Autor Thema: Grundlagen des Samplings  (Gelesen 4375 mal)

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Offline T061

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Grundlagen des Samplings
« am: 30. Oktober 2003, 16:41:40 »
Wo bleibt eigentlich das "User schreiben was allgemeines für User"-Forum?

Ich wurde in der letzten Zeit öfters wegen Soundkarten gefragt.
Die meisten wissen offenbar nicht genau was jetzt kHz-Angaben, CD-Qualität oder 24/96 tatsächlich heißt.
Deswegen erklär ichs jetzt einmal, also aufgepaßt!  ;D ;D

Was ist Schall überhaupt?
Schall ist bewegte Luft.
Irgendein Gegenstand schwingt, überträgt die Schwingungen durch die Luft, und wenn sie im Ohr ankommen, nehmen wir das als Schall wahr!
Zumindest wenn die Schwingungen bzw. Schallwellen im hörbaren Bereich liegen, der sich so von 20 bis 17000 Hz erstreckt. Also der Gegenstand muß in diesem Bereich schwingen. Wenn etwas richtig ideal sinusmäßig schwingt, dann hören wir einen Piepston. Das kommt in der Natur aber nie vor; durch die verschiedenen Körper und Formen der Gegenstände werden verschiedenste Schwingungen erzeugt, die sich gegenseitig überlagern. So kommen die normalen Geräusche zustande, die wir kennen.

Daraus ergibt sich: Auch ein Lautsprecher schwingt genau mit diesen Schwingungen, wenn er Töne wiedergibt.
Ein Standard-Lautsprecher wird für gewöhnlich mit zwei Kabeln mit dem Verstärker verbunden:

Diese sind mit + und - beschriftet.

Wenn die Lautsprechermembran (das runde "Pappteil") sich nicht bewegt, an liegt an diesem Kabel keine Spannung an:


Wenn sich der Lautsprecher beispielsweise kurz nach oben bewegt und dann wieder zurückgeht, könnte z.B. folgender Spannungsverlauf an den Kabeln zu messen gewesen sein:


Umgekehrt gilt dann das gleiche, dann hat halt eine negative Spannung an den Kabeln angelegen:


Spielt er Musik, könnte der zeitliche Spannungsverlauf an den Kabeln so aussehen:

Meistens ist der Verlauf natürlich noch komplexer. ;)

Wenn das unten Musik sein soll, wäre das Bild drüber bei gleichem Maßstab der elektrische Verlauf eines sehr tiefer Tons!

zentrale Erkenntnis:
Man kann also sehen, daß alle Schallwellen, die ein Lautsprecher ausspuckt, vorher in elektrischer Forn vorhanden gewesen sein müssen. Der Lautsprecher bewegt sich genau so, wie das elektrische Signal, daß an seinen Anschlüssen anliegt. Das ist das, was eine Lautsprechermembran ihr Leben lang tut! Sich dem anliegenden Signal entsprechend bewegen und so ein elektrisches Signal sozusagen hörbar machen.

Sein Gegenstück ist das Mikrofon. Es verwandelt Schallwellen, die an seiner Membran ankommen, in das entsprechende elektrische Signal.

Die -in diesem Falle- Mikrofonmembran wird runtergedrückt und eine in dem Fall negative Spannung kommt raus.

Mit der Spannung, die vom Mikrofon kommt kann man u.a. folgendes machen:

1) Ich kann die ziemlich kleine Spannung(Signal) an nen Verstärker schicken, der sie an eine ziemlich große, die Lautsprecher betreiben kann, umwandelt. Dann Verbinde ich diese hohe Spannung(Signal) mit Lautsprecherboxen, und jeder kann mich singen hören. ;D ;D

2) Ich bring sie auf eine geignete Größe, um damit Magnetbänder zu magnetisieren.
Dazu benutze ich einen Magnetschreibkopf, der das laufende Magnetband bei hoher Spannung stark magnetisiert und bei schwacher Spannug(Signal) schwach. Später lasse ich einen Lesekopf drüberlaufen, der entsprechend der Magnetisierung eine Spannung/Signal ausgibt, was ich wiederum mit nem Verstärker und Lautsprecherboxen wie oben beschrieben hörbar machen kann. Das wäre die klassische Tonbandaufzeichnung. :)

3) Ich wandel die Schallwellen die elektrisch vorliegen, in digitale Meßdaten um!
Als erstes leg ich hierzu einen Meßbereich fest, welchen Spannungsbereich ich -positiv und negativ- akzeptieren will:

