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MP3 - geschrumpfte Musikdateien

Ob beim Radfahren, Joggen oder in der U-Bahn. Für viele von uns sind die "klingenden Ohrstöpsel" Motivationsmittel, Trainer und Entspannungshilfe zugleich. Doch bis vor wenigen Jahren brachten die Körperbewegungen nicht nur den Sportler selbst, sondern oft genug auch die Technik zum Schwitzen. Mobile Kassettenrekorder und CD-Player, vielen noch bekannt als Walk- und Discman, konnten abrupten Erschütterungen nicht stand halten. Das Band stockte oder die Laserabtastung sprang zum nächsten Titel. Selbst ausgeklügelte Antischocksysteme halfen da nur wenig.

Erst die moderne MP3-Technik brachte ungestörten Musikgenuss in allen Lebenslagen. Doch was sind eigentlich diese MP3s? Auffälligstes Merkmal, die Größe. Die Player für MP3 sind Winzlinge. Im Schnitt etwa so groß wie eine Streichholzschachtel. Je nach Speicherkapazität befindet sich im Innern ein Computerchip, auch Flash-Speicher genannt, oder eine rotierende Mini-Festplatte.

Damit die Player so klein sein können, müssen natürlich auch die Daten minimal sein.

Die ersten standardisierten Verfahren zur Reduzierung von Daten wurden Anfang der 1990er Jahre durch die "Motion Picture Experts Group", kurz MPEG, festgelegt. Das erste Verfahren zur Kompression von Daten, war der MPEG-1-Standard, auf dem auch die digitalen Audio- und Videoübertragungen DAB und DVB basieren.

Wie aber genau funktioniert die digitale Kompression? Zunächst werden die analogen Ton- und Bildfrequenzen nicht komplett, sondern nur in periodischen Zeitabständen, d.h. in einer bestimmten Abtastrate, abgetastet. Die so gewonnenen Signale werden schließlich durch Auf- und Abrundung in (diskrete) abgegrenzte, d.h. nicht kontinuierliche, Signale überführt. Durch diese Quantisierung verringert sich die Auflösung des Signals.

Die Signale werden schließlich in digitale Datenpakete (Frames) übertragen. In so einem Paket ist jeder Farbton, jedes Bild und jeder Ton aus einer Kombination aus Nullen und Einsen zusammen gesetzt. Zusätzlich zum Datenteil ist jedes Paket mit einer Adresse und mit einem Zeitstempel versehen. Das ist wichtig, damit später bei der Wiedergabe die Datenpakete wieder rekonstruiert werden können.

Mit Hilfe der MPEG-Kompression werden nun die Inhalte der Datenpakete verändert und reduziert - ohne sicht- und hörbare Verluste.
Bei der Bildübertragung, macht man sich zum Beispiel eine Reihe von Umständen zunutze, die unter anderem aus dem menschlichen Sehvermögen resultieren. So werden zum Beispiel nicht die kompletten Bilder übertragen, sondern nur diejenigen Daten, die sich zum vorherigen Bild verändert haben.

Das Fernsehbild ist z.B. schachbrettartig in viele Raster (Makro-Blöcke) unterteilt. Häufig ist es so, z.B. bei den Nachrichten, dass sich die Rasterinhalte des Hintergrundes für längere Zeit nicht verändern. Diese gleichbleibenden Informationen müssen also nicht ständig übertragen werden.

Ähnliches gilt für die Tonübertragung: Ein lang andauernder gleichbleibender Ton muss nicht permanent übertragen werden. Es ist ausreichend zu wissen um welchen Ton es sich handelt und wie lange dieser zu hören ist.

Da in diesem Fall weitaus weniger Daten übertragen werden müssen, reduziert sich auch die Datenrate, also die Anzahl der Kilobits pro Sekunde. Das spart Speicherplatz.

Nun, der MPEG 1-Standard spielt in der Bildübertragung heute kaum eine Rolle mehr. Seine bislang erfolgreichste Anwendung ist die Audio-Kodierung "MPEG 1 Audio Layer III" - besser bekannt als MP3.

