MPEG-1-Audio

MPEG-1-Audio hat sich aus dem klassischen MPEG-1 herauskristallisiert und dient der Kompression von Audiodateien. Bei dieser verlustbehafteten Kompression werden nicht hörbare Töne ausgefiltert und nicht bearbeitet.

Die verschiedenen Layer von MPEG-1-Audio

MPEG-1-Audio unterscheidet zwischen verschiedenen Layern, die unterschiedliche Filterverfahren, Transformationstechniken und, daraus resultierend, unterschiedliche Kompressionsfaktoren und Qualitätsstandards repräsentieren. So sind einige Kompressionsverfahren besser geeignet für die Audiokompression von qualitativ hochwertigem Audio in HiFi-Qualität, andere für Radioqualität und wieder andere für Sprachübertragungen. Das Verfahren arbeitet mit Abtastraten von 32 kHz, 44,1 kHz und 48 kHz. Die Abtastrate von 44,1 kHz wird bei Audio-CDs benutzt. Bei Studioqualität mit einer Abtastrate von 48 kHz und einer Quantisierung von 16 Bit ergibt sich eine resultierende Datenrate von 768 kbit/s für Mono und 1,536 Mbit/s für Stereo, daraus errechnet sich eine Datenmenge von 11,52 KB/min. Bei niedriger Audioqualität können die Datenraten zwischen 32 kbit/s und 192 kbit/s für ein monophones Signal liegen.

Entsprechend reichen die Spannen in den Kompressionsraten von etwa 4:1 für MPEG-1 (Audio) Layer-I bis 12:1 für MPEG-1 (Audio) Layer-3 und sogar 88:1 für Sprachübertragungen mit MPEG-2 auf Layer-3.

Layer 1 von MPEG-1

Bei der Kompression in MPEG-1 Layer-I (MP1) werden die Frequenzanteile des zu komprimierenden Audiosignals mittels Subband-Codierung in 32 Bandpassfiltern mit identischen Bandbreiten von 625 Hz ausgefiltert. Zur Datenreduktion werden die einzelnen Frequenzbänder nach dem menschlichen Hörverhalten maskiert, bevor sie einzeln quantisiert werden. Die Codierung erfolgt mit 384 Samples je Kanal, die ein Frame bilden. Auf MP1 können zur weiteren Datenreduktion die beiden Tonkanäle getrennt oder teilweise gemeinsam bearbeitet werden.

MPEG-1 (Audio) Layer-II (MP2) hat gegenüber MP1 eine höhere Komplexität und verwendet für die Codierung drei Subframes mit je 384 Samples pro Frequenzband; also insgesamt 1.152 Samples pro Band. Dadurch wird eine effizientere Maskierung der Bänder erreicht. Die resultierende Datenrate liegt bei MP2 mit ca. 200 kbit/s unter der von MP1 mit 380 kbit/s. MP2 wird im Musicam-Verfahren für Streaming-Übertragungen im Digitalrundfunk wie dem Digital Audio Broadcast (DAB) eingesetzt.

Layer 3 von MPEG-1

MPEG-1 (Audio) Layer-III (MP3) ist das bekannteste Kompressionsverfahren von MPEG-Audio. Es arbeitet mit einer wesentlich höheren Anzahl an Frequenzbändern und kann dadurch die Maskierung besser der menschlichen Hörcharakteristik anpassen. Außerdem nutzt MP3 die FFT-Transformation oder die DCT-Transformation (MDCT), um die Psychoakustik in die Quantisierung einfließen zu lassen. Mit MP3 reduzieren sich die Datenraten für die Audiodatenströme auf ca. 160 kbit/s für CD-Qualität. Auch die anderen MPEG-Varianten unterstützen die Kompression von Audio. So wurde bei MPEG-2 und bei MPEG-4 mit dem Advanced Audio Coding (AAC) von dem Verfahren mit den Bandfiltern abgewichen. Darüber hinaus benutzt MPEG-4 noch weitere Audio-Codierungen wie beispielsweise Code Excited Linear Prediction (CELP).