AUDIO-DATEIFORMATE
Die Entwicklung der digitalen Audioformate ist verwirrend, voller Umwege und Sackgassen, aber auch spannend und lehrreich. Warum gibt es eigentlich so viele Formate? Welches klingt am besten? Und wie sollte man sie einsetzen?
MP3, AAC, WAV – bei Digitalformaten wird’s unübersichtlich. Wir zeigen, welche Formate es gibt und was sie können
Mit dem Siegeszug der CD- DA (Compact Disc Digital Audio) seit Anfang der 1980er- Jahre wurde HiFi digital. Zwar gab es schon vorher Ansätze zur digitalen Konservierung von Musik, aber erst mit der CD gelang der Durchbruch im Massenmarkt. Fast zeitgleich erfolgte ein zweiter digitaler Siegeszug in den Wohnungen und Häusern der Menschen: der des Heimcomputers. Man muss kein Genie sein, um eine Verbindung zwischen den beiden Technologien zu ziehen. Es wurde also notwendig, Audio- Dateiformate für Computer zu entwickeln. Erstens um professionelle Software schreiben zu können, mit der Schnitt und Mastering von Audio- CDs möglich wurden, zweitens sollte digitale Musik auf dem Computer auch für normale Menschen so einfach handhabbar werden wie Texte oder Grafiken. Doch es noch war ein langer Weg, bis digitale Musik an Heim- PCs in CD- Qualität direkt aus dem Speicher abspielbar wurde. Ein einfaches Rechenbeispiel macht dies klar: Die Audio- CD arbeitet mit einer Nettodatenrate von 1,411 Megabit pro Sekunde (16 Bit x 2 Kanäle x 44100 Samples pro Sekunde) – das sind rund 150 Kilobyte pro Sekunde. Die typische Arbeitsspeicherausstattung eines Macs oder PCs bis Ende der 80er- Jahre lag bei 4 bis 8 Megabyte. In den Speicher passten also gerade einmal 45 bis 60 Sekunden Musik, wenn sie nicht von einem Massenspeicher in Echtzeit nachgeladen werden konnte. Und das war das nächste Problem, denn schnelle Festplatten waren noch rar, während die damals verbreiteten Disketten zu wenig Speicherplatz boten (720 Kilobyte bis 1,4 Megabyte) und zu langsam waren. Heute ist das Schnee von gestern: Schnelle SSD-Speicher schaffen locker 500 Megabyte pro Sekunde und mehr. Der Arbeitsspeicher eines durchschnittlichen PCs oder Macs liegt bei 8 Gigabyte (8000 Megabyte). Daran lässt sich trefflich erkennen, wie sich die Technik weiterentwickelt hat, aber auch, wie fortschrittlich die CD damals war. Bei den Audioformaten muss man grundsätzlich zwischen dem Kodierer (Codec) und dem Containerformat unterscheiden. Oft wird das in einen Topf geworfen, doch es bedeutet nicht immer dasselbe. Als Containerformat gilt die Datei, die man als normaler Anwender auf dem PC „sieht“. Sie hat einen Namen und eine Endung. Die Endung deutet in der Regel auf das Containerformat hin, aber nicht unbedingt auf den verwendeten Kodierer. Eine Datei mit der Endung WAV kann Audiodaten in unterschiedlichen Kodierverfahren beinhalten. Welcher Codec verwendet wurde, sieht man ihr nicht an. Erst die Software, die versucht, die Datei zu öffnen und den
Inhalt abzuspielen, ist in der Lage, den Codec zu bestimmen. Bei MP3 und FLAC deutet das Containerformat hingegen auch auf den Kodierer hin.
