tecLab-Report

31.08.2000 von Malte Jeschke und NICO HARTMANN 
Zwei Dinge interessieren primär an einem MP3-Encoder: die Geschwindigkeit und die Qualität. Beides haben wir bei unserem Test eingehend überprüft.

Alle Encoder treffen im tecChannel-Labor auf die identischen Testbedingungen. Die Progamme werden auf einer exakt definierten Testkonfiguration getestet. Alle Tests und Messungen sind unter Windows 98 SE erfolgt. Für jeden einzelnen Encoder wird jeweils ein neues Windows 98 SE aufgespielt.

Praxiswerte Geschwindigkeit

Bei unserer Geschwindigkeitsmessung kommt ein Audio-Sampler mit 18 sehr unterschiedlichen Musikstücken zum Einsatz. Die Encodierung erfolgt mit einer Bitrate von 128 KBit/s. Die Gesamtkapazität der WAV-Dateien beträgt 788 MByte, die gesamte Spielzeit 77:56 Minuten.

Auf den ersten Blick lassen sich die Encoder auf Fraunhofer- beziehungsweise Xing-Basis identifizieren. Bei unserem Test benötigen die Fraunhofer Encoder mit über einer halben Stunde etwas mehr als doppelt so lange wie Xing-basierte Encoder. Beim Musicmatch-Encoder, der auf einer Xing-Routine basiert, ist zu berücksichtigen, dass er diese Disziplin nur mit 112 KBit/s absolviert.

Für unsere Geschwindigkeitsmessung mit verschiedenen Bitraten verwendeten wir ein Stück von Pearl Jam mit einer Länge von 3:15 Minuten. Die entsprechende WAV-Datei ist 33959 KByte groß.

Testmaterial

Um die Qualität der Encoder zu untersuchen, benutzen wir verschiedene Testfiles:

Ein geeignetes Musik-Stück ist die Oper La Mamma Morta von Maria Callas. Orchester und Stimme decken das gesamte hörbare Frequenzspektrum und darüber hinaus ab. In einzelnen Passagen erreicht die Frauenstimme Töne bis zu 22 kHz. Auch die Dynamik steigt über das gesamte Lied zunehmend an.Nach der MP3-Komprimierung lässt sich im Vergleich zum Original bestimmen, wie die jeweiligen "Perceptual Audio Codecs" arbeiten.

Weitere Audio-Stücke aus verschiedenen Genres benutzen wir, um zu verifizieren, ob auch außerhalb klassischer Musik Probleme auftreten.

Besonders kritisch ist es für die MP3-Encoder, wenn sie mit besonderen Instrumenten oder bestimmten Klängen konfrontiert werden. Glockenspiel, Kastagnetten, elektronischer Gong oder Stimmpfeife sind hervorragend geeignet, die Qualitäten der Encoder auszuloten. Auf einer besonderen Test-CD namens SQAM finden sich derartige Klänge und sprachliche Signale. Sie wird herausgegeben von der European Broadcasting Union.

Messverfahren

Das Frequenzverhalten der Encoder bestimmen wir mit unserem Audio-Messgerät Neutrik A2D. Mit ihm generieren wir einen logarithmischen Sweep von 20 Hz - 22 kHz.

Das Frequenzverhalten der Encoder bestimmen wir in Relation zum Frequenzgang der Soundkarte Soundblaster Live! von Creative Labs. Dabei zeigen alle Testteilnehmer einen originalgetreuen Verlauf und weichen nur minimal von der Ideallinie bei 0 dB ab. Auch Messungen des Klirrfaktors und Signal-Rauschabstand des MP3-kodierten Materials liefern nur kleine Abweichungen im Verhältnis zu den Referenz-Dateien.

Graphische Auswertung

Welche Verluste die Komprimierung einer WAV-Datei in eine MP3-Datei nach sich zieht, untersuchen wir an einzelnen Audio-Dateien mit dem Soundeditor CoolEdit Pro 1.2. Dabei ist für uns das Frequenzspektrum der Fast Fourier Transformation (FFT) von Bedeutung. Anhand der FFT berechnet die Software CoolEdit Pro den spektralen Aufbau des Audiosignals. Jede periodische Schwingung lässt sich als die Überlagerung reiner, harmonischer Schwingungen darstellen.

Das Frequenzspektrum einer Audio-Datei gibt Aufschluss darüber, welche Frequenzen am häufigsten vorkommen. Je öfter eine bestimmte Frequenz im Soundfile vorkommt bzw. je größer die Amplitude innerhalb einer bestimmten Frequenzbereich ist, um so heller ist diese im Diagramm dargestellt. Die Farbpalette reicht von dunkelblau (wenig Frequenzen in diesem Bereich vorhanden) bis zu hellgelb (viele Frequenzen vorhanden).

Fenstertyp

Frequenzauflösung

Amplitudengenauigkeit

Rechteck

sehr gering

groß

Dreieck, Bartel, Parsen

gering

groß

Blackmann, Blackmann-Harris, Hamming, Hanning,

mittel

mittel

Bei der Analyse wird ein zeitliches Fenster betrachtet, wobei an den Rändern des Fensters Fehler auftreten. Diese können zu Mess-Ungenauigkeiten führen. Deshalb werden verschiedene Fensterarten verwendet, um die Mess-Ungenauigkeiten bei bestimmten Signale minimieren.

Testergebnisse

Die Oper La Mamma Morta von Maria Callas dient uns als Test-Datei. Im folgenden sehen Sie was vom Original nach der Encodierung verbleibt.

Hörtest

Die Darstellung der Frequenzverläufe mittels Spektrumsanalyse der einzelnen Sound-Dateien ist eine Methode, die Ergebnisse optisch darzustellen. Die Frequenzspektren sollen zeigen, was die MP3-Komprimierung bewirkt. Jedoch ist diese Art eher theoretischer Natur als praxisnahe Beweisführung, dass MP3-Kodierung gleich Qualitätsminderung bedeutet.

Deshalb führen wir einen Hörtest durch, der zeigen soll, ob und in welchem Maß Unterschiede zwischen MP3-Dateien und dem Sound von CD zu hören sind. Dazu erstellen die Encoder drei MP3-Stücke mit einer Qualität von 128 KBit/s, 96 KBit/s und 64 KBit/s. Als Referenz dazu dienen uns die jeweiligen Lieder der Audio-CD. Den Hörtest führen 5 Test-Personen an unserer Musikanlage durch. Diese besteht aus einem Sony-Verstärker STR-DA 50 ES mit integrierten AC-3-Mehrkanal-Dekoder und einem Sony-CD-Player CDP XA 30 ES. Bei den Boxen setzen wir auf die Studiolautsprecher JBL-L90 mit einem Wirkungsgrad von 91 dB. Zusätzlich prüfen wir die Qualität mit Kopfhörern des Typs AKG K 400.

Testkonfiguration

Die Referenzplattform für alle MP3-Encoder ist genau festgelegt. Um Ihnen unsere Testkonfiguration transparent zu machen, finden Sie in der Tabelle eine genaue Auflistung der verwendeten Komponenten.