Beim Digitaliseren werden Schwingungen nicht analysiert, sondern in ihrer Gesamtheit als absoluter Wert erfaßt. Dazu tastet ein ADC-Wandler (Analog-Digital-Converter) das analoge Signal mit einer vorgegebenen Häufigkeit ab und wandelt das Ergebnis in Zahlen um. Dieser Vorgang wird üblicherweise mit dem englischen Begriff "samplen" bezeichnet.

Abbildung: Schwingungen digitalisieren

Schwingungen digitalisieren

Die Qualität diser Abtastung ist direkt abhängig von der Anzahl der Abtastungen und der Bitbreite, mit der die Ausschlagswerte abgespeichert werden.

Qualität der Digitalisierung

Die Anzahl der Abtastungen pro Sekunde wird als Samplefrequenz bzw. Samplerate bezeichnet. Eine Samplerate von 5.000 bedeutet, daß das analoge Signal 5.000 Mal pro Sekunde abgetastet wird. Je höher diese Rate, desto höher ist folglich die Qualität des Samples. Allerdings steigt mit der Samplerate auch die Flut der Daten.

Samplerate

Für CD-Audio wird beispielsweise eine Abtastfrequenz von 44.100 Herz mit 16 Bit Breite verwendet. Das bedeutet, daß pro Sekunde 88.200 Byte pro Kanal anfallen; für ein Stereo-Signal also 176.400 Byte pro Sekunde. DAT-Recorder gehen teilweise noch höher und samplen mit 48.000 Herz.

Beispiel

Neben der Samplefrequenz spielt die Bitbreite des Samples eine große Rolle. Denn auf Basis der Bitbreite pro Sample ergibt sich die maximale Anzahl der Abstufungen, zwischen denen die Abtastung unterscheiden kann. Bei einer Auflösung von 16 Bit können 65.536 verschiedene Werte unterschieden werden. Bei 8 Bit reduziert sich diese Auflösung bereits auf 32.768. Obwohl dies auf den ersten Blick immer noch recht hoch erscheint, führt es bereits zu hörbaren Qualitätseinbußen, da gegenüber 16-Bit-Samples immer 2 Ausgangswerte einem Zielwert zugeordnet werden. Hierbei ist ferner zu berücksichtigen, daß die analogen Meßwerte ursprünglich Dezimalzahlen waren, die auf natürliche Zahlen gerundet werden müssen.

Bitbreite

Manche Soundkarten verwenden für das Hardware-gestützte Komprimieren von Audio-Daten teilweise 3 und 4 Bit breite Samples, die also nur noch 8 bzw. 16 verschiedene Werte darstellen können. Diese Verfahren sind allenfalls noch für Sprachdaten tauglich und finden auch in computergestützten Sprachsystemen (Voice-Mail) Anwendung. Für Musikwiedergabe ist die Qualität jedoch entschieden zu niedrig.

Hardware-Kompression auf Soundkarten

Bei der großen Datenmenge, die beim Samplen anfällt, stellt sich die Frage, wieweit die Samplefrequenz herabgesenkt werden kann, ohne daß dies die Qualität nachhaltig beeinträchtigt. In der Praxis wurde dafür eine einfache Formel entwickelt: Die Samplerate sollte das Doppelte der höchsten Abtastfrequenz betragen.

Optimale Samplerate

Ist die höchste auftretende Frequenz 4.000 Herz, sollte die Samplerate mindestens 8.000 Herz betragen.

Damit rechtfertigt sich nachträglich auch die Samplefrequenz für CD-Audio: Die Hälfte von 44.100 Herz ist 22.050 Herz, was deutlich über dem liegt, was ein normaler Mensch hören kann.

Beispiel

Das Abspielen digitaler Töne ist der umgekehrte Vorgang zum Samplen. Jetzt wird ein DAC-Wandler (Digital-Analog-Converter) tätig, der die digitalen Frequenzwerte wieder in eine analoge Schwingung umsetzt. Entspricht die Abspielfrequenz der bei der Aufnahme verwendeten Abtastfrequenz, wird das Musikstück authentisch wiedergegeben. Durch Verändern der Abspielfrequenz kann man den Ton jedoch auch schneller oder langsamer abspielen.

Digitale Töne abspielen

Das Samplen entspricht einer normalen Aufnahme, wie sie beispielsweise auch mit einem Kassettenrecorder erfolgt. Allerdings ermöglicht der digitale Recorder ein nahezu beliebiges Manipulieren der Daten. Die Musik-Sequenzen können digital geschnitten und umkopiert werden, ohne daß häßliches Rauschen entsteht. Einzelne Passagen lassen sich verfremden und filtern.

Musik-Manipulation

Neben dem Samplen spielt auch das computergesteuerte Erzeugen von Tönen eine große Rolle. Dies erfolgt in der Regel über die sogenannte FM-Synthese (Frequenz-Modulation). Der Grundgedanke der FM-Synthese besteht darin, daß eine künstliche Tonquelle Schwingungen erzeugt, die so aufgebaut sind, daß sie denen von natürlichen Instrumenten erzeugten ähnlich sind. Dazu werden üblicherweise Operatoren verwendet, beispielsweise Yamahas OPL-Chips, die unter anderem in der SoundBlaster-Soundkarte eingebaut sind. Gesteuert werden diese Operatoren durch die Beschreibung des Fequenzgangs und des Lautstärkeverlaufs, die zusammen den Chakter des Klangs bilden.

Töne digital erzeugen

Neuere Ansätze versuchen natürliche Klänge durch mathematische Formeln zu beschreiben, die die bisher verwendete aufwendige Klangerzeugung der FM-Synthese durch einfache Modelle ersetzen sollen. Allerdings steckt diese Technologie noch in den Kinderschuhen.

Mathematischer Ansatz

Eine in der Praxis wesentlich größere Bedeutung hat inzwischen die sogenannte WAVE-Table-Synthese erlangt. Hinter diesem Begriff verbirgt sich eine Technologie, die aus dem Bereich der Studio-Sampler stammt. In den ROM-Speicher des Sounderzeugers wird ein Sample eines natürlichen Geräts eingespeichert, das zur Zeit des Abspielens abgerufen wird. Damit umgeht man das fehlerbehaftete Erzeugen des Klangbildes, indem einfach eine Aufnahme des Klangbildes wiedergegeben wird.

WAVE-Table-Synthese

Dazu ist natürlich mehr als nur ein reines Abspielen erforderlich, denn Instrumente klingen je nach Tonlage anders. Ein tiefes C auf dem Klavier klingt anders als ein zwei Oktaven höher angesiedeltes A, so daß mehrere Samples pro Klang erforderlich sind. Das korrekte Wiedergeben solcher Multisamples beherrschen aber nur die Soundkarten der oberen Preisklasse.

Multisamples

Ebenso verfügen nur wenige Soundkarten über brauchbare Sample-Player, die in den RAM geladene Samples den Tönen zuordnen und abspielen können. Denn dazu muß das Klangbild des Samples automatisch umgerechnet werden, was einigen Aufwand erfordert. Ein Vertreter dieser Gattung ist die Turtle Beach Maui, die Samples auf 24 Stimmen polyphon bei 44.100 Herz und 16 Bit Auflösung abspielen kann.

Sample-Player