Digitale Aufnahme

Bei der digitalen Audioaufzeichnung handelt es sich um die Speicherung von Audio- oder Videosignalen als Folge binärer Ziffern, die auf Magnetband, optischen Datenträgern oder anderen Medien gespeichert werden können. Diese Technologie wird in der Musikindustrie und in vielen anderen Bereichen umfassend eingesetzt.

Um Ton aufzuzeichnen, wandelt ein Analog-Digital-Wandler eine elektrische Schallwelle von einem Mikrofon oder einem analogen visuellen Bild in Informationen um. Seit ihrem Aufkommen hat die digitale Technologie aufgrund ihrer Kostengünstigkeit und Benutzerfreundlichkeit langsam aber sicher analoge Geräte ersetzt. Heutzutage ist digitales Audio ein Standard für fast alle Studios, sowohl Profi- als auch Amateurstudios. Allerdings verstehen überraschend wenige Menschen wirklich, wie es funktioniert. Deshalb sprechen wir heute über die Grundlagen des digitalen Audios für die Musikaufnahme.

Schöpfungsgeschichte

Zwischen der Entdeckung des ersten Tonaufzeichnungsgeräts und der Einführung der digitalen Aufzeichnung vergingen einhundert Jahre. In dieser Zeit haben ständige technologische Fortschritte und endlose Innovationen von Wissenschaftlern und Technikern verschiedene Wellen der mechanischen Schallerfassung, -verarbeitung und -wiedergabe hervorgebracht. Mit der Erfindung von Computern und digitalem Ton machte die Tonträgerindustrie einen großen Schritt nach vorne. Es begann mit einfachen Zinnfolien und Wachszylindern, auf denen die Toninformationen durch die Aufnahmemembran von Grammophonen gesammelt und sorgfältig eingraviert wurden. Anschließend wurde die Entwicklung mit Kassetten fortgesetzt, die es dem Hörer ermöglichten, Mehrkanalsounds zu genießen.

Die Japaner waren die Pioniere der digitalen Aufzeichnung, denen es bereits Ende der 60er Jahre gelang, eine solche Aufzeichnung mit Magnetband zu konservieren und der Öffentlichkeit vorzuführen. Zehn Jahre später wurde der Audiorecorder von Sony vorgestellt. Es war in der Lage, aus analogem digitalen Ton zu machen und ihn auf VHS zu speichern. Dennoch wurde Musik weiterhin auf Vinyl verkauft.

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

Das Aufkommen von CDs ermöglichte es den Ingenieuren schließlich, die durch die Reibung zwischen der Nadel und dem Speichermaterial verursachten Geräusche zu beseitigen. Diese und viele weitere Vorteile führten dazu, dass CDs im späten 20. und frühen 21. Jahrhundert zu einem der beliebtesten Audioträger wurden. Die Musikindustrie stand CDs jedoch skeptisch gegenüber, da sie eine nahezu perfekte Klangqualität boten und von Benutzern leicht raubkopiert werden konnten. Um diese Probleme zu lösen, entwickelten sie 1987 ein weiteres digitales Medium namens Digital Audio Cassette (DAT). Dieses neue Format hatte in Nordamerika einen mäßigen Erfolg und gilt bis heute als eine der bevorzugten Methoden zur Manipulation professioneller Audioaufnahmen.

In den frühen Jahren des 21. Jahrhunderts wuchs der digitale Ton, der nicht an physische Medien gebunden war. Fortschritte bei Komprimierungscodecs (hauptsächlich MP3s), der Internetinfrastruktur und der Miniaturisierung persönlicher digitaler Player ermöglichten es Benutzern, ihre digitalen Aufnahmen überallhin mitzunehmen. Obwohl es Ende der 1990er Jahre einige einflussreiche MP3-Player gab, veränderte sich die Musikindustrie mit der Einführung des Apple iPod erheblich. Dabei handelt es sich um den äußerst beliebten Audioplayer, der den Grundstein für die heutigen digitalen Musikgeschäfte und die Internet-Vertriebsinfrastruktur für Kunden legte.