AIFF – VORREITER APPLE
Kaum zu glauben, aber beim Thema Digitalaudio hatte der heutige iPhone- Hersteller Apple damals schon die Nase vorn. Der Grund: Schon der erste Macintosh- Computer, der 1984 auf den Markt kam, verfügte über einen eingebauten D/A-Wandler. Zum Vergleich: Der damals meistverkaufte Heimcomputer, der C64 von Commodore, kam zwar mit einem leistungsfähigen Soundchip (SID). Dieser war aber im Wesentlichen nichts anderes als ein mehrkanaliger Tongenerator mit Filter und Hüllkurven. Digitale Audiodaten konnte er ohne ganz spezielle Software-Tricks nicht wiedergeben. Nun war der Wandler im ersten Macintosh auch noch rudimentär. Er löste nur 8 Bit auf und erlaubte Samplefrequenzen bis maximal 22 Kilohertz sowie lediglich Monowiedergabe. Aber der Anfang war gemacht. Wollten Programme digitalen Sound abspielen, musste dieser erst einmal in Dateiform vorliegen – das Containerformat AIFF war geboren. Die AppleEntwickler setzten hier auf dem IFF- Format auf, das ursprünglich der Spielehersteller Electronic Arts für Pixelgrafiken entwickelt hatte. IFF hatte einen Vorteil: Es war erweiterbar. Sogenannte Chunks, von denen jeder einen eindeutigen Kurznamen bekam, sorgten dafür, dass man Meta- und Nutzdaten problemlos in der Datei finden konnte. Der Dekoder musste nur nach dem passenden Chunck- Namen suchen. Die Chunks wiederum waren klar definiert; man konnte jederzeit neue Chunks dazudefinieren. Später ließen sich sogar sogenannte ID3-Tags in einem Chunk ablegen. Diese Tags stammten von dem erst wesentlich später aufkommenden MP3- Format und ermöglichten es, auch die Covergrafiken direkt in der Datei zu speichern. Das war schon sehr praktisch. Dennoch blieb AIFF vornehmlich in der Apple-Welt beheimatet und wird auch heute noch eingesetzt. Programmierer legen Soundschnippsel gerne im AIFF- Format in Programmen ab, die bei bestimmten Aktio- nen ein akustisches Feedback liefern sollen. Zum dauerhaften Ablegen von Audiodaten etwa auf einem Netzwerkspeicher ist AIFF zwar grundsätzlich geeignet, man beschränkt sich hier dann aber künstlich auf die Apple- Plattform. Außerdem verschwendet man Platz, weil die im AIFF- Container möglichen, verlustlosen Komprimierverfahren kaum Platz gewinnen.
WAV – MICROSOFTS ANTWORT
Mit Windows, dem Konkurrenz- Betriebssystem zu Apple Macintosh, brachte Microsoft zusammen mit IBM erstmalig digitales Audio in den PC. Microsoft wollte nicht einfach das etablierte AIFF übernehmen, da es ja vom Erzfeind Apple stammte. Also entwickelte man ein eigenes Containerformat und nannte es Wave ( Welle) oder kurz WAV. Ganz ähnlich wie AIFF enthielt eine WAV- Datei ursprünglich die Audiosignale in unkomprimierter Form als rohe PCM- Daten. Erst später kamen andere Kodierverfahren mit verlustbehafteten oder verlustlosen Komprimierungsmethoden hinzu. Man kopierte auch das von IFF und AIFF bekannten Chunk-System, benutzte allerdings andere Benennungen. Außerdem verwendete WAV für die Datenfelder feste 32- Bit-Werte, was eine Größenbeschränkung auf 4 Gigabyte pro Datei ergab. Für CD- Qualität reicht das in der Regel aus, wollte man aber höhere Sampleraten, tiefere Auflösung oder schlicht mehr als nur zwei Kanäle in
einer WAV- Datei speichern, führte das schnell zu Einschränkungen. Besonders, wenn digitale Schnittsysteme auf dem WAV- Format aufsetzten. Man musste das Format erweitern. Das übernahm die Firma Sonic Foundry, die später im Sony- Konzern aufging. Sonic Foundry erweiterte die festen 32- Bit-Werte auf 64 Bit, was die maximale Dateigröße auf utopische Werte hievte, die man in der Praxis nie erreichen wird – 3 Millionen Jahre Spieldauer in CD- Qualität! WAV ist lizenzfrei nutzbar und wird auch heute noch gerne als Containerformat für unkomprimierte PCM- Daten verwendet, überwiegend auf WindowsSystemen, aber auch als Austauschformat zwischen verschiedenen Be- triebssystemen wie Linux, Mac, AudioServer etc., was das WAV- Format zum Defacto- Standard für Audiodateien macht. Wenn Sie Dateien zwischen unterschiedlichen Systemen austauschen wollen, bietet sich WAV dafür als kleinster gemeinsamer Nenner an.
