Akademik

Sampling

 

['sɑːmplɪȖ, englisch] das, -(s)/-s,  

 1) Messtechnik: das Abtasten.

 

 2) Statistik: die Stichprobenerhebung (Auswahlverfahren).

Sampling

 

[englisch, 'sɑːmplɪȖ, 'sæmplɪȖ], Umwandlung eines analogen Signals in digitale Werte. Der Begriff bezieht sich auf den Vorgang der Abtastung des kontinuierlichen Ausgangssignals, dem dabei in regelmäßigen minimalen Zeitabständen Proben (englisch sample = »Probe, Muster«) entnommen werden. Ein Wandler formt die so gewonnenen Messwerte des Amplitudenverlaufs in digitale Informationen um (Pulse-Code-Modulation). Auf dieser Grundlage beruhen sämtliche Verfahren der digitalen Schallaufzeichnung (Compact Disc, Digital Audiotape, Digital Recording).

 

Im Bezug auf die elektronische Klangsynthese bezeichnet der Begriff »Sampling« die digitale Speicherung von natürlichen oder künstlichen Klangstrukturen in einem Computer bzw. Sampler, sodass dieses Material für die musikalische Nutzung und nachträgliche Bearbeitung zur Verfügung steht. Die digitalen Informationen werden dabei nicht wie beim Digital Recording kontinuierlich auf einem externen Medium abgelegt, sondern in den internen Speicher des Rechners eingeschrieben (eine Ausnahme bildet das 1982 von New England Digital Corp. entwickelte »Sample-to-Disk«-Verfahren mit Harddisks als Speichermedium). Eine entsprechend große Speicherkapazität ist demzufolge Voraussetzung für qualitativ hochwertige Samples (umgangssprachlich für eine komplette Klangaufzeichnung) von größerer zeitlicher Ausdehnung. Die Genauigkeit der digitalen Aufzeichnung hängt dabei von zwei Faktoren ab: Abtastfrequenz und Auflösung der Amplitudenmesswerte (vergleiche den oberen Teil der Abbildung).

 

 

Die Abtastfrequenz (Sampling Frequency, Sampling Rate) muss nach dem Shannonschen Abtasttheorem mindestens doppelt so groß sein wie die höchste zu übertragende Frequenz, um das analoge Signal originalgetreu reproduzieren zu können. Bei einem Sampler lässt sich die Abtastfrequenz zumeist in mehreren Stufen einstellen und somit dem Frequenzspektrum des aufzuzeichnenden Tonsignals anpassen. Beispielsweise wird für die Aufnahme einer Großen Trommel eine geringere Abtastfrequenz ausreichen als für die digitale Speicherung einer Hi-Hat. Bei der Aufzeichnung eines Signals mit hohen Frequenzanteilen (um 20 kHz, z. B. Konsonanten der menschlichen Sprache) mit einer zu groben Quantisierung (z. B. 30 kHz) kommt es zu erheblichen Klangverfälschungen (dumpf, rau), da der ursprüngliche gedrängte Kurvenverlauf von zu wenigen Messwerten repräsentiert wird. Hohe Frequenzanteile werden so nicht mehr erfasst oder falsch interpretiert (vergleiche den unteren Teil der Abbildung).

 

Um dies zu vermeiden, führt man das Eingangssignal vor der A-D-Wandlung über einen Tiefpassfilter. Moderne Sampler arbeiten mit Abtastfrequenzen von 16 bis 48 kHz, mit größeren Systemen lassen sich auch höhere Werte realisieren, z. B. bis 160 kHz beim Fairlight CMI III. Die Auflösung der Amplitudenwerte ist von der Verarbeitungsbreite des verwendeten Prozessors abhängig. Ein 8-Bit-Prozessor erlaubt die Darstellung von 256 verschiedenen Werten, während mit einem 16-Bit-Prozessor eine Unterscheidung von 65536 Stufen möglich ist, was zu einem erheblich verbesserten Geräuschspannungsabstand führt und eine wesentlich genauere Aufzeichnung der Dynamik gestattet. Aus diesem Grund bevorzugt man für das Sampling 16-Bit-Technik. Das analoge Ausgangssignal wird also in zwei Richtungen quantisiert: im Zeit- und im Amplitudenverlauf. Je feiner die Auflösung, desto genauer die Aufzeichnung, aber desto größer der Verbrauch an Speicherplatz und desto geringer folglich die mögliche Dauer eines Samples (Sampling Time). Selbstverständlich besitzen Sampler ein Diskettenlaufwerk oder eine Festplatte zur externen Speicherung der Klangdaten. Für die meisten Systeme steht eine umfangreiche Software bereit (Soundlibrary).

