„AoIP“ – Audio digital übertragen per IP-Netzwerk © Bodo Felusch
Die Anforderungen an die Konstruktionspräzision von Line-Array-Lautsprechern sind ein alter Hut. Der Waveguide [1] ist dabei das präziseste Bauteil — mit seiner Hilfe wird die Energie der Hochtontreiber möglichst kohärent [2], das heißt phasenlinear, der Schallaustrittsöffnung zugeführt. Der Wettkampf um den optimalen Waveguide ist aufgrund patentrechtlicher Einschränkungen weitgehend ausgereizt. Warum also nicht ein neues Fass aufmachen?
Akustische Kohärenz im Spannungsfeld zwischen Waveguide-Mechanik und Netzwerk-Synchronisation
Die Messlatte liegt bei 20 kHz. Die akzeptable Phasendifferenz im Waveguide beträgt 1/4 der Wellenlänge — 90° Phasendifferenz, Summationsergebnis +3 dB. Für die mechanische Konstruktion entspricht das einem Toleranzfenster von 4,3 mm. Ein gleiches Fehlerbudget auf der vorgelagerten elektronischen Ebene entspricht etwa 12,5 Mikrosekunden Zeitdifferenz. Das ist etwas mehr als ein Sample bei 96 kHz.
Zum Vergleich: Ein Temperaturunterschied von nur 1°C auf 10 m Distanz verursacht eine Laufzeitdifferenz von rund 51 Mikrosekunden – das Vierfache des gesamten elektronischen Fehlerbudgets. Die Akustik ist also empfindlicher gegenüber Umgebungsbedingungen als die Elektronik. Dieser Vergleich zeigt, wie eng die Toleranzfenster sind, innerhalb derer wir uns bewegen.
Die 1-Sample-Falle
Bevor Systemendstufen mit internem DSP [3] ausgestattet waren, gab es in einem typischen Beschallungssystem nur einen Taktgeber. Die Frage der Synchronisation erübrigte sich. Die nächste Generation DSP-Endstufen änderte das grundlegend — und schuf dabei ein Problem, das bis heute unterschätzt wird.
Wenn drei DSP-Endstufen dasselbe analoge Eingangssignal bekommen, aber jede ihren eigenen freilaufenden Taktgeber hat, driften sie auseinander. Nehmen wir eine interne Verarbeitung bei 96 kHz und einen Drift von ±10 ppm: Endstufe A schwingt mit 95.999,04 Hz, Endstufe B mit 96.000,96 Hz. Nach 1,04 Sekunden driften sie um exakt eine Samplelänge auseinander — 10,4 Mikrosekunden.
Die Wellenfront des Arrays wird instabil.
Nicht wegen des Waveguides, nicht wegen der Treiber,
sondern wegen unsynchronisierter Taktgeber.
Wir nennen das die 1-Sample-Falle
Da die Periodendauer von 20 kHz nur 50 Mikrosekunden beträgt, führt dieser Versatz bereits zu einer Phasenverschiebung von bis zu 75°. Das Ergebnis: 2 dB Pegeldifferenz im Hochton, die langsam und kontinuierlich wandert. Die Wellenfront des Arrays wird instabil — nicht wegen des Waveguides, nicht wegen der Treiber, sondern wegen unsynchronisierter Taktgeber.
Netzwerk ist nicht gleich Netzwerk
Audio-over-IP verspricht die Lösung — aber nur wenn man die Unterschiede zwischen den Standards versteht. Dante [4] mit PTPv1 erreicht unter optimalen Bedingungen 1 Mikrosekunde Synchronisationsgenauigkeit. Unter schlechten Netzwerkbedingungen — hohe Last, Jumboframes (Ethernet-Pakete mit einer Nutzlast von bis zu 9 kB), 100 Mbit/s Trunks — kann sich dieser Wert auf eine volle Samplelänge verschlechtern. Die 1-Sample-Falle tritt dann auch bei digitalem Audio auf, diesmal jedoch statisch statt wandernd.
AES67[5] mit PTPv2 Transparent Clocks reduziert die Synchronisationsabweichung auf unter 100 Nanosekunden. Mit Boundary Clocks sogar auf unter 50 Nanosekunden. AVB/TSN/Milan erreicht ähnliche Werte — und macht Phasenfehler bei 20 kHz physikalisch irrelevant.
Der entscheidende Punkt: Netzwerk-Paket-Jitter (PDV) ist nicht gleich Media-Clock-Jitter [6]. Die Klangqualität entsteht durch die Taktrückgewinnung im Empfänger — nicht durch die Pakete selbst. Ein stabiles PTP-Netzwerk (Precision Time Protocol) ist das Fundament, die PLL (Phase-Locked Loop oder Phasenregelschleife) im Empfänger ist der entscheidende Parameter.
Was das für die Praxis bedeutet
AES3, Milan, AES67 mit TC oder BC sowie Dante unter Best-Case-Bedingungen sind alle gleichermaßen geeignet, Line-Array-Systeme präzise zu versorgen. Lediglich Dante mit PTPv1 unter Worst-Case-Bedingungen und freilaufende DSP-Endstufen mit analogen Eingangssignalen tappen in dieselbe 1-Sample-Falle.
