6. Digitaal Domein  Alle wat digitaal bevat

Submitted by Lead   on 19-12-2010 23:11

Alles over digitaal geluid

Analoog naar Digitaal

Als je geluid met een microfoon opneemt moet de energie van het geluid dat opgevangen wordt door de spoel van de microfoon eerst omgezet worden naar een digitaal signaal. De meeste moderne mengtafels en zeker de geluidskaart van je computer verwerken geluid altijd digitaal. Dit wordt intern omgezet met een A/D converter. Dit is een chip dat een Analoog signaal omzet in een Digitaal signaal. De hoeveelheid energie en dus de geluidssterkte wordt bij een digitaal signaal uitgedrukt in een binair getal in een bepaald aantal bits. Hoe harder het geluid van de opname is, des te meer bits worden er gebruikt.

De kwaliteit van de A/D of D/A converter is belangrijk, hoe nauwkeuriger dit gebeurt, des te beter zal het geluid zijn. Een fabrikant die hele kwalitatief goede (en dure) converters maakt is Wolfson, goed en betaalbaar zijn Burr Brown (made by Texas Instruments).

Sample Rate

De Sample Rate van een opname is het aantal samples dat per seconde is gemaakt, uitgedruk in Hz (Hertz). De Shannon sampling theorie zegt dat de minimale Sample Rate van een opname minimaal dubbel zo hoog moet zijn als de hoogste frequentie die voor kan komen in het brongeluid. Deze frequentie wordt ook wel de Nyquist frequentie genoemd. Alleen bij het gebruik van een Sample Rate hoger dan deze frequentie zal er geen afname in kwaliteit plaats vinden.

Aangezien je audio waarschijnlijk geluiden gebruikt in die hoorbaar worden geacht voor mesen, neem je het bereik op van 0 tot 20kHz (x 2 = 40kHz), en neem dan nog zo'n 10% verliezen en wat overhead en je komt op die 44.1 kHz die de standaard is voor opnames in CD kwaliteit.

Bit diepte

Het aantal bits dat gebruikt wordt in het binaire getal, wordt ook wel de bit diepte genoemt. Digitale signalen worden uitgedruk in bits en een bit kent slechts 2 waardes : 0 en 1. Iets is aan of uit, iets er tussenin is niet mogelijk. Iedere bit extra waarin je data kunt opslaan vergroot het aantal mogelijkheden met het kwadraat.

Een 4 bits getal (van 1-en en 0-en) heeft 16 mogelijke combinaties. Bij een geluidsopname met 4 bits kun je 16 verschillende volumes aanduiden.

Zoals in deze tabel is te zien zijn er bij 16 bits meer dan 65.000 mogelijke volume stappen mogelijk. Als we 32 bits geluid bekijken zijn er bijna 4,3 miljard mogelijke stappen.

En als audio nauwkeuriger wordt weergegeven spreken we van een verbetering van het geluid. Daarom gebruik je dus een zo hoog mogelijke bitdiepte.

Als we een Input Signaal gebruiken zoals links in de afbeelding weergegeven en deze omzetten naar een digitaal signaal met 1-en en 0-en staat het resultaat ernaast.

Als er meer bits gebruikt worden tijdens de conversie van Analoog naar Digitaal is de weergave nauwkeurer (en dus beter) doordat er meer verschillende waardes gebruikt kunnen worden. Als bovenstaande een geluid zou zijn, zou het 1 bits signaal veel slechter klinken dan het 4 bits signaal.

Dynamisch Bereik en 16, 24 of 32 bits

Het aantal bits dat gebruikt wordt bij een opname en het Dynamisch Bereik ervan zijn aan elkaar gekoppeld. Hierbij komt 1 bit grofweg overeen met zo'n 6dB Dynamisch Bereik. Hoe meer bits je dus gebruikt voor de opname, des te groter wordt het Dynamish Bereik ervan. Als je meer bit gebruikt voor de opname zal ook de benodigde opslagruimte groter worden.

