Oversampling - eine hochtechnische Diskussion. |
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| [Schluss mit kaputten CD-Rohlingen] [3 Schritte für Windows 95] Tips für alle Betriebssysteme
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From: joachim grotherr |
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From: Rolf Jeger Lieber Joachim Danke für Ihre Mail. Mir ist nicht ganz klar, was sie unter "Oversampling" verstehen. Nach meinem Verständnis bedeutet es schlicht, dass ein Signal mit einer höheren als notwendigen Frequenz gesampelt wird (siehe http://mathworld.wolfram.com/Oversampling.html) Na, wie dem auch sei, die Krux mit Audio-CDs ist die: CD-Rom-Geräte sind nicht optimiert für das Auslesen von Audio-CDs. Und das ist schlecht. Denn Audio-Daten enthalten keine Korrekturinformationen. Leichte Störungen und Verfälschungen werden von CD-Rom-Lesern nur suboptimal korrigiert. Wenn Sie also Wert auf optimale Qualität legen, lesen Sie Audiotracks am besten nur mit Single-Speed aus (c't hatte dazu einen grösseren Artikel, den ich leider nicht zur Hand habe, vielleicht finden Sie auf dem Web bei c't was, http://www.heise.de/ct) Was die Brenn-Geschwindigkeit
angeht, so hörte ich gerüchteweise was von möglichen Problemen mit älternen CD-Playern
und 4x-Speed-gebrannten CD-Audios. Seriös habe ich aber nie was dazu gelesen (im
Gegensatz zum Problem der Einlese-Geschwindigkeit) Wichtig aber schon,
dass man sich vor Augen führt, dass die klassische Audio-CD eben nicht wirklich
fehlerkorrigiert ist, und damit hält die gute alte analoge Welt (über Kratzer auf der CD
und ähnlichem) doch wieder Einzug in die digitale CD-Welt. Hoffe, das hilft ein bisschen |
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From: joachim grotherr Sent: Mittwoch, 27. Mai 1998 19:34 To: Rolf Jeger Subject: brennend_2 Hallo, Rolf ! Endlich antwortet jemand auf meine Hilferufe ! Also, meine Infos ueber Fehlerkorrekturen bei Audio-CD's sehen etwa so aus: In einem Frame auf der CD werden 24 Byte als Basiseinheit zusaetzlich mit einem Byte Kontrollinformationen und acht Byte zur Fehlerkorektur fuer das System versehen (alles red Book, leider habe ich darueber nur Kopien, und kann das Buch nicht nennen). Auf die pro Sektor damit vorhandenen 784 Byte Fehlerkorrekturdaten greift das "Cross Interleaved Reed-Solomon-Code" (CIRC) Verfahren zu. Es soll in die Hardware aller Audio-CD-Player und aller CD-ROM-Laufwerke implementiert sein, und ist das einzige, das bei Audio-CD's Verwendung findet. Obwohl alle Geraete diese Hardware (Dekoder) enthalten, soll die Leistungsfaehigkeit sehr unterschiedlich sein. Es soll aber maximal 4000 aufeinanderfolgende fehlende Bits rekonstruieren. Dies entspricht einem Defekt von 2,5 mm auf der Disk-Oberflaeche (kann ich kaum glauben, soll ja aber auch nur ein max-Wert sein). Bei der Verwendung von CIRC tritt maximal ein unkorrigierbarer Fehler auf 10 hoch 9 Bit einer Audio-CD auf. Das entspricht einer Bitfehlerrate von 10 hoch -9 (ich schreib das grad einfach alles ab). Im Yellow Book gibt es erweiterte Fehlerkorekturdaten, moeglicherweise ja auch in den neueren Standarts. Wie gut das wirklich funktioniert, weiss ich nicht. Jetzt kommt noch die Oversampling-Geschichte dazu: ehrlich gesagt, ich weiss auch nicht genau, wie ich das verbinden soll ! Eigentlich heisst Oversampling "Ueberabtasten". Die Abtastfrequenz von CD-Systemen betraegt etwa 44 KHz. Soweit, wie ich die Nachrichtentechnik verstanden habe, entstehten durch Abtasten immer (hier hoehere) Frequenzen, die vorher nicht da waren (Alaising ?). Man baut jetzt einen Tiefpass an den Ausgang des DA-Wandlers, der alles ueber 20 KHz moeglichst gut daempft (also analog laeuft der Frequenzgang wohl so von 0 - 20000 Hz). Da das aber nicht optimal ist, hilft man sich auf der digitalen Seite zusaetzlich mit Oversampling, das heisst (glaub ich), in das 44 KHz-Signal werden zusaetzliche Sample-Punkte eingebaut (bei zweifach-Oversampling wird so aus dem 44 KHz-Signal ein 