Aliasing ist eine Form der Verzerrung, die bei digitalen Synthesizer, digitalen Signalprozessor oder Software-Synthesizern vorkommt, wenn das zu verarbeitende Signal die Nyquist-Frequenz des Systems überschreitet. Aliasing ist also ein Begriff, der allgemein im Bereich der digitalen Signalverarbeitung verwendet wird.
Aliasing ist ein Begriff der Signalverarbeitung und tritt auf, wenn ein System mit einer unzureichenden Abtastrate gemessen wird. Aliasing kann entweder auftreten, wenn der Anti-Alias-Filter im A/D-Wandler nicht so hochwertig ist, oder weil das System überlastet ist. Letzteres ist die häufigste Aliasingquelle, da Überlastungen zur Erzeugung hochfrequenter Oberwellen im digitalen System selbst führen. Aliasing kommt also vor, wenn die höherfrequenten Komponenten des Signals aufgrund der niedrigen Abtastfrequenz nicht erfasst werden können, was zu Überschneidungen im Spektrum führt.
Es ist am einfachsten, Aliasing in Form eines visuellen Sampling-Systems zu beschreiben, das wir alle kennen. Wenn du schon einmal einen Western gesehen hast und das Rad eines rollenden Wagens scheinbar rückwärts fährt, bist du Zeuge von Aliasing geworden. Die Bildrate des Films reicht nicht aus, um die Drehfrequenz des Rades zu beschreiben, und unsere Augen werden von der Fehlinformation getäuscht.
Der Effekt zeigt sich zum Beispiel auch in Bildern, bei denen es ein Muster mit hoher Variation gibt (z.B. gestreiftes Hemd) und das Muster komisch aussieht: Dies geschieht, weil die Streifen in Wirklichkeit höhere Ortsfrequenzen enthalten, als die Kamera aufgrund der begrenzten Anzahl von Pixeln aufnehmen konnte.
Nyquist-Frequenz
Das Nyquist-Theorem sagt uns, dass wir Frequenzkomponenten bis zur Hälfte der Abtastfrequenz erfolgreich abtasten und wiedergeben können. Wenn ein Analogsignal digitalisiert wird, wird jede Komponente des Signals, die über der Hälfte der Abtast- oder Digitalisierungsfrequenz liegt, „aliasiert“. Diese Frequenzgrenze wird als Nyquist-Frequenz bezeichnet. Die Abtastrate bestimmt diesen Frequenzbereich, da sie die Nyquist-Frequenz einstellt. Die Nyquist-Frequenz ist die maximale Frequenz, die mit einer bestimmten Abtastrate aufgezeichnet werden kann. Bei einer Abtastrate von 48.000 Samples pro Sekunde liegt die Nyquist-Frequenz bei 24.000 Hz. Bei einer Abtastrate von 44.100 Abtastungen pro Sekunde beträgt die Nyquist-Frequenz 22.050 Hz. Enthält ein Signal Frequenzen, die größer als die Nyquist-Frequenz sind, werden sie vom Konverter interpretiert und auf Frequenzen kleiner als die Nyquist-Frequenz abgebildet.
Anti-Aliasing-Filter
Aliasing ist ein großes Problem für digitales Audio, da es normalerweise nicht erwünscht ist, dass sich Frequenzen in einem Signal ändern. Das Gute daran ist, dass es eine spezielle Komponente gibt, um Aliasing als Teil des Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlungsprozesses zu verhindern. Diese Komponente wird als Anti-Aliasing-Filter bezeichnet. Der Anti-Aliasing-Filter verhindert, dass Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz umgewandelt werden. Dadurch wird verhindert, dass Signale während des Konvertierungsprozesses ihre Frequenz ändern. Im Idealfall ist ein Anti-Aliasing-Filter ein Brick-Wall-Filter, der alles unter der Nyquist-Frequenz passieren lässt, während er alles über der Nyquist-Frequenz filtert. Darüber hinaus wäre dieser Filter hörbar transparent, ohne eine Phasenverschiebung im Durchlassbereich hervorzurufen. Ein Anti-Aliasing-Filter wird immer dann benötigt, wenn analoge Signale abgetastet werden, oder wenn ein digitales Signal von einer hohen Abtastrate in eine niedrigere Abtastrate umgewandelt wird. Bei den meisten A/D-Wandlern handelt es sich um einen zweistufigen Prozess. Es gibt eine Anfangsphase der Abtastung mit einer sehr hohen Rate, in der ein analoger Anti-Aliasing-Filter verwendet wird. Das Material wird dann auf die gewünschte Rate heruntergerechnet (z.B. die CD-Rate von 44,1 kHz), wobei ein digitaler Anti-Aliasing-Filter verwendet wird, um das Endergebnis zu erzielen.