MP3 – DAS INTERNET RUFT
Bis Ende der 1990er- Jahre waren AIFF und WAV im Grunde die einzigen Formate, mit denen sich Audiodaten in hoher Qualität auf Computern speichern und verwalten ließen. Auch der Datenaustausch klappte prima. Aber nur, wenn man Disketten, Festplatten oder optische Speicher wie Daten- CDs oder DVDs hin und her reichte, denn in der Regel enthielten die Dateien unkomprimiertes Material – und das machte sie unhandlich groß. Als Ende der 90er- Jahre der InternetHype aufkam, wollte man Daten von Ort zu Ort, von Computer zu Computer übertragen, ohne umständlich einen physischen Datenträger auf die Reise zu schicken. Da kam MP3 gerade recht. Die wissenschaftliche Basis für MP3 waren jahrelange Forschungen zur Psychoakustik, die gezeigt hatten, dass das menschliche Ohr bestimmte Frequenzen nicht mehr wahnimmt, wenn sie von anderen Frequenzen überdeckt werden. Also kann man diese Informationen auch weglassen. Unter Führung des Fraunhofer- Instituts entstand der erste MP3-
Codec, der eigentlich handliche Tonspuren für digitale Videos erzeugen sollte. Der genaue Name lautet MPEG-2, Audio Layer III. MPEG steht für „Motion Pictures Experts Group“, einen Zusammenschluss aus Entwicklern und Firmen, die sich um Komprimierungsverfahren für digitales Bewegtbild ( Video) kümmern. MP3 schaffte es erstmals, digitale Audiosignale gegenüber unkomprimiertem PCM- Material um etwa den Faktor 10 zu verkleinern, ohne dass das Ergebnis indiskutabel schlecht geklungen hätte. Ein 5- Minuten-Song schrumpfte so auf rund 5 Megabyte, eine Datenmenge, die man damals durchaus schon mal übers Internet übertragen konnte. Die große MP3Revolution begann und Tauschbörsen wie Napster schossen wie Pilze aus dem Boden. Hier konnte man alles herunterladen, was der Musikmarkt hergab, und zwar kostenlos! Erst nach zahlreichen Gerichtsverfahren setzte der Gesetzgeber diesem Treiben 2001 ein Ende. MP3 ist bis heute ein beliebtes Dateiformat, um Musik zu speichern und zu verwalten. Besonders die Möglichkeit, zahlreiche Metadaten inklusive Grafiken für CD- Cover direkt in der Datei zu speichern, machte aus MP3 lange das Standardformat zum Musiktausch. Im Mai 2017 sind die letzten MP3- Patente ausgelaufen, seitdem ist das Format lizenzfrei nutzbar. Faktisch aber wurde es von anderen verlustbehafteten Verfahren abgelöst, die bei gleicher Datenrate besser klingen. MP3- Dateien sollten Sie daher möglichst nicht mehr verwenden. Der Klangverlust ist unnötig groß. Musikindustrie, in der Sony ja selbst tätig war. MP3 bot keinen Kopierschutz, man konnte die Songs beliebig oft kopieren und weiterreichen, ohne an Qualität zu verlieren. ATRAC führte erstmals ein Kopierschutzsystem ein (DRM, Digital Rights Managment). Man konnte eine CD einmal digital auf eine MiniDisc überspielen (wobei die Qualität bereits entsprechend dem verlustbehafteten Komprimierverfahren reduziert wurde), aber eine weitere digitale Kopie von dieser MiniDisc war nicht möglich. Qualitativ war ATRAC nicht viel besser als MP3, weshalb sich das Format nicht durchsetzte. Schade eigentlich, denn die MiniDisc- Medien waren dank magnetooptischem Aufzeichnungsverfahren sehr robust und ihrer Zeit damals voraus. ATRAC spielt heute keine Rolle mehr. Lediglich Musiker, die MiniDisc- Rekorder gerne für eigene Aufnahmen eingesetzt hatten, haben noch Interesse daran, die Aufnahmen ihrer MiniDiscs auf andere Medien zu überspielen. Dazu gibt es tatsächlich bis heute die Software SonicStage von Sony.