 

In der Regel verwendet man zur Steuerung eines Samplers eine Klaviatur (über MIDI können andere Steuergeräte angeschlossen werden ), wobei die gespeicherten Klänge auf jeder Tonstufe abrufbar sind. Die Transposition erfolgt durch beschleunigtes oder verlangsamtes Auslesen des Speicherinhalts. Ein Sample auf c¹ mit einer Dauer von vier Sekunden ist auf c² somit nur noch halb so lang, also zwei Sekunden. Dabei verkürzt sich aber nicht nur der Ablauf der Hüllkurve, sondern durch die exakte Versetzung des gesamten Klangspektrums (einschließlich der für Instrumental- und Vokalklangfarben wichtigen Formanten) kommt es bei größeren Intervallen zu Verfremdungen (z. B. Micky-Maus-Effekte bei Gesangsstimmen). Derartige Effekte fanden in der Popmusik schnell Verbreitung. Sie treten vor allem in jenen Stilbereichen gehäuft auf, die auf der Neuabmischung bereits vorhandener Titel beruhen (Remix), z. B. Dancemixes, Hip-Hop, Acidhouse. Strebt man jedoch nach der originalgetreuen Imitation z. B. eines Naturinstruments, so kann man durch Multisampling diese unerwünschte Erscheinung unterdrücken. Das aufzunehmende Instrument wird dabei auf verschiedenen Tonhöhen (z. B. im Quintabstand) separat gesampelt. Multisampling gestattet ebenso die getrennte Aufzeichnung verschiedener Instrumente, z. B. der einzelnen Bestandteile eines Schlagzeugs. Mithilfe einer Loop-Funktion (englisch loop = »Schleife«) gelingt es, auch kurze Samples von (annähernd) periodischen Schwingungen auf eine beliebig lange Dauer zu »dehnen«. Der Speicherbereich zwischen zwei festzulegenden Punkten beziehungsweise Adressen wird wiederholt ausgelesen, solange die Taste am Keyboard gedrückt bleibt. Viele Systeme bieten die Möglichkeit, mehrere Loops zu bilden. Die gesampelten Klänge lassen sich auf vielfältige Weise nachträglich bearbeiten, z. B. durch die vom Synthesizer übernommene Filterung, Modulation und Hüllkurvenformung, darüber hinaus jedoch durch verschiedene digitale Techniken wie Korrekturen der Kurvenform per Lichtstift auf dem Bildschirm, Auslesen des Sample in umgekehrter Richtung (Revers) oder gleichzeitiges Auslesen mehrerer Samples. Vorteilhaft für die exakte Ausführung der beschriebenen Verfahren ist das Vorhandensein einer entsprechenden Software zur Editierung der schwer überschaubaren Prozesse. Während große Musikcomputer von vornherein über diese Möglichkeit verfügen, gibt es für kleinere Systeme Editiersoftware für bestimmte Homecomputer.

 

Bereits Ende der Fünfzigerjahre nutzte man bei der Direktsynthese praktisch die Umkehrung des Sampling. Ein Computer errechnete die analoge Schwingung als Folge dicht beieinander liegender einzelner digitaler Werte (bis zu 30000 Werte pro Sekunde). Nach dem langwierigen Rechenvorgang konnte das Resultat über D-A-Wandler, Verstärker und Lautsprecher hörbar gemacht werden. 1971 begann die Allen Organ Company, USA, mit der Produktion der Allen Digital Computer Organ (basierend auf einem Patent von Ralph Deutsch aus dem Jahre 1967), dem ersten Instrument, dessen Klangerzeugung auf digital gespeicherten Naturklängen, PCM-Sounds, beruhte (in diesem Fall Aufzeichnungen von Orgelpfeifen). Mitte der Sechzigerjahre setzte die Entwicklung spezieller Musikcomputer ein, die dann bereits über die Möglichkeit verfügten, von außen zugeführte Klangstrukturen zu analysieren und in digitaler Kodierung aufzuzeichnen. Aufgrund des immensen technischen Aufwands (A-D-Wandlung, Speicherplatz) für dieses Verfahren blieb Sampling bis in die Achtzigerjahre den großen Computersystemen (Synclavier, Fairlight CMI, PPG, GDS usw.) vorbehalten. Das erste Instrument, das speziell und ausschließlich für das Soundsampling konzipiert wurde, war der Emulator, entwickelt von Dave Rossum, produziert seit 1981 von E-mu Systems (Santa Cruz, USA). Ab Mitte der Achtzigerjahre kamen zahlreiche kleinere leistungsfähige Sampling Systeme auf den Markt.

