Samplingtiefe

Die Samplingtiefe gibt die Anzahl der Bits an, die bei der Digitalisierung eines analogen Signals pro Abtastwert (=Sample) verwendet werden. Sie bestimmt also, in wie vielen Abstufungen die analoge Amplitude digital repräsentiert werden kann. Die Samplingtiefe wird auch Bittiefe genannt. Sie ist neben der Samplingrate der zweite Parameter, durch den ein Digitalisierungsvorgang beschrieben wird.

Grundlagen

Die Samplingtiefe bestimmt den Dynamikumfang des Signals. Näherungsweise wächst die Dynamik mit jedem Bit um 6 dB. Je höher die Samplingtiefe ist, desto höher kann die Dynamik sein und desto mehr Platz kann das digitalisierte Signal belegen.

Typische Samplingtiefen sind 8, 12, 16, 24 oder 32 bit. Die genaue Auflösung der Analog-Digital-Wandlung kann dabei auch diese nominellen Werte unterschreiten. Nur wenn der gesamte digitale Wertebereich genutzt wird, spricht man von echten 8/16/... Bit. Sie spiegelt die Qualität der Wandlung wieder.

Beispiel: Audio

Üblicherweise wird das Spektrum linear unterteilt, aber auch non-lineare oder adaptive Abstufungen sind möglich.

Audioanwendungen verwenden intern meistens eine höhere Genauigkeit als das Audiomaterial, das sie bearbeiten. Da Mischvorgänge (Multiplikation, Addition von Samples) häufig Zwischenergebnisse außerhalb der möglichen Samplewerte erzeugen, wird die Spanne bei Berechnungen vergrößert, um so ein Abschneiden oder Clipping zu vermeiden. Bei linearen Unterteilungen repräsentiert der Wert 0 die mittige Position des Lautsprechers, wohingehen minimaler und maximaler Wert des Datentyps dem maximalen Ausschlag der Membran nach vorn oder hinten entsprechen.

8, 16 und 24 bit-Samples sind häufig vorzeichenbehaftete Ganzzahltypen, 32 bit-Samples kommen in Studioumgebungen auch als IEEE-Gleitkommazahlen vor. Ein Über- oder Unterschreiten der zugehörigen Wertebereiche führt zum Über- oder Unterlauf. Eine leichte Lautstärkenerhöhung am oberen Ende des möglichen Pegels resultiert daher nicht in noch lauteren Tönen, sondern wird zyklisch auf das untere Ende der Schallpegelskala abgebildet. Dadurch muss der Lautsprecher von der maximalen Auslenkung blitzartig zur maximalen entgegengesetzten Position schwingen, was für den Zuhöher als Übersteuerung (Clipping) wahrgenommen wird.

Arithmetisches Beispiel für 16 bit linear-PCM

Die Audio-CD verwendet 16 bit linear-PCM:

• Wertebereich: − 2¹⁵ … 2¹⁵ − 1
• C-Typ: int16 (signed)
• Ada: type cd_sample is range -2**15 … (2**15) - 1;

Zum maximalen positiven Wert (0111111111111111, dezimal 32767), wird 1 addiert und man erhält den maximalen negativen Ausschlag (minimaler Wert) (1000000000000000, dezimal -32768):

	0111111111111111	(32767)
+	0000000000000001	(1)
=	1000000000000000	(-32768)

Dieser als Clipping hörbare Überlauf kann vermieden werden, indem Berechnungen auf 16 bit-Samples mit beispielsweise 24 bit Genauigkeit ausgeführt werden.

Literatur

• Hubert Henle: Das Tonstudio Handbuch. 5.Auflage, GC Carstensen Verlag, München, 2001, ISBN 3-910098-19-3
• Thomas Görne: Tontechnik. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, Leipzig, 2006, ISBN 3-446-40198-9
• Roland Enders: Das Homerecording Handbuch. 3. Auflage, Carstensen Verlag, München, 2003, ISBN 3-910098-25-8

Siehe auch

Analog-digital-Umsetzer | Puls-Code-Modulation | Quantisierung | Abtastung | Abtastrate | WAV (Format)

Weblinks

• Sampling - Die Welt, wie wir sie hören