Vergleich zur analogen Aufnahme

Vor der digitalen Revolution in den 1970er Jahren waren nur analoge Aufnahmen weit verbreitet. Sie verwendeten verschiedene Methoden, die heute veraltet sind, wie z. B. Langspielplatten (LP), Achtspurbänder (auf Metall- oder Magnetband) und Audiokassetten. Vom frühen 20. Jahrhundert bis in die 1970er Jahre schien das analoge System ideal für die Aufnahme zu sein, aber mit der Computerrevolution am Ende des Jahrhunderts machten die hohe Geschwindigkeit und andere Eigenschaften der digitalen Verarbeitung die digitale Aufnahme nicht nur möglich, sondern für viele zunehmend geeigneter Anwendungen.

Eine wichtige Rolle spielen auch die stetig sinkenden Kosten durch die Massenproduktion von Computern, optischen Datenträgern, Laserplayern und anderen Geräten. Bei der digitalen Aufnahme ist es einfacher, eine Wiedergabe mit hoher Wiedergabetreue zu erreichen, da sie bei richtiger Implementierung einen großen Dynamikbereich sowie geringes Rauschen und Verzerrungen bietet.

Digitale Aufnahmeformate

Digitale Audiodateien können in verschiedenen Formaten erstellt werden. Im Allgemeinen lassen sie sich in zwei Kategorien einteilen – komprimiert und unkomprimiert.

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

Sounddateien können mit Sequenzern erstellt werden. Es gibt sowohl kostenpflichtige als auch kostenlose Dienste wie Amped Studio, mit dem Sie online Musik erstellen und bearbeiten, komplexe Mischungen erstellen, Stimmen aufnehmen und vieles mehr können. Die in diesem Programm erstellten Titel 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 qualitativ hochwertige Wiedergabe zu speichern, da zur Erzeugung von Audiodaten nur sehr wenig Verarbeitung erforderlich ist. Stärker komprimierte Formate können auf einigen Systemen zu Audioabstürzen führen.

AIFF – Apple-Standard

WAVE (oder WAV) – ein Standard für unkomprimiertes Audio in CD-Qualität auf Windows-Systemen, der die Aufzeichnung im PCM-Format verwendet. Die Aufnahme in CD-Qualität erfolgt mit einer Abtastrate von 44,1 kHz und 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 den Rundfunk verwendet.

Verlustfreie Kompression

Formate in dieser Kategorie enthalten vollständige Audioinformationen. Allerdings mit einer geringeren Dateigröße auf Kosten einer effizienteren Datenspeicherung.

Verlustfreies 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-Lizenzierung im freien Format.

Verlustbehaftete Komprimierung

MP3 – ein komprimiertes Audiodateiformat, 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 praktisch unhörbarer Teile der Audiodatei werden MP3-Dateien auf etwa ein Zehntel der Größe der entsprechenden PCM-Datei komprimiert, wobei eine 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 basierend auf AAC-Komprimierung.

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

OGG Ogg Vorbis – Ein patentfreies Open-Source-komprimiertes Audioformat.

Vor- und Nachteile der digitalen Aufzeichnung

Die digitale Technologie hat den Benutzern viele Möglichkeiten eröffnet. Um beispielsweise eine Aufnahme zu machen, musste man früher auf Studios zurückgreifen, die viel Platz beanspruchten und viel Geld kosteten. Jetzt brauchen Sie 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. Mit den heute verwendeten Programmen stehen Ihnen praktisch unbegrenzte Möglichkeiten zur Klangbearbeitung zur Verfügung, während früher hierfür echte Werkzeuge zum Einsatz kamen. Jetzt können Sie in Amped Studio mit nur wenigen Klicks einen einzigartigen Effekt erstellen.

Für normale Benutzer bietet die digitale Audioaufzeichnung auch eine Reihe von Vorteilen:

• viele Speichermedien sind sehr kompakt und können digitale Aufnahmen jahrelang auf Flash-Laufwerken, CDs usw. speichern;
• Mit einer speziellen Software können Sie alte Aufnahmen bereinigen und Rauschen entfernen.
• Darüber hinaus können alle Sounds bearbeitet werden, um Effekte, Lautstärke, Frequenz usw. hinzuzufügen.