Sampling

 

[dt. »Proben nehmen, Abtasten«], das, allgemein: das Abtasten eines kontinuierlichen Signals (Digitalisieren, Abtasttheorem).

Sampling

 

[dt. »Proben nehmen, Abtasten«], das, Audiobereich: das Digitalisieren akustischer Signale, bei denen es sich ja um die Überlagerung von periodischen Schwingungsvorgängen in Luft oder einem anderen Medium handelt (auch das Abtasttheorem bezieht sich auf die fehlerfreie Digitalisierbarkeit von periodisch ablaufenden Prozessen mit bestimmten Frequenzen bzw. Frequenzbereichen). Im Falle eines analog elektrisch aufgezeichneten Klangsignals bedeutet Sampling damit das Generieren einer Folge von digitalen Lautstärkewerten und Tonhöhen, welche das Originalsignal möglichst gut wiedergibt.

 

Für die Qualität einer Audiodigitalisierung sind zwei Größen ausschlaggebend: die Abtastrate und die Abtasttiefe. Die Abtasttiefe (Sampling Size, manchmal wird auch von »Auflösung« gesprochen) gibt die Anzahl der Abstufungen an, die für die Abbildung des Kurvenverlaufs zur Verfügung stehen. Sie wird meistens in Bit angegeben, damit ist die Anzahl der Bits, also Stellen in Binärschreibweise dieser Anzahl, gemeint. 8 bit bedeuten also 2⁸ = 256 Abstufungen, 16 bit 2¹⁶ = 65 535. Audio-CDs (CD-DA) erreichen mit 16 bit Abtastrate eine sehr hohe Wiedergabequalität. Noch besser ist der DVD-Audio-Standard (DVD) mit 24 bit.

 

Unter der Abtastrate (Sampling Rate) versteht man die zeitliche Häufigkeit der Unterteilung, also die Anzahl der diskreten Zwischenwerte, die in einer Sekunde aus dem kontinuierlichen Ausgangssignal gewonnen werden. Sie wird wie jede Frequenz in Hertz (Hz) bzw. kHz angegeben. Logischerweise kann man mit einer gegebenen Abtastrate keine Töne sampeln, deren Frequenz über dieser Rate liegt. Das Abtasttheorem (s. o.) konkretisiert diese Bedingung: Die Abtastrate muss für eine hinreichend gute Digitalisierung mindestens doppelt so groß sein wie die Frequenz des höchsten Tons, der noch wiedergegeben werden soll. Nimmt man eine Hörschwelle von 20 kHz an (dies gilt nur für Kinder und Jugendliche, bei Erwachsenen liegt sie mit zunehmendem Alter deutlich darunter), so muss die Sampling Rate also mindestens 40 kHz betragen. Eine Audio-CD sampelt mit 44,1 kHz, die DVD-Audio sogar mit bis zu 192 kHz. Damit reicht sie weit in den Ultraschallbereich hinein und kann auch die Hundepfeife oder Fledermausgesänge in höchster Qualität - aber für den Menschen nicht wahrnehmbar - wiedergeben.

 

Bei der elektronischen Musikerzeugung hat der Begriff »Sampling« bzw. »Sample« noch eine weitere Bedeutung: Man meint hier einen kurzen Ausschnitt aus einem bestehenden Musikstück oder einer anderen Tonaufnahme, der mithilfe von Audio-Software in eine neue Komposition eingefügt wird. Dabei kann es zu erheblichen Verfremdungen kommen, beispielsweise kann aus einem kleinen Stück einer Politikerrede ein »Rhythmusgerät« werden, wenn dieses Stück mit dem Output eines digitalen Schlagzeugs kombiniert wird. Insbesondere bei den Musikstilen Techno und Hip-Hop wurde das Sampling zu einer quasi eigenständigen Kunstform erhoben. Dies hat teilweise zu komplizierten urheberrechtlichen Problemen geführt, da nur noch schwer abgegrenzt werden kann, wo das eigene künstlerische Schaffen am Audiocomputer endet und das Plagiat anfängt.