Het maximaal Dynamisch Bereik van een 16-bits audio CD is 96dB, als je je files in 24-bits hebt is dit 144dB. Als je op 32-bits werkt heb je het grootste dynamisch bereik van 192dB en dus de meest zuivere vorm van je opname. Door het simpelweg omzetten van de bit diepte en normaliseren vergroot wel het dynamisch bereik, maar verbetert dit het geluid niet, daarvoor is post-processing nodig.

De meeste (serieuze) audio bewerkingsoftware zoals Steinberg Wavelab, Sony/Magix Soundforge en Adobe Audition bieden je de mogelijkheid om in een hogere bitdiepte (24 en 32-bits) op te nemen dan de 16 bits die nodig zijn voor CD kwaliteit. De meeste gratis audio bewerking's software zoals Audacity hebben deze ondersteuning momenteel nog niet.

Het heeft zeker zin om je opname en bewerkingen in 32-bit te doen ookal komt je project op een 16-bits CD terecht. Het eindresultaat wordt beinvloed door ieder schakel in de opname keten, dit is een hele belangrijke. Tijdens je bewerkingen kun je ook het beste werken met een zo hoog mogelijke bitrate omdat de effecten, compressie etc van je software hier zeker gebruik van maken. Als je ervoor zorgt dat je alles in 32-bit opneemt en bewerkt behoud je opname zijn kwaliteit en precisie van bewerken gedurende het hele proces en dit hoor je zeker terug in het eindresultaat.

Opname zo hard mogelijk

Bij een opname wil je dat het geluid zo hard mogelijk wordt opgenomen zonder daarbij te oversturen om ervoor te zorgen dat de opname zover mogelijk bij de grondruis vandaan zit en zoveel mogelijk bit gebruikt. Je kunt namelijk wel een 32 bits opname maken, maar als deze niet harder is dan halverwege gebruik je ook maar de helft van de 32 bits. Je hebt dan in feite maar een dynamisch bereik wat vergelijkbaar is van een opname in 16 bits.

In het eerste linker deel van deze grafiek zie je een opname die de volledige 32 bits gebruikt. Zoals je kunt zien is het volume van het laatste (rechter) stukje zo laag dat dit er maar 16 bits worden gebruikt om de waarde ervan aan te geven. Als je dus maar zacht genoeg opneemt kun je toch een opname krijgen met de kwaliteit van 16 bits, zelfs als het een 32bit opname is.

Bitdiepte Conversie

Je werkt dus altijd in een zo hoog mogelijke bitrate tot je een CD gaat branden. De laatste stap is het converteren van het bestand van 32 (of 24) bits naar 16 bits. Doordat een 32 bits bestand veel meer mogelijke stappen in volume heeft dan er mogelijk zijn in het 16 bits bestand zullen er waardes zijn die niet precies kunnen worden weergegeven in de lagere bitdiepte.

Zoals al eerder gezegd heeft een 16 bits formaat zo'n 65.000 mogelijk waardes en in een 32 bits bestand zijn er ruim 4 miljard mogelijke stappen. Als de bitdiepte wordt verlaagd kunnen de originele waarden in het nieuwe (kleinere) bit-bereik niet meer gebruikt worden en moeten deze worden afgerond. Het gevolg hiervan is dat er groepjes bits worden gevormd die gelijke waarden hebben terwijl het origineel varieerende waarden bevatte. Deze groepjes bits zie je in de waveform terug als rechtlijnige vervorming.

Het is op de figuur duidelijk te zien dat een 32-bits signaal een mooi glooiend verloopt. Als dit signaal wordt omgezet naar 16 bits zonder hierbij Dither te gebruiken zie je dit als een soort trap. De afbeelding is sterk ingezoomt waardoor we kijken naar het gebied onder de -80dB, maar zoals je ziet zal er duidelijk vervorming optreden in het signaal.

Dither

Om deze vervorming te 'camoufleren' is een truukje bedacht (Dither) die ervoor zorgt dat het menselijk oor de vervorming vrijwel niet meer kan horen. Op de figuur hiernaast lijkt misschien geen verbetering (eerder een verslechtering) op te treden als je de bovenste grafiek vergelijkt met de onderste, maar je oren worden hier voor de gek gehouden.

