Digitale Aufzeichnung

Digitale Audioaufzeichnung ist die Speicherung von Audio- oder Videosignalen als Folge von Binärziffern, die auf Magnetband, optischen Datenträgern oder anderen Medien gespeichert werden können. Diese Technologie wird in der Musikindustrie und in vielen anderen Bereichen intensiv genutzt.

Um Ton aufzunehmen, wandelt ein Analog-Digital-Wandler eine elektrische Schallwelle von einem Mikrofon oder ein analoges Bild in Informationen um. Seit ihrem Aufkommen hat die digitale Technologie aufgrund ihrer Kostengünstigkeit und Benutzerfreundlichkeit langsam aber sicher analoge Geräte ersetzt. Heute ist digitale Audioaufzeichnung der Standard in fast allen professionellen und Amateurstudios. Überraschenderweise verstehen jedoch nur wenige Menschen wirklich, wie sie funktioniert. Deshalb sprechen wir heute über die Grundlagen der digitalen Audioaufzeichnung für Musikaufnahmen.

Entstehungsgeschichte

Zwischen der Erfindung des ersten Tonaufzeichnungsgeräts und der Einführung der digitalen Tonaufzeichnung vergingen hundert Jahre. In dieser Zeit haben ständige technologische Fortschritte und endlose Innovationen von Wissenschaftlern und Technikern mehrere verschiedene Wellen der mechanischen Tonaufnahme, -verarbeitung und -wiedergabe hervorgebracht. Mit der Erfindung von Computern und digitalem Ton machte die Aufnahmeindustrie einen riesigen Schritt nach vorne. Es begann mit einfachen Zinnfolien und Wachszylindern, auf denen die Toninformationen durch die Aufnahmemembran von Grammophonen gesammelt und sorgfältig eingraviert wurden. Dann setzte sich die Entwicklung mit Kassetten fort, die es den Hörern ermöglichten, Mehrkanalton zu genießen.

Die Japaner waren die Pioniere der digitalen Aufzeichnung, denen es bereits Ende der 60er Jahre gelang, solche Aufnahmen mit Magnetband zu speichern und der Öffentlichkeit vorzuführen. Zehn Jahre später wurde der Sony-Audiorecorder vorgestellt. Er war in der Lage, aus analogen Signalen digitale Töne zu erzeugen und diese auf VHS zu speichern. Dennoch wurde Musik weiterhin auf Vinyl verkauft.

Ende der 1970er Jahre begann sich dies zu ändern, als Sony und Panasonic CDs vorstellten, ein echtes digitales Medium, das bis zu 150 Minuten hochwertigen Klang speichern konnte. Die CD speichert Informationen mithilfe einer dünnen Aluminiumfolie, auf die Millionen von Datenbits in einem Muster aufgedruckt sind, das von einem Laser gelesen und elektronisch in ein analoges Signal umgewandelt werden kann.

Das Aufkommen der CDs ermöglichte es den Ingenieuren endlich, die durch die Reibung zwischen der Nadel und dem Speichermedium verursachten Geräusche zu beseitigen. Dieser und viele andere Vorteile machten CDs zu einem der beliebtesten Tonträger des späten 20. und frühen 21. Jahrhunderts. Die Musikindustrie stand CDs jedoch skeptisch gegenüber, da sie eine nahezu perfekte Klangqualität boten und von den Nutzern leicht raubkopiert werden konnten. Um diese Probleme zu lösen, schuf sie 1987 ein weiteres digitales Medium namens Digital Audio Cassette (DAT). Dieses neue Format war in Nordamerika mäßig erfolgreich und ist bis heute eine der bevorzugten Methoden zur Bearbeitung professioneller Audioaufnahmen.

In den ersten Jahren des 21. Jahrhunderts kam es zu einem Wachstum des digitalen Klangs, der nicht an physische Medien gebunden war. Fortschritte bei Komprimierungscodecs (vor allem MP3s), der Internetinfrastruktur und der Miniaturisierung persönlicher digitaler Player ermöglichten es den Nutzern, ihre digitalen Aufnahmen überallhin mitzunehmen. Obwohl es bereits Ende der 1990er Jahre einige einflussreiche MP3-Player gab, veränderte sich die Musikindustrie mit der Einführung des Apple iPod erheblich. Dieser äußerst beliebte Audio-Player legte den Grundstein für die heutigen digitalen Musikshops und die Internet-Vertriebsinfrastruktur für Kunden.