Hier ist die Grundidee, dass man bei der Umwandlung von Tönen all jene Signale weglassen kann, die das menschliche Ohr sowieso nicht hört. Dazu ein Beispiel: Töne im Ultraschallbereich, also Frequenzen oberhalb von 18 kHz kann das menschliche Ohr im Gegensatz zu manchen Tieren und Insekten nicht mehr registrieren. Sie kennen sicher Hundepfeifen oder Insektenvertreiber, die für uns Menschen nicht hörbar sind.

Schneidet man nun in einem Musiktitel die Frequenzen oberhalb von 18 kHz gewissermaßen ab, klingt das Stück für unsere Ohren unverändert. Ganz nebenbei hat man sich aber ne Menge Datenballast gespart.
Das Prinzip der Datenreduzierung lässt sich gut mit einem Puzzle vergleichen: Auch bei fehlenden Puzzlesteinen lässt sich das Motiv in der Regel noch gut erkennen.

Aber MP3 geht noch weiter. Leise Töne, die von lauten Tönen überdeckt (maskiert) werden oder sehr lauten Tönen folgen können nicht mehr wahr genommen werden. Sie kennen das aus der Disco: Bei lauter Musik kann man sich nur noch beschwerlich unterhalten. Auf die überdeckten leisen Töne kann man also ebenfalls verzichten.

Kaum zu glauben, aber für unser Gehör sind - man höre und staune - 92 Prozent Musikdaten völlig überflüssig.
 
Was unseren Ohren verborgen bleibt, lässt sich mit Hilfe der sogenannten Audio-Spektrumanalyse sichtbar machen. Hierzu empfehle ich das recht komfortable Programm "Analyzer 2000", das sich aus dem Internet downloaden lässt: www.brownbear.de

In der grafischen Darstellung werden die Frequenzen entlang der horizontalen Achse abgebildet und die entsprechenden Lautstärken senkrecht.

Unkomprimierte Musik wird als wirres Frequenzgemisch dargestellt samt der nicht-hörbaren Frequenzen oberhalb von 18 kHz. Die stammen aus den hochfrequenten Anteilen, d.h. Obertönen, z.B. von Streichinstrumenten.
Ganz anders, wenn das gleiche Stück in der MP3-Version analysiert wird. Man erkennt, dass die Frequenzen oberhalb von 18 kHz einfach abgeschnitten sind.

Soweit die Theorie. Wie aber wandelt man seine Musikschätzchen ins MP3-Format? Meist haben wir die Musik nämlich auf CDs und die ist da eben noch nicht komprimiert. Kein Problem, da gibt's nämlich gleich mehrere Varianten.

Am einfachsten ist die Direktaufnahme, bei der sich CD's auch ohne PC ins MP3-Format umwandeln und abspeichern lassen. Voraussetzung: Der MP3-Player muss einen integrierten Encoder, also das Komprimierungsprogramm beinhalten. Einfach den Audio-Ausgang des CD-Players mit dem Line-Eingang des MP3-Players verbinden und MP3-Kodierung starten.

Komfortabler geht's mit Hilfe des PC's, einer USB-Verbindung und einem sogenannten Grabb- oder Rip-Programm. Diese Software kann man kaufen, aus dem  Internet herunter laden oder ist den meisten MP3-Geräten beigefügt. Am Computer können Musiktitel dann nicht nur kodiert werden, sondern auch sortiert, beschriftet und schließlich auf den Player überspielt werden. Gute Klangergebnisse bei vergleichsweise kleinen Dateien erzielen man mit einer Bitrate von 128 Kilobit pro Sekunde.
Die konvertierten Musikstücke erkennt man schließlich an der Endung MP3.

Im einfachsten Fall ziehen Sie einfach per Drag & Drop den zu komprimierenden Titel aus der Explorerliste ins Feld des MP3-Gerätes. Dabei wird der Titel automatisch komprimiert und überspielt.

Dank der MP3-Kompression können Musikstücke auf ca. 8 Prozent ihrer ursprünglichen Datenmenge reduziert werden, das entspricht etwa dem 12. Teil. Damit kann auf einem Computer 12 Mal soviel Musik gespeichert werden und Musik über das Internet 12 Mal so schnell herunter geladen werden. Auf einer selbst gebrannten CD haben dann bis zu 12 normale CD's Platz. Wenn Sie so wollen, passt die komplette CD-Sammlung in die Jackentasche.

