Der Hinweis des Interviewers ist ein roter Hering. Die Einschränkung, die Sie hören, ist seit langem Teil des Telefonnetzes, bevor die digitale Abtastung einen Teil des Telefonsystems hatte. Dies gilt auch für Ortsgespräche, bei denen das Signal nie digitalisiert wird.

Dies hängt damit zusammen, dass die Verbindung von einem Festnetztelefon in Ihrem Haus oder Büro zurück zur "Zentrale" erfolgt. der Telefongesellschaft ist im Wesentlichen eine kontinuierliche Verbindung über ein Paar Drähte. Es sind normalerweise keine aktiven Schaltkreise wie Verstärker, Repeater, Digitalisierer oder andere Elektoniker beteiligt.

Angesichts der Technologie von vor 100 Jahren, als das Telefonnetz zum ersten Mal entworfen wurde, konnte eine Verbindung dieser Länge wirklich nur eine sehr begrenzte Bandbreite tragen. Die Ingenieure, die das Netzwerk entworfen haben, haben zahlreiche Experimente durchgeführt, um festzustellen, welche Frequenzen übertragen werden müssen, damit die Menschen die reguläre Sprache des anderen verstehen können, und das Netzwerk nur so konzipiert, dass sichergestellt ist, dass diese Frequenzen übertragen werden. Sie haben dem System keine kostspieligen Komponenten hinzugefügt, wenn sie nicht benötigt würden, um dieses Ziel zu erreichen.

Zum Beispiel könnten sie passive Filter verwendet haben, um hohe Frequenzen in Schaltkreisen "hervorzuheben", die etwas länger waren (und neigen daher natürlich dazu, die hohen Frequenzen als der Durchschnitt auszuschalten) oder hohe Frequenzen in Schaltkreisen abzuschneiden, die kürzer als der Durchschnitt waren, um sicherzustellen, dass alle Benutzer so viel wie möglich die gleiche Verbindungsqualität erhalten.

Später, als sie anfingen, Multiplexing zu verwenden, um mehrere Sprachschaltungen über eine einzige Leitung zu verbinden (z. B. für Verbindungen zwischen Städten), ermöglichte die begrenzte Bandbreite ihnen, mehr Verbindungen auf einer einzigen Leitung zu übertragen, und Zu diesem Zeitpunkt wäre die Bandbreitenbeschränkung absichtlich durch Filtern erzwungen worden, um sicherzustellen, dass Konversationen nicht untereinander übersprechen

Als schließlich das digitale Abtasten und die digitale Übertragung in das Netzwerk eingeführt wurden, kamen die in den anderen Antworten diskutierten Einschränkungen des Abtasttheorems ins Spiel. Glücklicherweise ermöglichten die in den frühen Tagen analoger Telefonnetze eingeführten Bandbreitenbeschränkungen die Digitalisierung mit wirklich niedrigen Bitraten, ohne die Signalqualität unter das bisherige Niveau zu verschlechtern, und dies ermöglicht es wiederum, mehr Gespräche auf einem bestimmten Kabel zu führen das Netzwerk.

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Ich möchte mit einem wichtigen Punkt zusammenfassen, den ich zuvor in einem Kommentar zu einer anderen Antwort gepostet habe:

Die in der digitalen Telefonie verwendete digitale Abtastrate (und später die Komprimierungsmethoden) wurde so gewählt, dass sie den Eigenschaften des analogen Telefonnetzes entspricht, nicht umgekehrt.

Laut Wikipedia liegt der Frequenzbereich des einfachen alten Telefondienstes zwischen 300 Hz und 3,4 kHz. Bei jeder Musik, die Sie hören, fehlen also die tiefen Frequenzen und die hohen Frequenzen. Wenn Sie sich an das letzte Mal erinnern, als Sie Hold-Musik auf dem Telefon gehört haben, werden Sie sich wahrscheinlich daran erinnern, dass sie etwas gedämpft klang, aber ich muss sagen, dass sie immer noch erkennbar ist, d. H. Sie können erkennen, welche Musik abgespielt wird. Ich würde mich ärgern, wenn mein Hi-Fi so klingt, aber die Musik ist nicht völlig verstümmelt.

