Wenn es um digitale Musik und Soundeffekte geht, spielt die Abtastrate (engl. Sampling Rate) eine wichtige Rolle. Das gilt für CDs genauso wie für Dateiformate wie MP3 und für Netzwerkplayer. Die angegebenen Werte für die Höhe bzw. Frequenz der Abtrastrate weichen dabei deutlich voneinander ab. Ein wichtiger Referenzwert ist 44,1 kHz. Wir erläutern, warum das so ist.
Was es mit der Abtastrate auf sich hat
Damit beispielsweise eine Stimme oder ein Gitarrenriff auf einer CD oder Festplatte gespeichert werden kann, muss das analoge Audiosignal digitalisiert werden. Dafür werden vom analogen Signal in konstanten zeitlichen Abständen (zeitdiskret) Proben (auf Englisch: Samples) genommen. Diese dienen dazu, die erfassten Informationen in einen Code zu überführen. Liegt das Signal digital vor – zum Beispiel im MP3-Format – kann es auch wieder in ein analoges Signal umgewandelt werden, um die Membran eines Lautsprechers zum Schwingen zu bringen. Die Häufigkeit dieser Proben oder Samples wird durch die Abtastrate angegeben. Allgemein gilt: Je mehr Proben vorliegen, desto detailreicher lässt sich der Klang digital abbilden.
Eine CD unterstützt Signale, die mit einer Abtastrate von 44.100 Hz oder eben 44,1 kHz digitalisiert wurden. Das entspricht 44.100 Samples pro Sekunde. Natürlich wurde diese Frequenz nicht zufällig festgelegt. Eine derartige Auflösung berücksichtigt die maximale für Menschen hörbare Tonfrequenz von etwa 20 kHz und eine wichtige Regel der Datenverarbeitung: das Nyquist-Shannon-Theorem. Aus diesem leitet sich ab, dass die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss wie die höchste Frequenz des zu digitalisierenden Signals. Wenn also die höchsten Töne, die wir hören können, mit 20 kHz schwingen, muss gemäß diesem Theorem die Abtastfrequenz mindestens 40 kHz betragen, um wirklich alle Töne korrekt zu digitalisieren und zu dekodieren. Andernfalls kann das digitalisierte Signal nur fehlerhaft in ein analoges umgewandelt werden.
In diesem Video wird das Theorem genauer erläutert:
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44,1 kHz sind nicht das Ende der Fahnenstange
Die Entwicklung der Abtastrate hat nicht bei 44,1 kHz haltgemacht. Moderne Datenträger und Übertragungsverfahren ermöglichen es inzwischen, deutlich höhere Datenmengen zu verarbeiten. Verlustfreie Formate wie FLAC oder hochauflösende Mehrkanal-Standards übertreffen diesen Wert um ein Vielfaches.
Dolby True HD beispielsweise unterstützt ebenfalls sehr hohe Abtastraten. Es können also deutlich feiner digitalisierte Signale verarbeitet werden. Darüber hinaus können Audio-Master bessere Rekonstruktions- und Antialiasing-Filter einsetzen.
Die Abtastrate ist nicht der einzige Maßstab: Die Bittiefe
Während die Abtastrate die Frequenz der Samples beschreibt, gibt die Bittiefe an, wie viele Bits pro Sample verwendet werden. Oder anders ausgedrückt: Die Bittiefe sagt aus, wie genau oder wie hoch aufgelöst jedes einzelne Sample ist. Dabei wird die Amplitude bzw. der Dynamikumfang des analogen Signals zum Zeitpunkt des Samples bestimmt, also der Bereich zwischen dem schwächsten und dem stärksten Schalldruckpegel. Auf einer CD besitzt jedes Sample eine Tiefe von 16 Bit, wobei auch dieser Wert bei modernen Digitalstandards überschritten wird. Dolby True HD erreicht 24 Bit.