Vergleich mit analogen Aufnahmen

Vor der digitalen Revolution der 1970er Jahre waren analoge Aufnahmen die einzigen, die weit verbreitet waren. Dabei kamen verschiedene Methoden zum Einsatz, die heute veraltet sind, wie Langspielplatten (LP), Acht-Spur-Kassetten (auf Metall- oder Magnetband) und Audiokassetten. Vom Beginn des 20. Jahrhunderts bis in die 1970er Jahre schien das analoge System ideal für Aufnahmen zu sein, aber mit der Computerrevolution am Ende des Jahrhunderts machten die hohe Geschwindigkeit und andere Eigenschaften der digitalen Verarbeitung digitale Aufnahmen nicht nur möglich, sondern auch für viele Anwendungen zunehmend geeignet.

Die stetig sinkenden Kosten aufgrund der Massenproduktion von Computern, optischen Datenträgern, Laserplayern und anderen Geräten haben ebenfalls eine wichtige Rolle gespielt. Mit digitalen Aufnahmen lässt sich leichter eine hohe Wiedergabetreue erzielen, da sie bei richtiger Umsetzung einen großen Dynamikbereich und geringe Geräusch- und Verzerrungswerte bieten.

Digitale Aufnahmeformate

Digitale Audiodateien können in einer Vielzahl von Formaten erstellt werden. Im Allgemeinen lassen sie sich in zwei Kategorien einteilen – komprimierte und unkomprimierte.

Komprimierte Formate (wie MP3) haben eine viel kleinere Dateigröße als unkomprimierte Formate, aber sie opfern die Klangqualität. Tragbare Geräte (wie MP3-Player) erzielen einen Kompromiss zwischen geringerer Qualität und der Möglichkeit, Tausende von Dateien zu speichern. Die Qualität von Streaming-Diensten (wie Spotify) kann verbessert werden, wenn Sie WLAN verwenden oder über eine gute Datenverbindung verfügen.

Audiodateien können mit Sequenzern erstellt werden. Es gibt sowohl kostenpflichtige als auch kostenlose Dienste wie Amped Studio, mit denen Sie online Musik erstellen und bearbeiten, komplexe Mixe erstellen, Stimmen aufnehmen und vieles mehr können. Die in diesem Programm erstellten Tracks können in verschiedenen digitalen Formaten gespeichert werden, auf die weiter unten eingegangen wird. Sie können Ihre Aufnahmen auch mit Ihren Freunden teilen und gemeinsam bearbeiten.

Unkomprimierte Formate

Solche Formate gelten als die beste Möglichkeit, Daten für eine hochwertige Wiedergabe zu speichern, da für die Erstellung von Audiodaten nur sehr wenig Verarbeitung erforderlich ist. Stärker komprimierte Formate können auf einigen Systemen zu Audioausfällen führen.

AIFF – Apple-Standard

WAVE (oder WAV) – ein Standard für unkomprimierte Audioaufnahmen in CD-Qualität auf Windows-Systemen, der das PCM-Format verwendet. Aufnahmen in CD-Qualität haben eine Abtastrate von 44,1 kHz mit einer Auflösung von 16 Bit.

Dateigröße: ca. 10,1 MB pro Minute. Dieser Wert ist für alle WAV-Dateien in CD-Qualität gleich, da die Dateigröße nur von der Dateilänge und nicht vom Audioinhalt abhängt.

BWF (Broadcast Wave Format) – wird in tragbaren Audiorecordern und digitalen Audio-Workstations für Rundfunkzwecke verwendet.

Verlustfreie Komprimierung

Formate dieser Kategorie enthalten vollständige Audioinformationen. Allerdings wird die Dateigröße auf Kosten einer effizienteren Datenspeicherung reduziert.

Verlustfrei WMA (Windows Media Audio) – entwickelt mit der Möglichkeit der digitalen Rechteverwaltung (DRM) zum Schutz vor Kopieren.