In meiner Jugend war ich ein Hi-Fi-Enthusiast, und die technischen Daten der Hersteller würden es tun rühmen sich, dass ihre Geräte ein flaches Frequenzspektrum von etwa 20 Hz bis 20 kHz hatten. Das Problem bei der Wiedergabe in einem Telefonsystem besteht darin, dass, wie in der Antwort DisplayName erwähnt, für das Übertragen einer Frequenz $ f $ über ein digitales Netzwerk eine Abtastfrequenz von mindestens $ 2f $ Andernfalls erhalten Sie Aliasing. Das Bereitstellen von Bandbreite kostet Geld und reduziert die Anrufkapazität (d. H. Weniger Anrufe pro Glasfaser), sodass Telefon-Backbones eine Abtastfrequenz von nur 8 kHz verwenden und daher die höchstzulässige Frequenz 4 kHz beträgt. Die Obergrenze ist etwas niedriger, da es schwierig ist, Audiofilter mit sehr scharfen Grenzwerten zu entwickeln. Die oben erwähnte Grenze von 3,4 kHz soll vermutlich sicherstellen, dass keine Frequenz in der Nähe von 4 kHz durchkommt.

Ob für die Musikwiedergabe ein so großer Frequenzbereich erforderlich ist, ist umstritten. Bei einer kürzlich durchgeführten Höruntersuchung wurde mir gesagt, dass ich nichts über 12 kHz hören kann (zu viele Black Sabbath-Gigs in meiner Jugend), aber Musik auf meiner HiFi-Anlage klingt für mich immer noch gut.

Sehen Sie sich den Nyquist-Satz an. Die Abtastfrequenz muss mindestens doppelt so hoch sein wie die Abtastfrequenz. Das heißt, deshalb kann das menschliche Ohr bis zu ca. hören. 20 kHz und die CD-Samples bei 44,1 kHz.

Wikipedia Nyquist-Shannon Theorem

Was hören wir stattdessen, wenn wir (ursprünglich) hören ) 5 Hz bis 20 kHz Musik über das Telefon? Ist alles über 8 kHz einfach weg oder gibt es einen anderen Effekt? Werden 14 kHz bei 7 kHz irgendwie (aber anders) hörbar sein?

Oder mit anderen Worten: "Was passiert mit den Frequenzen, die über der Nyquist-Schwelle liegen?" P. >

Die Frequenzen fehlen. So einfach ist das. Nicht anwesend. Stattdessen erinnert sich unser Ohr daran, was aufgrund der Erfahrung dort sein sollte. Wenn Sie also mit jemandem sprechen, wissen Sie am Telefon, dass Ihr Gehirn hinzufügt, was da sein muss. Trotzdem bemerkte ich, dass mein Gehirn mir beim ersten Mal die wirklichen Informationen gab (fehlende Frequenzen) und erst später erfuhr, dass es den Rest nur vortäuschen kann, basierend auf der Kenntnis der Stimme des Gegners. Siehe Wikipdedia: CELP, das einen ähnlichen Ansatz für die Audiokomprimierung verwendet.

Wenn Sie mehr über die Gründe für die Abtastrate von 8 kHz erfahren möchten, können Sie erneut Wikipedia verwenden: Wikipedia: PSTN Der verwendete Standard ist G.711. Auch Abtastfrequenz und menschliche Sprache, die ich noch nicht gelesen habe, geht auf das ein, was Sie als Minimum für menschliche Sprache benötigen, einschließlich Grafiken und Erklärungen. Schließlich können Sie in Wikipedia: MP3 nachsehen, um die Psychoakustik zu verstehen. Tipp ein Beat maskiert Dinge, die zum Beispiel danach kommen. Damit das Zeug fallen gelassen werden kann, da man es und andere nette Dinge nicht hört. : D

Dies liegt an der Signalverarbeitung, nicht an der Physik. Telefonanbieter wenden eine aggressive Komprimierung an, die so optimiert ist, dass nur Sprache gut aufgezeichnet werden kann. Der noch verwendete AMR -Codec stammt aus dem Jahr 1999 und erreicht bis zu 13 kbit / s. Jeder andere Codec würde Musik mit dieser Bitrate auch nicht gut aufnehmen. Sogar MIDI verbraucht mehr Daten.

Telefongesellschaften haben das Telefon nur für die Übertragung von Sprachfrequenzen gebaut. Bass- und Hochtönerfrequenzen liegen im Allgemeinen außerhalb des Bereichs, für den die Telefone gebaut wurden. Früher hörte ich eine Radiosendung, in der ein Anrufer, der mit einem lahmen Witz anrief, Grillen spielte, die der Person am Telefon zwitscherten. Es dauerte lange und einige unangenehme Momente, bis der Anrufer am Telefon die Grillen nicht hören konnte, die Radiohörer jedoch. Also machten sie einen On-Air-Test und reparierten Grillen, um zu telefonieren und zu senden. Sicher genug, dass die Grillen vom Telefonsystem fast vollständig blockiert wurden.