AAC – IPOD UND MOBILE MUSIK
Nachdem die MiniDisc gescheitert und Napster als kostenlose Tauschbörse Gechichte war, musste ein anderes praktikables und vor allem legales Verfahren her, um Musik aus dem Internet heruntezuladen und mobil zu genießen. Das erkannte Apple im Jahr 2001, startete die legale Download- Plattform iTunes und erfand den dazu passenden mobilen
Musik- Player, den iPod. Apple hatte hier offensichtlich vieles richtig gemacht, denn sowohl iTunes als auch der iPod wurden nach einigen Anfangsschwierigkeiten riesige Erfolge. Das lag nicht zuletzt an Apple- Chef Steve Jobs, der es schaffte, alle großen Plattenlabels an einen Tisch zu bringen und einen Deal für Musik- Downloads im Internet auszuhandeln. Bereits zum Start von iTunes waren die meisten aktuellen Bands vertreten. Auch der iPod brachte wichtige Neuerungen mit, die vor allem in seiner Bedienung lagen. Stolze 1000 Songs konnte bereits der erste iPod mit 5 Gigabyte Kapazität speichern. Doch wie sollte man in dieser Menge einen einzelnen Song schnell finden? Das löste Apple auf dem iPod mit dem sogenannten Scroll Wheel, einem drehbaren, flachen Kreis auf der Oberfäche, der praktisch einem analogen Eingabegerät gleichkam. Außerdem war der iPod deutlich kleiner als andere MP3- Player seiner Zeit und konnte Songs dank flottem FirewireAnschluss in Sekundenschnelle vom Computer übertragen. Doch auch Apple verschmähte MP3 – aus demselben Grund wie seinerzeit Sony – und führte einen eigenen Codec ein: AAC war geboren. Zwar stammte das Format nicht von Apple, sondern wie MP3 von der MPEG in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer- Institut, aber es lieferte besseren Klang bei gleicher Datenrate. Als Containerformat für AAC entschied sich Apple für MP4, das um die Möglichkeit eines Kopierschutzes erweitert wurde. Alle iTunes- Downloads der ersten Jahre waren mit diesem Kopierschutz versehen. Man konnte die Dateien nur auf maximal fünf dafür authorisierten Computern (oder beliebig vielen iPods) abspielen. Eine Konvertierung in ein anderes Format war offiziell nicht möglich. Erst im Jahr 2009 ließ Apple diesen unhandlichen Kopierschutz fallen. Obwogl es nach wie vor nicht erlaubt ist, gekaufte Songs einfach weiterzugeben, gibt es technisch keine Hürde mehr. Allerdings besteht die Möglichkeit, dass Daten des ursprünglichen Käufers eines Songs aus dem iTunes-Store verschlüsselt in die Musikdaten hineinkodiert sind. So lässt sich zurückverfolgen, wer den Song gekauft und gegebenenfalls weitergereicht hat. Diese Daten bleiben auch dann erhalten, wenn man den Song in ein anderes Format konvertiert, ja sogar dann, wenn man eine analoge Kopie davon erstellt. Apple hat allerdings nie offiziell zugegeben, dass die iTunesSongs derartig kodiert sind. AAC ist heute eines der am meisten verwendeten Dateiformate. Apple liefert nach wie vor alle iTunes- Downloads im AAC- Format aus, auch die Streaming-
Plattform Apple Music nutzt AAC, ebenso wie viele Internetradios. Und sogar das Digitalradio DAB+ setzt auf AAC. Wenn Sie Ihre Musikbibliothek auf dem Smartphone, dem Computer oder dem NAS möglichst platzsparend verwalten wollen, ist AAC das richtige Format. Aber Achtung – verlustlose Komprimierung ist damit nicht möglich. Sie verlieren gegenüber der CD an Klangqualität.
