Wat de sampling rate zegt over digitale muziek en de geluidskwaliteit ervan
Op het eerste gezicht is de bemonsteringsfrequentie slechts een technische specificatie op audiogebied. Maar als je begrijpt hoe het werkt, verandert dat je idee van wat digitale muziek is.
Een bijdrage over de sampling rate - dat klinkt saai. Op het eerste gezicht is het niet meer dan een droge technische specificatie. Maar als het gaat om de vraag hoe de sampling rate de geluidskwaliteit beïnvloedt, heb ik gemerkt dat ik en anderen veel halve kennis en misverstanden hebben. Dit heeft ook te maken met een misvatting over de aard van digitale muziek: Die digitale muziek is verknipt en klinkt zo.
De basis
Wat is de sampling rate eigenlijk? Laten we eens kijken naar de grafische weergave van een geluidsgolf. De horizontale X-as is de tijd. De verticale Y-as is de amplitude - hoe luid het signaal is. De toonhoogte is de golflengte: bij een hoge toonhoogte staan de golven dichter bij elkaar. Met andere woorden, bij een hogere toon herhaalt de oscillatie zich vaker en heeft dus een hogere frequentie.
De bemonsteringsfrequentie wordt ook gespecificeerd als een frequentie. Het geeft namelijk de frequentie aan waarmee de amplitude op de X-as wordt gemeten. Of anders gezegd: waarmee een audiomonster wordt genomen. In het Engels heet de sampling rate daarom sample rate.
De sample rate is het duidelijkste onderscheid tussen analoge en digitale muziek. Dit komt omdat analoge media een continu signaal opslaan, dus er is geen steekproefsnelheid. Digitale opnamemethoden nemen op met specifieke tijdsintervallen.
Het misverstand
Dit klinkt alsof analoge muziek in principe superieur is aan digitale. Alsof digitale muziek slechts een benadering is van het analoge origineel en daarom nooit zo goed kan zijn. Maar dat is een drogreden.
In de eerste plaats vergelijken we hier niet alleen analoog en digitaal, maar origineel geluid en opname. Natuurlijk overtreft niets het oorspronkelijke geluid, en elke opname is hooguit zo goed als het origineel. Maar dat is ook het geval met analoge opnamen. Zelfs daar kunnen kwaliteitsverliezen optreden zoals ruis en vervorming. In principe is alleen de directe overdracht van geluid zonder medium superieur - bijvoorbeeld het luisteren naar een instrument dat live wordt bespeeld.
.
Het misverstand komt waarschijnlijk voort uit het feit dat geluidsgolven analoog zijn. Strikt genomen bestaat er geen digitale muziek, alleen digitaal opgeslagen muziek. Bij het opnemen is een analoog-digitaal omzetter nodig die digitale gegevens maakt van de analoge geluidsgolven. En bij het afspelen een digitaal-naar-analoog converter die het omgekeerde doet.
Het geluidssignaal moet altijd worden omgezet - zelfs bij een analoge opname. En tijdens het afspelen moet er weer geluid gemaakt worden uit het opgeslagen medium. Een luidspreker zet een elektrisch signaal om in een mechanische beweging.
Bovendien.
Bovendien begonnen opnamestudio's al eind jaren zeventig digitaal op te nemen. Dit betekent dat zelfs als je een plaat koopt, er een conversie is geweest van analoog naar digitaal en weer terug naar analoog.
Maar er komt nog veel meer bij kijken.
Maar er is een veel meer voorkomende misvatting over digitale muziek. En ook dat heeft te maken met sampling rate.
Digitaal betekent niet traplopen
Dus door met regelmatige tussenpozen te meten ontstaan afzonderlijke punten in het diagram van de geluidscurve. Hieruit moet tijdens het afspelen een echte geluidscurve worden gegenereerd. Hier nemen veel analoge fans ten onrechte aan dat deze geluidscurve er zo uitziet:
Of zelfs zo:
Maar dat is niet het geval. De geluidscurve die uit digitale gegevens wordt gegenereerd ziet er ongeveer zo uit. Een geluidscurve gegenereerd uit digitale gegevens is net zo rond als een analoge.
Met andere woorden, de versnippering in afzonderlijke digitale gegevens kan volledig worden teruggedraaid als ze worden omgezet in echte geluidsgolven. Magie? Nee, eerder wiskunde. Krommen zijn wiskundige functies. Zij vereisen echter een minimum aantal meetpunten, d.w.z. een minimum bemonsteringsfrequentie. En hier komt het Nyquist-Shannon theorema om de hoek kijken.