Es gibt verschiedene Gründe. Stellen wir uns nur dem digitalen Kanal.

1. Es wird nur ein bandbegrenztes Signal verwendet. G.711 verwendet eine Abtastrate von 8 kHz, was zu einer nutzbaren Bandbreite von 4 kHz führt, die für die Stimme übrig bleibt. Es ist in Ordnung für Sprachtelefonie, aber für Musik fast unbrauchbar. Andere Codecs verwenden andere Bandbreiten, zum Beispiel verwendet G.722 (Breitbandtelefonie) eine Abtastrate von 16 kHz, eine effektive nutzbare Bandbreite von ~ 8 kHz. Das klingt viel besser.

2. Sonderfall findet in Handy-Codecs statt. Dies sind sogenannte Hybrid-Codecs. Diese Codecs sind stark für die Sprachübertragung optimiert (sogenannte Hybrid-Codecs). Sie verwenden verschiedene Modelle des Stimmapparates, die durch eine stark reduzierte Signalform Ihrer Stimme angeregt werden. Wenn Sie sich für dieses Zeug interessieren, suchen Sie nach: Basisband-RELP, GSM-Fullrate-Codec, CELP. Aber Vorsicht: Das ist schweres Zeug.

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Mit dem Nyquist-Theorem senden Telefone nur Frequenzen, die halb so hoch sind wie die Abtastrate, die als Nyquist-Frequenz bezeichnet wird. Bei einer Abtastrate von 8000 Abtastungen pro Sekunde werden nur Töne mit einer Frequenz von weniger als 4000 Hz korrekt übertragen.

Die Grundfrequenz (die Tonhöhe, die Sie hören) der menschlichen Stimme liegt im Bereich von 80 bis 1100 Hz. Harmonische Frequenzen (Komponentenfrequenzen mit einer Frequenz eines ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz) der menschlichen Stimme können viel höher sein. Daher ist eine Abtastrate von 8000 Abtastungen pro Sekunde ausreichend, um menschliche Stimmen ohne viele Probleme zu übertragen (Oberschwingungen können die Nyquist-Frequenz immer noch überschreiten).

Wenn Frequenzen über der Nyquist-Frequenz übertragen werden, wie in Beim Übertragen von Musik tritt Aliasing auf. Dies führt zu Verzerrungen. Dies ist in der folgenden Abbildung detailliert dargestellt.

Die rote Linie ist das Originalsignal. Die blauen Punkte geben die Zeiten an, zu denen Proben des Originalsignals entnommen wurden. Die blaue Linie ist das vom Ohr aus der unzureichenden Abtastrate rekonstruierte Signal. Wie Sie sehen können, wurde es vom roten Signal verzerrt und hat jetzt eine niedrigere Frequenz. Eine Frequenz, die niedriger ist als die Nyquist-Frequenz der Abtastrate.

Ich habe einen einfachen Matlab-Code für ein Aliasing-Erlebnis geschrieben.

WARNUNG: Schalten Sie die Lautstärke der Lautsprecher / des Headsets vor der Ausführung herunter.

 % Aliasing in Matlab.% http://physics.stackexchange.com/questions/104281/ Warum kann man Musik nicht gut über eine Telefonleitung hören? = 8000% Abtastrate (Hz) Nyquistfrequenz = fs / 2% Nyquistfrequenz (Hz) Frequenz = [1000; 2000; 3500; % ^ diese Frequenzen spielen gut 4500; % v Diese Frequenzen erfahren ein Aliasing und werden auf eine Frequenz verzerrt, die niedriger als die Nyquist-Frequenz 6000 ist. 7000]; % Frequenzen (Hz) Dauer = 1; % Dauer der Signalanzahl der Abtastwerte = Ceil (Dauer * fs); % Anzahl von Beispielen
sample_times = (1: Anzahl der Abtastwerte) / fs; [h w] = Größe (Frequenz); für i = 1: h ist Stromfrequenz = Frequenz (i)% Stromfrequenz simplesound = sin (2 * pi * Stromfrequenz * Stichprobenzeiten); % create sound wavplay (simplesound, fs)% play soundend;