Durch Verstärkung oder Abschwächung bring ich alle reinkommenden Signale in diesen Bereich.
Dieser Bereich ist letztlich vom Analog-Digital-Wandler abhängig, den ich verwende. Er ist das entscheidende Bauteil, wenn es darum geht, analoge Signale digital zu erfassen! Dazu ist er nämlich da! :P
Er nimmt Spannungswerte, die von einem analogen Sensor kommen (das kann ein Temperatursensor sein, oder eben ein Mikrofon...) und spuckt digitale Daten aus. Ein 8Bit Analog-Digital-Wandler sortiert die Meßwerte, die er bekommt, auf einer digitalen Skala zwischen 0 und 256( =2^8, 8 Bit, 256 verschiedene Kombinationen möglich!) ein. Diese Werte lassen sich dann auf der Schaltung bzw im PC weiterbearbeiten. Beispiel: Er mißt von 0-1V: Liegen 0V an ihm an, kommt eine digitale 0 raus. Liegt knapp 1V an, spuckt er 255 aus. Bei 0,5V: 127. Bei 0.25V: 64. usw.
Und genauso kann man auch unsere Schallsignale vom Mikrofon erfassen!  :D
Ich messe die Spannung und schreibe den Wert vom Wandler in den Speicher.
Da genausoviele positive wie negative Spannungen auftreten, wäre es sinnvoll, die 0V in die Mitte zu legen.
Man könnte es z.B. auch so machen:

Der Einfachheit halber hab ich mal 0 auf 0 gelegt und den Ausgabebereich von -128 bis 128 laufen lassen. Das sind aber trotzdem 256 verschiedene mögliche Werte, in die sich ein Meßwert quasi einsortieren läßt.

Ein Problem gibt es aber noch: Das Signal ist schließlich nicht konstant, sondern verändert sich laufend! >:( D.h. wir müssen gerade bei Schall bzw. Geräuschen, sehr oft messen! z.B. 11000 Meßwerte (Samples) pro Sekunde erfassen:

Das haben wir hier getan. Wir haben mit dem PC bzw. der Soundkarte bzw. den darauf verbauten Wandlern 11000 Meßwerte pro Sekunde erfaßt und sie jeweils in einem 8 Bit -Bereich zwischen 0 und 256 bzw zwischen -128 und +128 einsortiert.

Oben abgebildet ist also grafisch der Verlauf einer Meßwerte-Datei, auch WAVE-Datei .WAV genannt, die mit Mono, 11kHz Samplingfrequenz und 8Bit aufgenommen wurde.

So, jetzt wißt ihr was das heißt! 8)

Wenn ihr jetzt ne Wav-Datei mit nem Wave-Editor öffnet, ist das Kuddelmuddel, das die Datei darstellen soll, genau die grafische Darstellung der Meßwerte!
Samplingfrequenz und Bitrate beschreiben deren Auflösung bzw Exaktheit!
Bei Stereo werden einfach zwei Kanäle gleichzeitig erfaßt.

Wenn ihr so eine Datei mal aufnehmt, werdet ihr feststellen, daß es ziemlich dumpf und schlecht klingt. :} Eine CD klingt deutlich besser!
Warum? Wegen 44kHz Samplingfrequenz und 16 Bit Auflösung!
Das ergibt dann folgendes Bild:

Wie ihr seht ist so eine CD deutlich feiner aufgelöst!
Die Meßwerte werden irgendwo zwischen 0 und 65535 (16 Bit, 2^16=65535 darstellbare Werte) einsortiert und 44000 mal pro Sekunde gemessen! :o 8)

Nochmal ein Vergleich:


gegen die CD:

Das hört man natürlich.
Warum? z.B. hier:

Hier wechseln die Samples fortlaufend. Wie man sehen kann, ist also die mit einer Samplingrate darstellbare maximale Schallfrequenz gleich Samplingrate/2. Das bedeutet für 11khz maximal Töne bis 5500Hz, was man natürlich deutlich hört, während die mit 44kHz maximal aufzeichnebaren 22kHz schon außerhalb des hörbaren liegen.

(Nebenbei, wenn man Sampling am PC mit ner Bandaufzeichnung vergleicht, ist die Samplingrate vergleichbar mit der Bandgeschindigkeit (viele Meßwerte pro Sekunde<>viel Band pro Sekunde...))