De stelling van Nyquist-Shannon
De stelling stelt dat als de bemonsteringssnelheid hoog genoeg is, een geluidscurve kan worden gereconstrueerd die volledig identiek is aan het analoge origineel. En er staat ook in hoe hoog de bemonsteringsfrequentie moet zijn: Namelijk twee keer zo hoog als de hoogste frequentie die moet worden bemonsterd.
Het bekendste voorbeeld hiervan: De audio-CD heeft een bemonsteringsfrequentie van 44100 Hz, dus 44,1 kHz. Er zijn 44 100 monsters voor elke seconde. Volgens het Nyquist theorema kunnen frequenties tot 22 050 Hz perfect gereconstrueerd worden. Dat zou gemakkelijk genoeg zijn, want geen mens hoort hogere frequenties - de meeste volwassenen kunnen niets horen boven 15.000 Hz.
Maar de stelling geldt alleen onder één belangrijke beperking: namelijk dat alle frequenties boven 22 050 Hz worden uitgefilterd. Je kunt dit zien in het volgende schema. De zwarte stippen zijn de monsters. Door deze monsters lopen twee curven met verschillende frequenties. Omdat de monsters in beide krommen passen, is het aanvankelijk onduidelijk welke de juiste frequentie is.
.
Maar de rode curve heeft een hogere frequentie dan de gestippelde zwarte curve. Als de frequentie van de rode curve boven de helft van de bemonsteringsfrequentie ligt, wordt hij uitgefilterd en hebben we duidelijkheid.
Dit is geen toeval. Het is niet mogelijk om in de punten een bijpassende curve te tekenen die een lagere frequentie heeft dan die van de rode curve. Dit is precies wat de Nyquist-Shannon stelling zegt.
Overbemonstering
De Nyquist stelling zelf wordt als onbetwistbaar beschouwd. Toch zijn er digitaal-naar-analoog omzetters die een veelvoud hebben van de bemonsteringsfrequentie van de CD. Is dit onnodig? Rattenvanger zelfs?
Niet noodzakelijkerwijs. Het punt is: het Nyquist theorema zegt alleen dat de hoge frequenties uitgefilterd moeten worden. Maar er staat niet bij hoe dit moet gebeuren. In feite is het tot op de dag van vandaag niet mogelijk om alles boven een bepaalde frequentie perfect uit te filteren.
Een bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz vereist een laagdoorlaatfilter dat zo min mogelijk filtert tot 20 kHz, maar alles boven 22,05 kHz. Er is dus maar een smal frequentiebereik beschikbaar als overgang. Als het signaal niet perfect wordt gefilterd, kan het gebeuren dat de geluidsgolf naar links wordt gespiegeld - er ontstaat een soort pre-echo.
Met een hoge bemonsteringsfrequentie neemt dit overgangsbereik toe en kan het effect beter vermeden worden. In de opnamestudio zijn hoge sampling rates al heel lang gebruikelijk. In playback daarentegen zijn ze betrekkelijk nieuw.
Conclusie
Het feit dat digitale muziek bestaat uit losse samples in plaats van continue opslag is geen nadeel. Uit de monsters kunnen geluidsgolven worden gereconstrueerd die niet te onderscheiden zijn van het origineel. In theorie volstaat hiervoor een bemonsteringsfrequentie die tweemaal zo hoog is als de hoogste frequentie. In de praktijk is de reconstructie echter niet perfect, omdat er geen perfecte laagdoorlaatfilters bestaan. Met een hogere bemonsteringsfrequentie kunnen opname- en afspeelapparaten nog beter filteren.
De vraag is of deze verbeteringen überhaupt nodig zijn, d.w.z. of het verschil hoorbaar is. Zelfs onder deskundigen lopen de meningen uiteen. Het is duidelijk dat 44,1 kHz en 48 kHz ook goede kwaliteit leveren. Als het slecht klinkt, kan dat aan van alles liggen, van de opname tot de luidsprekers. De sampling rate is hooguit een probleem als al het andere op het absolute topniveau is.
103 mensen vinden dit artikel leuk
David Lee
Senior Editor
David.Lee@digitecgalaxus.chMijn belangstelling voor computers en schrijven leidde me relatief vroeg (2000) naar de technische journalistiek. Ik ben geïnteresseerd in hoe je technologie kunt gebruiken zonder gebruikt te worden. In mijn vrije tijd maak ik graag muziek waarbij ik mijn gemiddelde talent compenseer met een enorme passie.
