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Klangsynthese, Sound Design und Klangbearbeitung - Teil 17

Sample-basierte Synthese ─ Bit by Bit

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Gewissen Leuten wird es etwas komisch vorkommen, dass wir hier Sampling als eine Art der Synthese bezeichnen. Ich habe immer wieder betont, dass bei Synthese Sounds von Grund auf erzeugt werden und plötzlich soll ein blosses Playback ebenfalls dazu gehören?

Nun, rein historisch gesehen ist die Sample-basierte Synthese die eigentlich Konsequenz aus der Komplexität und Unnahbarkeit der additiven Synthese. Zudem handelt es sich hier ja nur um die Grundlage mit der ein Klang erzeugt wird: Samples können mit Filtern, Hüllkurven, LFOs und dergleichen bearbeitet und verfremdet werden - genau so wie jede andere beliebige Wellenform und Oszillator. Sampling hat die Art wie Musik erzeugt wird in den letzten 20 Jahren nachhaltig verändert - sei dies mit der Wavetable Synthese oder mit der Einführung von Hardware und Software Samplern.

Fangen wir aber einmal damit an zu definieren, was eigentlich Sampling ist.

Sampling

Sampling beschreibt die digitale Aufnahme eines Signals das durch A/D (analog zu digital) Wandlung erzeugt wurde. Wieso nennt man das aber Sampling? Weil im Gegensatz zu einem analogen Signal (wo zum Beispiel beim Band ein kontinuierliches Signal aufgezeichnet wird) bei der digitalen Aufnahme bei bestimmten regelmässigen Intervallen immer nur Samples aufgezeichnet werden.

Nehmen wir zum Beispiel eine CD Aufnahme bei 44.1 kHz und 16 Bit. Diese Zahlen bedeuten dass dieses System 44’100 Samples pro Sekunde aufzeichnet und jedes dieser Samples auf einen Raster liegt der über 2^16 Zahlen verfügt. Ein spezieller Filter wird anschliessend eingeschlauft der die Reproduktion des so erzeugten Signals zusammenhängender und gleichmässiger macht.

Der Wert 44.1 kHz wurde aus folgendem Grund gewählt: Es ist belegt, dass man mindestens zwei Samples pro Zyklus benötigt, damit dieser korrekt im Playback System eines D/A Wandlers wiedergegeben werden kann.

Bedenkt man, dass unser Gehör maximal bis 20 kHz reicht so benötigt man mindestens eine Sampling Rate von 40 kHz um die gesamte Reichweite des menschlichen Gehörs wiederzugeben. Und da gewisse Leute sogar etwas über diesen Wert hinaus hören können hat man sich auf 22 kHz geeinigt.
Doch das ist nicht der einzige Grund.

Nyquist Frequenz und Aliasing

Die Frequenz welche genau die Hälfte der maximalen Sampling Frequenz beträgt ist die Nyquist Frequenz. Klänge welche diese Frequenz während einer digitalen Aufnahme übersteigen werden während der Wiedergabe in den Bässe reproduziert. Aus diesem Grund verfälschen sie das Signal. Dieses Phänomen wird Aliasing genannt.

Hier ist ein Beispiel: Der dritte Oberton eines 12.5 kHz Signals ist 37.5 kHz - kann also vom menschlichen Gehör nicht mehr wahrgenommen werden. Aufgrund von Aliasing in einem 44.1 kHz System wird dies in (44.1 - 37.5) 6.6 kHz umgewandelt, was sehr wohl hörbar und nervend ist. Somit benötigt Ihr ein System das auf (37.5 x 2) 75 kHz läuft damit diese Frequenz nicht in den hörbaren Bereich abrutscht.

Aus diesem Grund kommen während der Aufnahme Anti-Aliasing Filter zum Einsatz um Frequenzen oberhalb der Nyquist Frequenz zu entfernen.

 

In gewissen Fällen können in der Klangsynthese nur Sinuskurven oberhalb von 11.025 kHz verwendet werden, um unschönes Aliasing zu verhindern.

Im nächsten Artikel werden wir uns Sampling und die verschiedenen Einsatzbereiche genauer anschauen.

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