Wer die Präzision eines modernen Waveguides elektronisch nicht verspielen will, findet im vollständigen Artikel die ganze Analyse: Synchronisationsstandards im Vergleich, die Mathematik der Summation, die ASRC-Falle und eine Übersichtstabelle aller relevanten System-Szenarien mit Summenpegeln bei 20 kHz. Den vollständigen Beitrag findet ihr auf: Präzision im Netzwerk | Audio-over-IP als Signalquelle für Line-Array-Lautsprecher Systeme .
Über Bodo Felusch, Netzwerkspezialist, Trainer und Initiator von IT For AVs®, Mastering Event IT
2010 entwickelte Bodo Felush einen Branchenstandard für Mediennetzwerke in der Veranstaltungstechnik. Er eliminiert Rüstzeiten und macht Komplexität beherrschbar. Bodo Felush zeigt in seinen Seminaren allen interessierten Veranstaltungstechnikern, dass Netzwerke keine Blackbox sein müssen — egal woher man kommt. Und nach ein paar Tagen gehen die meisten mit einem Lächeln …
Glossar
[1] Waveguide-Mechanik = In der Audiotechnik dient ein Waveguide dazu, das Abstrahlverhalten von Hochtönern zu kontrollieren: Er ist so konstruiert und geformt, dass die Abstrahlung des Hochtöners korrigiert (also: gebündelt) wird, damit sie der Bündelung des Mitteltöners entspricht und sich somit ein gleichmäßiges Abstrahlverhalten ergibt. Quelle „Der beste Klang“: Der Monitor Audio Uniform Dispersion Waveguide .
[2] Kohärenz = In der Akustik sind zwei Signale kohärent, wenn sie identisch sind, oder die gleiche Kurvenform haben aber unterschiedliche Amplituden. Oder aber sie sind identisch, jedoch mit minimaler Verzögerung voneinander (Laufzeitdifferenz).
Davon abweichend spricht man von einer Teilkohärenz, wenn der Kohärenzgrad kleiner 1 ist. Beispielsweise wenn bei den o.g. Fällen die Gleichheit der Kurvenform nicht hundertprozentig gegeben ist (Kugelflächenmikrophon, Kunstkopf). Quelle „Uni Köln“: Kohärenz und Korrelation in der Tonstudiotechnik .
[3] DSP (Digitaler Signalprozessor) = elektronischer Baustein, der einer kontinuierlichen Bearbeitung digitaler Signale dient, z. B. Audio- oder Videosignale. Zur Verarbeitung analoger Signale wird der DSP in Verbindung mit Analog-Digital-Umsetzern und Digital-Analog-Umsetzern eingesetzt.
Digitale Signalprozessoren dienen nicht nur als Ersatz für aufwendige analoge Filtertechnik, sondern können darüber hinaus Aufgaben ausführen, die analog nur schwer oder überhaupt nicht lösbar wären. Digitale Signalprozessoren werden heute unter anderem in Mischpulten (Frequenzspektrum, Tonhöhenanpassung, Hall etc.), Equalizer, Frequenzweichen, Synthesizern und weiteren Geräten verwendet. Quelle „Wikipedia“: Digitaler Signalprozessor .
[4] Dante = Dieses Netzwerkprotokoll ist die Kombination aus Hard- und Software sowie dem Netzwerkprotokoll, die es erlaubt, mehrere Kanäle unkomprimierter digitaler Audiosignale mit geringer Latenzzeit (Delay) über ein Netzwerkkabel zu übertragen.
Dante-fähige Audiogeräte nutzen ihre Dante-Schnittstelle parallel zur Übertragung der Audiosignale dazu, darüber fernbedient zu werden. So lassen sich die Parameter von Vorverstärkern (Gain, Pad, Phantomspeisung etc.) über die Netzwerkkabelverbindung von einem Steuerrechner aus fernbedienen, was es erlaubt, diese Geräte bei Live-Veranstaltungen als Stageboxen auf der Bühne zu positionieren. Quelle „Wikipedia“: Dante (Netzwerkprotokoll) .
[5] AES67 = AES67 ist ein offener Interoperabilitätsstandard, der von der Audio Engineering Society entwickelt wurde. Im Gegensatz zu DANTE ist AES67 kein proprietäres (Proprietär = mangelnde Kompatibilität → Urheberrecht) Protokoll, sondern vielmehr ein Framework (Grundgerüst), das verschiedene IP-basierte Audionetzwerke miteinander verbindet. AES67 bildet eine Brücke zwischen verschiedenen Netzwerktechnologien und ermöglicht die Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Systemen. Quelle „Mebucom“: Dante vs. AES67: Ein Vergleich zweier Audionetzwerk-Technologien .
[6] Jitter = IT: Schwankung der Laufzeit von Datenpaketen / Audio: unerwünschte zeitliche Schwankungen in einem Digitalsignal.
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