ALAC (Apple Lossless Audio Codec) – seit 2011 Open Source und kostenlos nutzbar (obwohl es ursprünglich Apple gehörte).

FLAC (Free Lossless Audio Codec) – Open Source, kostenlose Formatlizenzierung.

Verlustbehaftete Komprimierung

MP3 – ein komprimiertes Audio-Dateiformat, das von der Motion Picture Expert Group (MPEG) als Teil ihres MPEG1-Videostandards entwickelt und später zum MPEG2 Layer 3-Standard erweitert wurde.

Durch die Eliminierung der praktisch unhörbaren Teile der Audiodatei werden MP3-Dateien auf etwa ein Zehntel der Größe der entsprechenden PCM-Datei komprimiert, wobei die gute Klangqualität erhalten bleibt.

Es gibt zwei Parameter, die Sie anpassen können, um die Qualität und Größe der MP3-Datei zu ändern:

• Bitrate;
• Abtastfrequenz.

MP4 oder M4A – ein Nachfolger von MP3, der auf der AAC-Komprimierung basiert.

M4P – Eine proprietäre Version von AAC im MP4-Format mit digitaler Rechteverwaltung, die von Apple für die Verwendung von Musik entwickelt wurde, die aus dem iTunes Music Store heruntergeladen wurde.

OGG Ogg Vorbis – Ein patentfreies, quelloffenes komprimiertes Audioformat.

Vor- und Nachteile der digitalen Aufnahme

Die digitale Technologie hat den Nutzern viele Möglichkeiten eröffnet. Früher musste man beispielsweise für Aufnahmen Studios nutzen, die viel Platz beanspruchten und viel Geld kosteten. Heute braucht man nur noch einen leistungsstarken Computer, der um ein Vielfaches leistungsfähiger ist als ein Studio und viel weniger kostet.

Diese Zugänglichkeit ermöglicht es nicht nur Profis, sondern auch Amateuren, Tonaufnahmen zu machen. Die heute verwendeten Programme bieten Ihnen praktisch unbegrenzte Möglichkeiten der Tonbearbeitung, während früher dafür echte Werkzeuge verwendet wurden. Jetzt können Sie mit nur wenigen Klicks in Amped Studio einen einzigartigen Effekt erzielen.

Für normale Nutzer hat die digitale Audioaufnahme ebenfalls eine Reihe von Vorteilen:

• Viele Speichermedien sind sehr kompakt und können digitale Aufnahmen jahrelang auf Flash-Laufwerken, CDs usw. speichern.
• Mit spezieller Software können Sie alte Aufnahmen bereinigen und Störgeräusche entfernen.
• Außerdem können alle Töne bearbeitet werden, um Effekte, Lautstärke, Frequenz usw. hinzuzufügen.

Dank des Internets haben Nutzer die Möglichkeit, sich gegenseitig ihre Lieblingsmusik zu schicken, Zehntausende verschiedener Titel anzuhören und ihre eigenen Musikwerke zu veröffentlichen.

Analoge Systeme haben außerdem den Nachteil, dass die Verzerrung mit jedem Abspielen und erneuten Aufnehmen zunimmt. Jede weitere Kopie klingt schlechter. Bei einem digitalen Aufnahmesystem tritt diese Verzerrung nicht auf. Die Masteraufnahme kann minimale Quantisierungsfehler aufweisen, diese werden jedoch durch das Kopieren nicht verschlimmert. Von einem digitalen Master können Tausende von Kopien ohne Verzerrung angefertigt werden. Ebenso können digitale Medien auf CDs Tausende von Malen ohne Verzerrung abgespielt werden.

Natürlich hat die digitale Technologie auch ihre Nachteile. Mit ihrer Entwicklung begannen viele Menschen zu bemerken, dass analoge Aufnahmen einen „live-ähnlicheren Klang” haben. Aber das ist nicht nur Nostalgie für die alten Zeiten. Es geht um die Digitalisierung, die manchmal Fehler in den Klang einbringt. Außerdem kann „Transistorrauschen” eigene Anpassungen vornehmen. Es gibt keine einheitliche Interpretation dieses Begriffs, aber seine Bedeutung ist eine chaotische Schwingung auf einer hohen Frequenzebene. Obwohl das menschliche Ohr so konstruiert ist, dass es Frequenzen von nicht mehr als 20 kHz wahrnehmen kann, scheint unser Gehirn auch höhere Frequenzen wahrnehmen zu können. Diese Eigenschaft lässt uns denken, dass analoger Klang sauberer ist als digitaler Klang.