88 KHz-Signal, also einfach eine Taktverdopplung. Die neuen Werte werden wohl irgendwie Interpoliert.). Jetzt verschiebt sich das Fehlerspektrum zu so hohen Frequenzen hin, das ein einfacher (billiger) Tiefpass genuegt. Bei vierfach-Oversampling wuerde halt das Fehlerspektrum zu noch hoeheren Frequenzen hin verschoben werden, so das der Tiefpass noch besser greift. (Wie ist die Reihenfolge bei CD-Playern ? Erst CIRC, dann Oversampling, oder andersrum ?) Indem ich das alles so hinschreibe, kann ich jetzt doch die Fragen genauer formulieren: Beim Kopieren von Audio-CD's laeuft auf jeden Fall das CIRC ab (wenn das oben alles so stimmt). Aber das Oversampling waere ja eher sinnlos (scheint mir jetzt), da es beim Abspielen der Kopie in einem Player eh durchgefuehrt wird. Und eine Umwandlung in ein analoges Signal wird beim Kopieren wohl eher nicht durchgefuehrt (Vieleicht ja eben aber doch das Oversampling ?). Das wuerde ja aber bedeuten, das alle Fehler auf der Kopie (Rauschen und Knacken) durch eine doch sehr zerkratzte CD und ein damit ueberfordertes CIRC entstehen. Damit duerfte die Brenngeschwindigkeit theoretisch in diesem Zusammenhang keine Rolle spielen (natuerlich ist langsamer im Prinzip aber immer besser), sofern die Brenngeschwindigkeit direkte Auswirkungen auf die Lesegeschwindigkeit hat. Jetzt hab ich doch ziemlich viel geschrieben. Ich hatte eine Menge Mails abgeschickt, aber Ihre Antwort ist bisher die einzige. Sollte ich also irgendwo was finden, werde ich Sie informieren. Gruss Joachim Grotherr |
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From: Rolf Jeger Hallo Joachim Da bist Du aber technisch ziemlich präziser als ich. Ich kann mich jedenfalls schwach an einen C't-Artikel erinnern, wonach CD-Rom-Reader eine sehr schlechte Audio-Fehlerkorrektur aufweisen. Es stellt sich nun die Frage: warum noch mehr oversamplen, wo doch mit 44kHz schon hübsch oversampelt ist (bei Spezifikation Frequenzbereich der CD von 20 bis 20'000 Hz)? Hingegen erhöht sich die Frequenz natürlich bei doppeltem Einlesen auf 88kHz, und bei vierfachem nochmals, aber da muss m.E. nichts interpoliert werden. Das ein Frequenzfilter zum Einsatz kommt, wusste ich übrigens gar nicht. Nun, Deine Fragen bringen mich über die Grenze meines Know-Hows. Was ich immerhin noch ganz sicher weiss: die Audio-Daten werden digital ausgelesen. Sie können zwar im schlimmsten Fall Fehler haben, aber sie sind nichtsdestotrotz digital. Ich bin ebenfalls der Ansicht, dass höhere Brenn-Geschwindigkeit keinen Einfluss auf die Qualität der Audiodaten haben sollte (ausgenommen bie älteren CD-Spielern, die Leseschwierigkeiten bekommen). Viel hilft das wahrscheinlich nicht, aber wie gesagt, mehr weiss ich nicht. Freundliche Grüsse aus Zürich an die Nordsee Rolf Jeger |
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From: joachim grotherr Hallo Rolf ! Vom Hessischem Rundfunk erhielt ich folgende Mail (die Frage war aehnlich der, die ich Dir stellte):
Sehr geehrter Herr Grotherr, ohne Kenntnis der benutzten Computer-Hardware läßt sich Ihre Frage leider nicht eindeutig beantworten, denn ob ein *Oversampling* beim Abspielen einer Audio-CD auf Ihrem PC stattfindet, hängt in erster Linie davon ab, welches CD-ROM-Laufwerk sie benutzen und wie es betrieben wird. Wir können Ihnen daher nur Lösungswege aufzeigen und Ihnen einen kleinen Gesamtüberblick über die Standards geben in der Hoffnung, Ihr Problem und damit Ihre Fragen beantwortet zu haben. Der in der Digitaltechnik verwendete Begriff *Oversampling* beschreibt ein Verfahren, das bei der Digitalisierung von analogen Signalen bzw. der Rückwandlung der digitalen Daten in eine analoge Information angewendet wird. Dazu einige Erläuterungen. Aus dem ursprünglichen 16 Bit Datenwort der CD werden soviele Zwischenwerte errechnet (64 ....256 fach je nach Verfahren) und zwischen die Datenblöcke eingefügt, daß aufeinanderfolgende Datenworte sich nur noch um höchstens 1 Bit (1 Bit Wandler) unterscheiden. Für die Wandlung ist nur noch dieser Unterschied von Bedeutung, die restlichen 15 Bits werden unterschlagen bzw. werden je nach Verfahren mit dem nächsten Bit-Block verrechnet. Der dabei entstehende Rundungsfehler aüßert sich als gleichmäßig über alle Frequenzen im Hörbereich verteiltes Quantisierungsrauschen. Noise-Shaper rechnen in der Digitalebene nun den spektralen Gehalt der störenden Signalanteile um und schieben diese weit außerhalb des Hörbereichs. