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abgetastet. Die dabei
gemessenen Amplitudenwerte werden als binärer Zahlenwert dargestellt. Somit wird der
ursprünglich zeitkontinuierliche und wertekontinuierliche Schallwellenverlauf in eine zeit-
und wertediskrete Folge von Zahlen umgewandelt. Gespeichert wird also nicht der
gesamte Wellenverlauf mit einer unendlichen Anzahl an Amplitudenwerten,
sondern ein in vordefinierten Zeitabständen gemessenes Gerüst des Signals.
Abhängig von der Engmaschigkeit der gewählten Rasterung kann dennoch der
gesamte, für das menschliche Ohr bedeutsame Informationsgehalt eines akustischen
Signals erfasst werden. Die für die Qualität des Messvorgangs relevanten Bereiche
sind die Abtastrate und die Abtasttiefe. Hinzu kommen diverse Verfahren zur
Fehlerkorrektur.
Die Abtastrate (auch Sampling-Rate) entspricht der Frequenz der in einem bestimmten Zeitraum gemessenen Wellenpegel. Gemäß dem von Claude Shannon schon 1948 errechneten Abtasttheorem muss die Anzahl der pro Sekunde genommenen Amplitudenausschnitte mindestens das Doppelte der höchsten im Signal enthaltenden bzw. hörbaren Frequenz betragen. Bei Zugrundelegung einer durchschnittlichen menschlichen Hörobergrenze von 20 000 Hz wird somit eine Wellenabtastung von 40 000 Einzelwerten/Sek. benötigt, um einen unverfälschten Höreindruck zu gewährleisten. Die bei Audio-CDs genutzte Samplingrate beträgt 44,1 KHz (Nyquist-Frequenz), liegt mit 44 100 Abtastungen/Sek. also noch oberhalb dieser Grenze. Zwischen den einzelnen Abtastpunkten wird der jeweils gemessene Wert dann nicht kontinuierlich, wie im analogen Signal, sondern ohne Veränderung weitergeführt (Sample&Hold), was bei grafischer Darstellung ein treppenartiges Gebilde ergibt. Die Abtasttiefe ist definiert durch die Anzahl der pro Abtastvorgang möglichen vertikalen Abstufungen, also den Messpunkten des Dynamikpegels (Quantisierungsstufen). Die Qualität der Abtasttiefe hängt von der jeweils möglichen Bit-Auflösung des Analog/Digitalwandlers ab. Ein Bit (von Binary Digit) ist eine Stelle einer binären Zahl, also entweder 0 oder 1. Bei einer Auflösung von acht Bit, also einer achtstelligen Ziffernreihe ist somit eine Stufung des Abtastvorgangs in 28, d. h. 256 Unterpunkten möglich. Die Norm für Audio-CDs beträgt 16 Bit, was einer Unterteilung von 216 bzw. 65 536 Punkten entspricht. Bei einer Abtastrate von 44,1 kHz umfasst ein Stereo-Signal damit knapp über 1,41 Millionen Bits pro Sekunde. Allerdings wird der volle Bereich nicht ausgeschöpft, da im oberen Dynamikbereich Reserven für etwaige Übersteuerungen frei gehalten werden (Headroom). Auch bei einer vergleichsweise hohen Rasterung bei der Abtastung von Frequenz und Amplitude sind Fehler bei der Erfassung des akustischen Signals nicht vollends vermeidbar. Sind beispielsweise Frequenzen vorhanden, die höher sind als die Hälfte der pro Sekunde genommenen Abtastungen, entstehen als Folge im Original nicht vorhandene Scheinfrequenzen (Aliasing). Deren Wert ergibt sich aus der Differenz von Originalfrequenz und Abtastfrequenz. Aliasing-Effekte lassen sich durch die Verwendung spezieller Tiefpassfilter umgehen, die alle Frequenzen im kritischen Bereich ausfiltern. Problematischer sind die Ungenauigkeiten, die bei der stufigen Abtastung des Amplitudenpegels auftreten. Da dessen Rasterung immer nur in ganzen Zahlen erfolgt und keine Nachkommastellen erlaubt, müssen Zwischenwerte auf- oder abgerundet werden. Je nach Differenz des gemessenen Wertes zum Originalsignal treten Störsignale auf, die sich als Rauschen (Quantisierungsrauschen) |