Dither wordt altijd gebruikt als een digitaal geluid in bitdiepte wordt verlaagt, bijvoorbeeld van 32-bits naar 16-bits dat nodig is als je een CD wilt branden.

Dither is het toevoegen van een nauwelijks hoorbare ruis aan het geluid om een random factor toe te voegen voordat afronding plaats vind. Als een 32-bits getal naar een 16- of 24-bits getal wordt omgezet moet er wel worden afgerond omdat een lagere bitdiepte minder mogelijke combinaties heeft.

In de figuur is duidelijk te zien dat het 32-bits signaal vrijwel ongelimiteerd veel mogelijke waardes heeft, je ziet de puntjes die de exacte waarde aangeven in een schuine lijn naar rechtsboven. Daartegen, in het plaatje van het 16-bits signaal zie je eigenlijk maar 4 verschillende waardes en een hoop ruis.

De ruis die toegevoegd wordt is zorgvuldig gekozen in een deel van het frequentie spectrum waar mensen het minder snel zullen horen, tevens heeft deze ruis een erg lage amplitude of volume.

Op het eerste gezicht zou je zeggen dat de waveform van de omgezette audio met dither net zo hoekig en vreemdvormig verloopt. De ruis die random wordt toegevoegd zorgt ervoor dat afrondingen willekeuriger zijn en voor je oren dus natuurlijker over komen.

Volgens de grafiek zou je denken dat er juist vervorming optreed, echter werken je oren anders dan je ogen. De waveform die is omgezet met toevoeging van Dither zal veel prettiger in het gehoor liggen.

Zoals al gezegd voeg je Dither toe zodra je bitdiepte verlaagd. Als je dus een bestand van 32 naar 24 bit omzet voeg je Dither toe, en als je er later een CD van wilt branden en deze file dus moet omzetten naar 16 bits, moet je weer Dither toevoegen. Daarom moet je dus gedurende het maken/bewerken van je productie alles in 32 bits opnemen en aan het einde van je project alleen de uiteindelijke mixdown omzetten naar CD formaat (16bits @ 44.1kHz) of ieder gewenst ander formaat zodat je maar 1 keer Dither hoeft toe te voegen.

Voeg NOOIT Dither toe als je bitdiepte verhoogd, dus als je van 16 naar 32bit zou gaan.

 Vorige : Geluiden Mixen

Meer over het menselijk gehoor in het forum

There are 2 Comments

  TH3llC wrote on 20-12-2010 @ 01:10

weeral leerijke informatie zoals de vorige topics over geluid!
wel een schrijffoutje gevonden:
eerste zin, 2de alinea bij sample rate:
'Aangezien je audio waarschijnlijk geluiden gebruikt in die hoorbaar worden geacht voor mesen,'
'

  richardje36 wrote on 18-11-2012 @ 01:21

Je hakt alleen nu wel harmoschen wel uit het signaal, door bij 20khz al de schaar erin te zetten,terwijl die wel meedragen aan het geluid.
Moet je eens goed kijken naar een goede geluidskaart in een desktop? ,dar zitten 30 nichicon condensatoren op om het signaal te zuiveren
voordat het naar een ad/da processor gaat en uiteraard wordt het signaal versterkt.
Het is wel leuk dat jij de namen wel weet van de fabrikanten.? Is het je nooit opgevalen, dat bij mengpanelen, nooit de fabrikant/soort converter gebruikt wordt. Ja met een beetje geluk de fabrikant, maar die maakt 100verschillende converts. Of ehhhh low-noise versterkers.? En uiteindelijk komen ze uit of s/n van 80-90?? . Maar verder goed stuk. Geeft ook leuk weer dat iedereen denkt dat een cd de hoogste kwaliteit is, maar het is gewoon comprimeerd en dat duw je in je cd speler van je pc......Prijs 20euro.... En dan nog omgaan zetten e.d. .En de controller in de cd speler is vrij laag van kwaliteit. Daarom betaalt een audiofiel 3000euro voor 1 cd-speler.... en mp3 is al oud/achterhaald, maar zo ingeburgerd dat vervangen lastig is.
gr.rich