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß fast die gesamte Signalverarbeitung auf der digitalen Ebene abgewickelt werden kann und an den eigentlichen D/A Konverter keine hohen Anforderungen mehr zu stellen sind (Linearität usw.). Desweiteren lassen sich Störkomponenten klangunschädlicher herausfiltern. Ob beim Abspielen einer Audio CD auf einem CD-ROM-Laufwerk, so Ihre Frage, ein *Oversampling* durchgeführt wird, hängt in erster Linie davon ab, ob das digitale Signal zu Abhörzwecken in die analoge Ebene gewandelt wird oder direkt digital auf die Festplatte überspielt wird. CD-ROM-Laufwerke verfügen meist noch über eine interne, analoge Schnittstelle, über die auch ein Audiodatentransfer stattfinden kann, d.h. um Daten auf die Festplatte schreiben zu können, wird in diesem Fall das analoge Ausgangssignal mit dem analogen Eingang einer Soundkarte verbunden und erneut digitalisiert. In dieser Betriebsart findet in der Tat eine erneute Konvertierung statt, bei der die Audiodaten den gesamten Prozeß durchlaufen müssen. Wird die Schnittstelle direkt herausgeführt, treffen auf nachfolgende digitale Aufzeichnungsgeräte die gleichen Voraussetzungen zu. Die Fehlerkorrekturstufen C1 und C2 sind für das Audiosignal im Laufwerk integriert. Wird hingegen mit geeigneter Software direkt vom CD-ROM-Laufwerk auf die Festplatte kopiert, fällt der Prozeß der Konvertierung weg. Dabei ist zu beachten, daß die Festplatte für die Aufnahme von Audiodaten geeignet ist (schnelle Zugriffszeit, hohe Datenrate, Schreibcache evt. auf on, optimale Abstimmung SCSI Kontroller) und das CD-ROM-Laufwerk über Multisync-Eigenschaften verfügt. Bei fehlenden Multisync.-Eigenschaften kann es passieren, daß der Echtzeitzugriff vom PC nicht mit dem kontinuierlichen Datenstrom der CD übereinstimmt. Beim Zusammenfügen der entstehenden Datei können dann kleine Lücken entstehen. Empfehlenswert sind z.Z. die Plextor-Laufwerke. Sie sind für Audioanwendungen bestens geeignet und besitzen die genannten Multisync.-Eigenschaften. Über den SCSI-Bus läßt sich bei diesen Laufwerken die Fehlerkorrektur C1 und C2 per Software steuern. Wenn das vorhandene CD-ROM-Laufwerk beim Kopieren von Audio-CDs nicht Ihre Erwartungen erfüllt, bleibt Ihnen der Weg offen, über die Soundkarte, sie muß allerdings einen digitalen Eingang (SPDIF) haben, direkt von einem externen CD-Player mit SPDIF-Ausgang digital zu kopieren, um ein befriedigendes Ergebnis zu erzielen. Nachteil: Durch den Kopierschutz (Consumerformat, Information steckt in den Subcode-Daten), läßt sich auf der digitalen Ebene nur eine Kopie erstellen. Sollten Sie weiteren Bedarf an Information haben, empfehlen wir, in die einschlägigen Fachzeitschriften wie z.B. CT usw. einmal hineinzuschauen, die auch über diesen Themenkomplex aktuell berichten. Über die CD Technik gibt es im Fachhandel darüberhinaus auch gute, noch erschwingliche Fachbücher, die ein solides Grundwissen vermitteln. Die wichtigsten CD-Formate im Überblick: Die CD-Standards sind in mehreren Büchern festgelegt worden. Reed Book: Im Reed Book sind die grundlegenden Parameter einer Audio CD beschrieben. Die CD besteht mindestens aus einem Lead-In-, dem Audiodaten- und Lead-Out-Bereich. Der Lead-In-Bereich enthält das Inhaltsverzeichnis der CD (TOC). Der Lead-Out-Bereich markiert das Ende der CD oder einer Session. Ein Track muß mindestens 4 Sekunden lang sein und besteht aus einer kontinuierlichen Datensequenz. Bis zu 99 Tracks sind zugelassen. Die CD ist in Sektoren unterteilt, wobei ein Sektor aus 2352 Bytes besteht, der