Häufige Fragen zum Thema Abtastrate
Dieser Wert stammt noch aus der Hochzeit des Fernsehens vor Einführung der CD. Schon damals wurde mit digitalisierten Stereo-Audiosignalen gearbeitet. Diese wurden mithilfe von speziellen Videorekordern und 16-Bit-Konvertern im Studio aufgezeichnet. Um unterschiedlichen Videostandards gerecht zu werden, musste die Abtastrate zwischen 40 und 45 kHz betragen. Sony entschied sich anhand einer komplexen Formel seinerzeit für eine Samplingrate von 44,1 kHZ – dies wurde später als Standard der CD gesetzt.
Beim digitalen Sampling kommen sogenannte Rekonstruktions- und Antialiasing-Filter zum Einsatz. Diese arbeiten nicht so perfekt, wie es das Nyquist-Shannon-Theorem vorsieht. Deshalb kann es zu Verzerrungen, insbesondere in den oberen Frequenzbereichen, kommen. Höhere Abtastraten verringern dieses Risiko, weswegen sie durchaus wahrnehmbare Vorteile mit sich bringen können.
Von CDs umgewandelte Audiodateien weisen in aller Regel die Standard-Abtastrate 44,1 kHz auf. Genuin digitale Formate können zwar deutlich mehr, hier entscheidet jedoch die Abwägung von technischem Aufwand und klanglichem Nutzen darüber, welche Abtastrate am besten geeignet ist. Inzwischen wird eine Rate von 48 kHz für Audiodaten immer häufiger, besonders im Videobereich. Diese Zahl wiederum geht auf das Digital Audio Tape (DAT) zurück, das bis heute in Tonstudios verwendet wird.
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Lesetipp: Weitere Informationen zu Netzwerkplayern findest du in unserm Blog (inklusive Videotutorial).
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Fazit: Die Abtastrate als Währung für digitale Soundformate
- Die Abtastrate gibt an, wie häufig von einem analogen Signal Signalproben (Samples) genommen werden.
- Das Nyquist-Shannon-Theorem besagt, dass für eine originalgetreue Digitalisierung die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein muss wie die höchste analoge Frequenz.
- CDs unterstützen Sampling-Raten von bis zu 44,1 kHz. Moderne Formate können dagegen 96 kHz und darüber hinaus wiedergeben.
- Die Bittiefe gibt an, wie die einzelnen Samples aufgelöst sind, und beeinflusst den digitalisierten Dynamikumfang.
- Während die Samples auf einer CD eine Auflösung von 16 Bit haben, erreicht beispielsweise Dolby True HD 24 Bit.
Titelbild: ©mtmmonline. Pixabay Lizenz. Quelle: Pixabay.
Yak
08. Jan. 2017, 18:01
Gut erklärt, Danke!
Nur: Wenn mein Gehør nur bis 20KHz reicht, wofür brauche ich dann Sample Rates über 44,1KHz? Und wenn beim Audio Editing auf 32bit umgerechnet wird, wie entstehen beim Konvertieren keine Fehler/Verluste, die das eigentliche Bearbeiten ad absurdum führen würden (also: mit EQ und Filter Størungen beseitigt, Sound ausgewogener gemischt, noch Kompressor und Limiter drauf, aber dann wird’s von vielleicht 96KHz, 32bit, auf 44,1KHz, 16bit runtergedithert)?
Und was war das mit den CD-Playern, die damit beworben wurden, daß sie was mit nur 1bit machen? Und was ist Dithering überhaupt? Und kann mein Kørper wirklich Frequenzen außerhalb des bewußten Hørens wahrnehmen…
Das kønnte eine lange Reihe werden.
( ^^)v
Soundhound
22. Nov. 2017, 4:28
ich zitiere: „…Nyquist-Shannon-Theorem. Aus diesem leitet sich ab, dass die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss wie die höchste Frequenz des zu digitalisierenden Signals. Wenn also die höchsten Töne, die wir hören können, mit 20 kHz schwingen, muss gemäß diesem Theorem die Abtastfrequenz mindestens 40 kHz betragen, um wirklich alle Töne korrekt zu digitalisieren und zu dekodieren“
So ich ich das verstehe leitet sich daraus die Antwort auf deine Frage ab!?
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