Dieser Rundungsprozess führt zu einem Fehler, der als Quantisierungsfehler oder Rundungsfehler bezeichnet wird.
Die Größe des Quantisierungsfehlers hängt von der Auflösung des digitalen Formats und der Rundungsgenauigkeit ab. Je höher die Auflösung des Formats ist, desto kleiner ist der Quantisierungsfehler.
Warum sind hohe Auflösungen in der Musikproduktion gut?
Höhere Auflösungen in der digitalen Audiowiedergabe beziehen sich in der Regel auf eine höhere Abtastrate und/oder eine höhere Bittiefe.
Die Samplerate gibt an, wie oft pro Sekunde ein analoges Signal abgetastet wird, um daraus ein digitales Signal zu erzeugen.
Eine höhere Abtastrate bedeutet, dass das analoge Signal häufiger abgetastet wird, wodurch eine höhere Genauigkeit erreicht wird. Typische Abtastraten für Audio-CDs sind 44,1 kHz, während hochauflösende Audioformate wie FLAC oder MQA höhere Abtastraten von bis zu 192 kHz oder noch höher unterstützen.
Die Bit-Tiefe bezieht sich auf die Anzahl der Bits, die zur Darstellung eines Samples verwendet werden. Eine höhere Bittiefe bedeutet, dass mehr Bits zur Darstellung des Signalpegels zur Verfügung stehen. Bei einer höheren Bit-Tiefe ist die Anzahl der Stufen größer, d. h. es gibt mehr diskrete Werte, die das Signal annehmen kann. Eine höhere Bittiefe bedeutet daher, dass der Dynamikumfang des Signals größer sein kann, was eine höhere Genauigkeit und Klarheit des Audiosignals ermöglicht.
Insgesamt führen höhere Abtastraten und größere Bittiefen in der Regel zu einer besseren Klangqualität und einem natürlicheren Klangbild, insbesondere bei Musik, die viele Details und Nuancen enthält. Höhere Auflösungen erfordern jedoch auch mehr Speicherkapazität und höhere Anforderungen an die Audiosignalverarbeitung, sowohl bei der Aufnahme als auch bei der Wiedergabe.
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Welches Dithering sollte wann verwendet werden?
Die Wahl des richtigen Dithering hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich des Aufnahmeverfahrens, der Art des Audiosignals und des gewünschten Ausgabeformats. Es gibt verschiedene Arten von Dithering, und jede Art hat ihre spezifischen Anwendungen und Eigenschaften.
Einige der gebräuchlichsten Arten des Dithering sind
- Rechteckiges Dithering: Dies ist die einfachste Form des Dithering und wird häufig bei niedrigen Auflösungen verwendet. Es neigt jedoch zu hörbaren Artefakten und kann bei höheren Auflösungen unerwünscht sein. Bei dieser Art des Dithering wird einem Signal ein gleichmäßiges Rauschen hinzugefügt, das den Quantisierungsfehler verbirgt. Das Rauschen wird in einem bestimmten Bereich gehalten, um die Verzerrung des Signals zu minimieren.
- Trianguläres Dithering: Diese Art des Dithering erzeugt ein etwas höheres Rauschen als rechteckiges Dithering, aber auch weniger Verzerrungen. Trianguläres Dithering fügt dem Signal ein dreieckiges Rauschen hinzu, das für das menschliche Gehör weniger störend ist als rechteckiges Dithering. Die Form des Rauschens trägt dazu bei, die Verzerrung des Signals zu minimieren und kann eine bessere Klangqualität bei höheren Bittiefen liefern.
- Noise-Shaping-Dithering: Diese Art des Dithering verwendet psychoakustische Modelle, um das Rauschen zu minimieren und Artefakte in höheren Frequenzbereichen zu reduzieren. Es ist besonders effektiv bei hohen Auflösungen und wird häufig bei der Erzeugung hochauflösender Audioformate verwendet. Bei dieser Art des Dithering wird das Rauschen auf bestimmte Frequenzbereiche des Signals beschränkt. Das Ziel besteht darin, das hörbare Rauschen zu minimieren, indem das Rauschen auf weniger empfindliche Frequenzbereiche des Signals verteilt wird.
- Dynamisches Dithering: Dynamisches Dithering passt das Rauschen an das Signal an, um ein optimales Verhältnis zwischen Rauschen und Signalqualität zu erreichen. Dazu wird die Signalstärke gemessen und das Rauschen entsprechend angepasst. Diese Art des Dithering kann bei unterschiedlichen Signalstärken eine gute Tonqualität liefern.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Wahl des Dithering auch von den spezifischen Anforderungen des Audioinhalts und des Wiedergabegeräts abhängt. Ein erfahrener Toningenieur kann in der Regel empfehlen, welches Dithering für eine bestimmte Aufnahme oder Wiedergabe am besten geeignet ist.