Das hat natürlich auch die Hörbuchverlage begeistert. Wenn Sie sich schon einmal über die vielen CD's eines einzigen Hörbuches geärgert haben - mit MP3 kein Problem. 12 Stunden Spielzeit, sprich 12 Audio-CD's, passen auf eine einzige Hörbuch-CD. Inzwischen hat man häufig die Wahl: das unkomprimierte oder die MP3 Hörbuchversion zu kaufen. Oder Sie entscheiden sich für das unkomprimierte Hörbuch plus Mp3-Variante im Paket.

Übrigens, letzter Schrei sind die neuartigen MP4-Player. Bei MP4 handelt es sich aber weniger um ein weiter entwickeltes Verfahren zur Kompression von Audiodaten. In einem MP-4-Player können multimediale Inhalte wiedergegeben werden. Neben MP3-Musik, Bildern und 3-D-Grafiken sind das vor allem Videos im MPEG-4-Format , daher die Bezeichnung. MP4-Player sind also echte Tausendsassas. Allerdings sind komprimierte Videos im MPEG-4-Format  wirklich nur für die Wiedergabe in "Briefmarkengröße" geeignet. Bei zu großer Bildwiedergabe verschlechtert sich die Bildqualität sehr schnell.

Jean Pütz' Techni-Tipp:
Festplattenspieler sind in der Lage unglaubliche 80 GB zu speichern, das entspricht in etwa 20.000 Songs. Obwohl im Innern eine Datenscheibe rotiert, ist diese gegenüber Erschütterungen weitgehend immun. Kurze, abrupte Stöße werden nämlich von einem Zwischenspeicher ausgeglichen. Sollte jedoch ein Festplattenspieler bei laufendem Betrieb herunter fallen, kann das schnell das Ende bedeuten. Wer seinen MP3-Spieler also auch beim Sport nutzen will, ist mit einem Flash-Speicher besser bedient. Diese Speicherchips sind weitaus robuster als Festplatten und haben mittlerweile eine Kapazität von immerhin bis zu 8 GB.
In diesem Sinne: MP3 macht mobil.

Idee, Text und Fotos: Horst Minge

Bezugsquellen:

Speichermedien im Preiseinstiegssegment, aber in bester Qualität.
Neben CD-, DVD- und BluRay-Rohlingen, externen Festplatten, Speicherkarten und USB-Sticks werden auch MP3-Player, digitale Bilderrahmen und weitere Produkte der Unterhaltungselektronik vertrieben.

Intenso GmbH
Diepholzer Straße 15
49377 Vechta
Tel.: 04441-9991-0
www.intenso.de

Vom Walkman zum MP3-Player (oben). Moderne MP3-Player sind echte Winzlinge (unten). Vom Walkman zum MP3-Player (oben). Moderne MP3-Player sind echte Winzlinge (unten).

Analoge Bild-& Tonfrequenzen werden in diskrete digitale Werte überführt und in einen Strom aus Datenpaketen verwandelt (oben). Die Raster des Vordergrundes verändern sich häufiger als der Hintergrund (unten). Analoge Bild-& Tonfrequenzen werden in diskrete digitale Werte überführt und in einen Strom aus Datenpaketen verwandelt (oben). Die Raster des Vordergrundes verändern sich häufiger als der Hintergrund (unten).

Hundepfeifen und Insektenvertreiber senden für den Menschen unhörbare Frequenzen (oben). Obwohl viele Steine fehlen - das Motiv bleibt erkennbar (unten). Hundepfeifen und Insektenvertreiber senden für den Menschen unhörbare Frequenzen (oben). Obwohl viele Steine fehlen - das Motiv bleibt erkennbar (unten).

Mit dem Mit dem "Analyzer 2000" werden Frequenzen sichtbar (oben). CD-Sammlung für unterwegs (unten).

Flash-Speicher contra Festplatte (oben). Wir empfehlen SD-Karten von Intenso (unten). Flash-Speicher contra Festplatte (oben). Wir empfehlen SD-Karten von Intenso (unten).