Dank des Internets erhielten Benutzer die Möglichkeit, sich gegenseitig ihre Lieblingsmusikstücke zuzusenden, Zehntausende verschiedene Titel anzuhören und ihre eigenen Musikwerke zu veröffentlichen.

Analoge Systeme haben außerdem den Nachteil, dass die Verzerrung beim Abspielen und erneuten Aufnehmen zunimmt. Jede weitere Kopie wird schlechter zu hören sein. Bei einem digitalen Aufnahmesystem tritt diese Verzerrung nicht auf. Die Masteraufnahme kann minimale Quantisierungsfehler aufweisen, diese werden durch das Kopieren jedoch nicht verschlimmert. Ein digitaler Master kann Tausende von Kopien ohne Verzerrung erstellen. Ebenso können digitale Medien auf CDs tausende Male ohne Verzerrung abgespielt werden.

Sicherlich hat die digitale Technologie ihre Nachteile. Mit ihrer Entwicklung bemerkten viele Leute, dass analoge Aufnahmen einen eher „Live-Sound“ haben. Aber das ist nicht nur Nostalgie für die alten Zeiten. Es geht um die Digitalisierung, die dem Klang manchmal Fehler hinzufügt. Auch „Transistorrauschen“ kann seine eigenen Anpassungen vornehmen. Es gibt keine eindeutige Interpretation dieses Begriffs, aber seine Bedeutung ist eine chaotische Schwingung auf einem hochfrequenten Niveau. Obwohl das menschliche Ohr darauf ausgelegt ist, Frequenzen von nicht mehr als 20 kHz wahrzunehmen, scheint unser Gehirn auch höhere Frequenzen wahrnehmen zu können. Diese Funktion lässt uns denken, dass analoger Ton sauberer ist als digitaler Ton.

Darüber hinaus sind alle Aufzeichnungsträger aufgrund von Staub oder anderen Verunreinigungen fehlerhaft, die das Gerät daran hindern, Daten auf dem Medium zu erfassen. Bei der analogen Aufnahme machen sich Fehler als hörbares Rauschen bemerkbar, während sie bei der digitalen Aufnahme zu Fehlern im Bitstrom führen, 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.

Schlüsselbegriffe 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 Möglichkeit, große Audio-, Video- oder Datendateien auf kleinem Raum zu speichern.

Digitale Aufzeichnungsparameter

Zu den Parametern, die die Qualität einer digitalen Aufnahme beeinflussen, gehören:

• 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;
• Überabtastung.

Darüber hinaus spielen Einstellungen wie die folgenden eine wichtige Rolle:

• Wie viel Rauschen gibt es im Verhältnis zu den Signalen?
• Das Ausmaß der Verzerrung des nichtlinearen Typs;
• Intermodulationsstörungen;
• Amplituden- und Frequenzunregelmäßigkeiten;
• Der Prozess der gegenseitigen Kanaldurchdringung;
• Bereichsdynamik.

Beschreibung des digitalen Aufnahmeprozesses

Die Aufnahme erfolgt wie folgt:

1. Das analoge Signal wird an den ADC übertragen;
2. Die Umwandlung dieses Signals, bei der die analoge Welle viele Male gemessen wird. Anschließend wird ihm der Binärwert mit der Anzahl der Bits (Wortlänge) zugewiesen;
3. Dann gibt es eine Abtastung, also die Frequenz, bei der der ADC den Pegel der analogen Welle misst;
4. Die voreingestellte Wortlänge, bei der es sich um ein digitales Tonbeispiel handelt, stellt den Tonpegel von einer Sekunde dar;
5. Die Größe der Wortlänge bestimmt die Genauigkeit der Anzeige des Schallwellenformpegels;
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 Medienträgern gespeichert werden.

Die Art und Weise, wie die Wiedergabe erfolgt:

1. Zahlen werden vom Medienträger an den DAC gesendet, der sie durch Zusammenführen der Pegeldaten wieder in analoge Werte umwandelt. Dadurch wird die vorherige Form der analogen Wellenform wiederhergestellt;
2. Das Signal wird verstärkt und an Lautsprecher oder Bildschirme gesendet.

Abschluss

Die digitale Aufnahme 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 ist aus der heutigen Welt kaum noch wegzudenken.