MP3 Grundlagen: Psychoakustik

Hilfreiches Rauschen

Für MP3 bedeutet das, dass man beispielsweise das Rauschen "um" den Ton herum anheben kann, weil es sowieso maskiert wird. Den Rauschpegel anzuheben, bedeutet das Gleiche, als wenn man mit geringerer Auflösung digitalisiert.

Beim Digitalisieren entsteht immer ein Quantisierungsrauschen. Dabei werden analoge Signale in wert- und zeitdiskrete (bestimmte) Signale zerlegt.

Die gewonnenen Zahlenwerte stellen die numerischen Amplitudenwerte der Sinuswelle dar. Die Abtastfrequenz (Sampling Rate) bestimmt dabei die Länge der Abtastintervalle. Dabei kann sowohl die Messung der Amplitudenhöhe als auch die Größe der Abtastintervalle nicht unendlich genau sein. Der Grund ist, dass in der Digitaltechnik nur diskrete Werte zur Verfügung stehen.

Bei der analog/digital-Wandlung wird daher ein Wert, der zwischen zwei Abtastpunkten liegt, auf- oder abgerundet, sodass er dem nächstgelegenen Wert zugeordnet wird. Durch diese Zuordnung entstehen Rundungsfehler, da die Werte nicht mehr mit dem originalen Skalenwert identisch sind. Dieses wird als Quantisierungsfehler bezeichnet und macht sich als Rauschen bemerkbar. Das Quantisierungsrauschen lässt sich durch eine hohe Auflösung begrenzen.

Die Sampling-Rate bestimmt die obere Grenzfrequenz des Systems. Die Messgenauigkeit, also die Anzahl der in diesem Quantisierungsprozess möglichen Mittelwerte, bezeichnet man auch als Auflösung, die sich in der Bit-Breite, z.B. 8-Bit, oder 16-Bit, widerspiegeln. Bei einer Auflösung von 8 Bit können maximal 256 Stufen dargestellt werden. Bei 12 Bit sind es immerhin schon 4096 und bei 16 Bit 65.536 Einzelschritte.

Für den Wandlungsprozess formulierten die Mathematiker Shannon und Nyquist wichtige Theoreme:

  • jedes Analogsignal lässt sich durch Abtasten in gleichen Zeitabständen in eine Folge von Impulsen verwandeln

  • die Abtastfrequenz muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste im Signal vorkommende Frequenz (Shannon Abtasttheorem). Um eine Frequenz von 22,05 kHz zu digitalisieren, muss diese mit mindestens 44,1 kHz abgetastet werden (44.100 Mal pro Sekunde).