So ich hoff mal ich konnte etwas Licht ins Dunkel des Samplings bringen und hoff doch mal daß das User helfen Usern-Forum bald kommt!
*drängel*

Wahrscheinlich stimmt das meiste eh nicht exakt, also Elektroniker, bitte nicht schlagen! Aber das Prinzip müßte richtig sein!
 ;) ;D
« Letzte Änderung: 19. Februar 2004, 14:09:14 von scf2008 »

Offline Wolfgang

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Diskussion zu: Grundlagen des Samplings
« Antwort #1 am: 30. Oktober 2003, 21:27:53 »
Hast du fein hingekriegt  :DD
Um es exakter darzustellen reicht wohl auch hier der Platz nicht aus.
Als kleine Ergänzung dazu :
Das Beschriebene ist sozusagen die "Urform" der digitalen Tonaufzeichnung. Andere Formate benutzen Datenreduktion.
Dabei wird zwischen mehreren Samples die Tendenz der einzelnen Werte (größer oder kleiner) errechnet und dann z.B. jeder 3. Sample einfach weggelassen (bei der Speicherung = Kodierung) und später wieder dazugerechnet (Dekodierung).
Damit sind die zu speichernden Datenmengen kleiner und am Hörgenuß ändert es bei mäßiger Datenreduktion auch nicht sehr viel.
« Letzte Änderung: 18. Februar 2004, 21:55:03 von scf2008 »

Offline Warmmilchtrinker

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #2 am: 30. Oktober 2003, 22:20:58 »
Daraus sollten wir ein sticky machen.

@Tobi:

Haste fein gemacht, dafür gibts nen Keks  ;D
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Offline Wolfi

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #3 am: 31. Oktober 2003, 16:17:19 »
die erklärung ist echt genial. :D

hoffentlich kommen noch mehr davon

Offline le_frog

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #4 am: 02. November 2003, 20:16:10 »
Wo bleibt eigentlich das "User schreiben was allgemeines für User"-Forum?

Jo, sowas braucht mindestens ein eigenes Topic!!!
« Letzte Änderung: 02. November 2003, 20:23:44 von le_frog »
http://www.helpjulian.com/
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Offline Daniel

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #5 am: 03. November 2003, 07:59:50 »
Sehr schön find ich das! Besonders das du mit den Bildern auch noch Rücksicht auf die Legastheniker genommen hast!
mfg
Daniel
All suspects are guilty, period. Otherwise they wouldn´t be suspects, would they?
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Offline CitGod

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #6 am: 03. November 2003, 16:31:57 »

Jo, sowas braucht mindestens ein eigenes Topic!!!

äh Frog, wenn noch mehr zusammenkomtm setz iuch mich für ein neues Forum ein das solche Sachen enthält, also los los reinhängen ;)
« Letzte Änderung: 03. November 2003, 16:32:25 von Boris F. »

Offline Wolfi

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #7 am: 03. November 2003, 16:36:36 »
Wenn ich mal Zeit habe werde ich eine Studie zu Fruchtfliegen und den effektivesten Beseitungsmethoden machen und hier reinstellen. ;D
Dazu müssen aber erst wieder die Viecher kommen und ich muss Zeit haben.  :}

Offline Jürgen

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #8 am: 04. November 2003, 23:03:32 »
Ich schick' Dir ein paar Weintrauben zum Anlocken;D

73,
Jürgen
______
Gruß,
Jürgen

GloomY (3DC)

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #9 am: 26. November 2003, 17:08:14 »
Der Einfachheit halber hab ich mal 0 auf 0 gelegt und den Ausgabebereich von -128 bis 128 laufen lassen. Das sind aber trotzdem 256 verschiedene mögliche Werte, in die sich ein Meßwert quasi einsortieren läßt.
Von -128 bis +128 sind es aber 257 Werte (128 negative, 128 positive und die Null). [/Klugscheiss]

Ansonsten sehr schön erklärt :)

Oder kurz: Sampling wandelt ein kontinuierlichen Signal in (viele) diskrete Werte um.

Offline Wolfgang

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #10 am: 26. November 2003, 18:40:48 »
Hier kann noch einer klugscheissen :
wenn man die 0 als wert mitrechnet sind es nach beiden Seiten nur 127 bit, also zusammen 255, 256 wäre eine Zweierpotenz weiter !!! :}

Nichts gegen dich, T061  ;) 8)

Offline T061

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #11 am: 26. November 2003, 23:32:26 »
Ich weiß, ich weiß.. Es gibt natürlich insgesamt 256 verschiedene Möglichkeiten, die 8 Bits eines Bytes zu kombinieren. Dh, wenn man bei 0 anfängt, zu zählen kommt man nur bis 255...
Aber diese Details wollte ich mir hier sparen, mir ging es halt ums Grundprinzip! ;)

Offline Wolfgang

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Re:Grundlagen des Samplings
« Antwort #12 am: 26. November 2003, 23:38:04 »
Nee, laß' mal - ist schon gut  ;) ::)
Wenn man soooo "klugscheißt"...........................das mußte dann sein  ;D
« Letzte Änderung: 26. November 2003, 23:39:12 von Oldman »

Offline scf2oo8

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Re:Diskussion zu: Grundlagen des Samplings
« Antwort #13 am: 19. Februar 2004, 14:10:58 »
Bilder sind jetzt wieder dabei...

 

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