FLAC – OFFEN UND VERLUSTLOS
Weil Speicherplatz aufgrund der ständigen Weiterentwicklung der Festplattenkapazitäten immer preisgünstiger wurde, schwand die Notwendigkeit, Musik stark zu komprimieren. Für uns HiFiFans wurde es damit immer wichtiger, die Qualität der Musik zu erhalten. Ein verlustloses Format musste her, das aber dennoch besser als AIFF oder WAV funktioniert und moderne Möglichkeiten wie das Speichern von Metadaten mitbringt. Außerdem sollte es auch noch lizenzfrei nutzbar sein, damit nicht irgendein Konzern oder Institut den Daumen darauf haben kann. Die Antwort besaß einen Namen – FLAC. Die Entwicklung dieses Formats hatte zwar schon 2001 begonnen, aber erst in den letzten Jahren gewann FLAC mehr und mehr an Bedeutung. Es arbeitet mit PCM-kodierten Audiodaten und ist sowohl ein Codec als auch ein Containerformat. Die Komprimierung arbeitet hier grundsätzlich verlustlos und bringt etwa 50 bis 60 Prozent Platzersparnis, wobei der Komprimierungser- folg stark vom Ausgangsmaterial angängt. FLAC wird überwiegend dazu benutzt, CDs verlustlos zu rippen. Auch HiRes- Musik, die man sich auf Download- Plattformen wie www.hd-klassik. com kaufen kann, kommen meist im FLAC- Format. Es ist ausgereift, Programmierer bekommen den Codec im Quellcode für die verschiedensten Betriebssysteme. Lediglich Apple weigert sich beharrlich, FLAC zu unterstützen. iTunes auf dem Mac erkennt bis zum heutigen Tag keine FLAC- Dateien. Wenn Sie Ihre CD-Sammlung ohne klangliche Einbußen auf Ihren Computer oder ein NAS überspielen wollen, benutzen Sie FLAC. Damit sind sie auf alle Fälle für die Zukunft gerüstet.
ALAC – WIE FLAC, NUR VON APPLE
Da AAC nicht in der Lage ist, Musik ohne Klangverluste zu komprimieren, ersann Apple im Jahr 2004 das ALAC- Format. Weshalb der iPhone- Hersteller nicht gleich auf FLAC setzte, bleibt unbekannt. ALAC komprimiert ebenso wie FLAC grundsätzlich verlustlos. Als Containerformat benutzt es genau wie AAC das MP4- Format. Damit lassen sich ALAC- Dateien unter iTunes auf dem Mac und dem PC abspielen und verwalten. Und auch auf iOS- Geräten wie iPad und iPhone lassen sich ALAC- Dateien starten, sogar in HiRes- Qualität. Apples drahtlose Musikübertragung AirPlay verwendet ebenfalls den ALAC- Codec. Das ALAC- Format bietet gegenüber dem FLAC- Format lediglich den einen Vorteil, dass man damit seine Musiksammlung in iTunes verwalten kann. Viele Streaming- Clients erkennen ALACDateien ebenfalls.