Darüber hinaus sind alle Aufzeichnungsträger aufgrund von Staub oder anderen Verunreinigungen, die die Geräte daran hindern, Daten auf dem Medium zu erfassen, unvollkommen. Bei analogen Aufzeichnungen treten Defekte als hörbares Rauschen auf, während sie bei digitalen Aufzeichnungen Fehler im Bitstrom verursachen, die zu Rauschen oder Wiedergabefehlern führen können. Um dieses Problem zu lösen, werden Fehlerkorrekturcodes in den Datenstrom eingebettet. Einige dieser Codes können sehr komplex sein und führen außerdem dazu, dass die Daten mehr Speicherplatz beanspruchen. Das Ergebnis ist jedoch eine äußerst zuverlässige Disc-Wiedergabe mit einem angemessenen Maß an Staub und Kratzern.

Wichtige Begriffe bei der digitalen Aufzeichnung

Bits und Bytes

Ein Bit ist das kleinste Element, das Daten im Computerspeicher enthält. Acht Bits bilden ein Byte, das von Computern als Ganzes behandelt wird.

Hohe Dichte

Das bedeutet die Fähigkeit, große Audio-, Video- oder Datendateien auf kleinem Raum zu speichern.

Parameter der digitalen Aufzeichnung

Parameter, die die Qualität einer digitalen Aufnahme beeinflussen, sind:

• Die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers (ADC) und des Digital-Analog-Wandlers (DAC);
• Die Abtastraten des ADC und DAC;
• Jitter (Signalverzerrung) von ADC und DAC;
• Oversampling.

Darüber hinaus spielen folgende Einstellungen eine wichtige Rolle:

• Wie viel Rauschen im Verhältnis zu den Signalen vorhanden ist;
• Der Grad der nichtlinearen Verzerrung;
• Intermodulationsstörungen;
• Amplituden- und Frequenzunregelmäßigkeiten;
• Der Prozess der gegenseitigen Kanalüberlagerung;
• Reichweitendynamik.

Beschreibung des digitalen Aufzeichnungsprozesses

Die Aufzeichnung erfolgt wie folgt:

1. Das analoge Signal wird an den ADC übertragen;
2. Die Umwandlung dieses Signals, bei der die analoge Welle mehrfach gemessen wird. Danach wird ihr der Binärwert mit der Anzahl der Bits (Wortlänge) zugewiesen;
3. Dann erfolgt eine Abtastung, d. h. die Frequenz, mit der der ADC den Pegel der analogen Welle misst.
4. Die voreingestellte Wortlänge, die eine digitale Tonprobe darstellt, repräsentiert den Tonpegel einer Sekunde.
5. Die Größe der Wortlänge bestimmt die Genauigkeit der Anzeige des Schallpegels.
6. Die Frequenz des digitalen Signals hängt von der Tonhöhe der Abtastrate ab.
7. Die resultierenden digitalen Audio-Samples, die einen konstanten Zahlenstrom darstellen, werden an den ADC ausgegeben.
8. Die resultierenden Binärzahlen können dann auf verschiedenen Datenträgern gespeichert werden.

So funktioniert die Wiedergabe:

1. Die Zahlen werden vom Datenträger an den DAC gesendet, der sie durch Zusammenführen der Pegeldaten wieder in analoge Daten umwandelt. Dadurch wird die analoge Wellenform in ihrer ursprünglichen Form wiederhergestellt.
2. Das Signal wird verstärkt und an Lautsprecher oder Bildschirme gesendet.

Fazit

Die digitale Aufzeichnung hat die Musikindustrie und darüber hinaus revolutioniert und ihren analogen Vorgänger in die Geschichte verbannt. Dank ihrer Vorteile und Erschwinglichkeit hat die Technologie in vielen Bereichen Anwendung gefunden, und eine Welt ohne sie ist heute kaum noch vorstellbar.