bei einer Audio CD voll für die Programmdaten zur Verfügung steht. Um die erforderliche Datenrate von 176400 Bytes/s (1411200 Bits/s) zu erreichen, müssen 75 Sektoren durchfahren und gelesen werden. Yellow Book: Im Yellow Book wurde 1984 von Philips und Sony das Format einer CD-ROM zur Speicherung von digitalen Daten festgelegt. Der Standard legt fest, wie die Daten auf der CD gespeichert sind, jedoch nicht das Dateisystem für den Datenzugriff. Durchgesetzt hat sich neben spezifischen Formaten wie das HFS für den Mac vor allem das File-System nach ISO-9660. Für den Zugriff auf Daten ist bei einem CD-ROM Laufwerk eine exaktere Adressierung erforderlich. Ein Sektor von 2352 Bytes kann daher nicht wie bei einer Audio-CD vollständig für Nutzdaten verwendet werden, sondern es müssen davon 12 Bytes für Synchronisation, 4 Bytes für den Sektor Header und im Mode 1 288 Bytes zur Fehlererkennung abgezogen werden. Im Mode 1 aufgezeichnete Daten sind daher für Computerdaten geeignet, da der normale Algorithmus einer Audio CD zur Fehlerkorrektur nicht ausreichen würde, um die nötige Datensicherheit zu gewährleisten. Im Mode 2 entfällt diese zusätzliche Fehlerkorrektur. Pro Sektor stehen dann für Audio oder Video-Daten 2336 nutzbare Bytes = @ 171,1 kB/s (1kB/s = 1024 Bytes oder 8192 Bits) im Single Mode zur Verfügung. Die für das Abspielen einer Audio CD unerläßliche 2 stufige Fehlerkorrektur C1 und C2 wird hardwaremäßíg im Laufwerk durchgeführt. Die Audio CD liefert eine konstante Datenrate von 172,265 kB/s (2352 x 75 : 1024) Im Hinblick auf Multimedia Anwendungen (Mischung von Audio/Video-Daten mit Computerdaten wurde der Standard ständig weiterentwickelt. So kann mit einem CD-ROM-XA Laufwerk innerhalb eines Tracks Sektoren mit Audio beliebig mit Sektoren, bestehend aus Computerdaten, gemischt werden (Mixed-Mode-CD). Der Daten-Sektor Mode 2 wird zusätzlich durch eine Form1 und 2 definiert. Green-Book: Die CD-I nach Green Book verwendet die gleiche Architektur wie die CD-ROM-XA. Die Zusatzinformation ist bei der CD-I-Ready zwischen dem Index 0 (Pausensektor) und Index 1 (Anfang der Audioinformation) gespeichert. Ein CD-Player für CDs nach Reed Book beginnt mit dem Abspielvorgang bei Index 1. Die Zusatzinformation wird überlesen. Sie kann nur von einem CD-I-Player wiedergegeben werden. White Book: Für Video Anwendungen wurde im White Book das Format für Bridge-Discs festgelegt. Diese CDs können Daten enthalten, die von einem CD-ROM-XA Laufwerk und von CD-I Playern gelesen werden können. Hierunter fallen die Photo CD und der neue Video Standard CD 2.0. Video-CDs können mit Computern, die über eine MPEG-Decoder-Hardware verfügen, abgespielt werden. Orange-Book: Im Orange Book sind die Voraussetzungen für die CD-Recordable (CD-R) und CD-MO (magneto-optical) festgelegt. Bei der Multi-Session-CD können neue Daten an die bereits beschriebene CD angehängt werden während bei einer Multi-Volume-CD die einzelnen Sessions voneinander getrennt als einzelne Laufwerke erscheinen (HFS Mac-Multi-Session-CD). Bei Multi-Session CDs wird bei jedem Beginn ein Lead-IN/Lead-Out-Bereich angelegt. Erst nach Beendigung der Aufnahmen wird ein Inhaltsverzeichnis (TOC) erstellt. Die CD ist dann auch auf normalen CD-Playern nach Reed Book abspielbar. Blue Book: Das CD-Extra Format enthält mehrere Sessions. Während die erste alle Audio-Tracks aufnimmt, werden in der anderen alle Datentracks gespeichert. Von einer CD-Extra können auf einem normalen CD-Player die Audioinformation abgespielt werden, die Daten der Datentracks bleiben aber verborgen. Da die CD-Extra den Vorgaben von Reed Book (Audio CD), Yellow Book, Green Book und Blue Book entspricht, ist diese auf CD-Playern, CD-I-Geräten, PCs oder Macintosh-Rechnern (mit Einschränkungen) abspielbar. Noch erwähnt sei die DVD und Super-Audio-CD. Wir bitten, die etwas verspätete Bearbeitung Ihrer Anfrage zu entschuldigen. Mit freundlichem Gruß Bearbeiter: Herr Oehler |
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