Digitale Schnittstellen an Soundkarten

von lemursh, 17.11.05.

  1. lemursh

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    Erstellt: 17.11.05   #1
    Einführung
    In der Zeit, da bereits für kleines Geld ordentliche Hard- und Software für den anspruchsvollen Homerecordler zur Verfügung steht, soll dieser Artikel eine Übersicht über die Möglichkeiten und Grenzen des HD Recordings, anhand der Erläuterung der verschiedenen digitalen Schnittstellen bringen.

    Dieser Artikel gliedert sich in
    • Schnittstellen zum verbinden der Soundkarte / Audiointerface an das Hostsystem PC/MAC
    • Schnittstellen an Soundkarte/Audiointerface für die Kommunikation mit anderen Audiodevices
    • Internes zu Digitalwandlung, Begriffserklärung

    Verbinden der Soundkarte/Audiointerface an das Hostsystem
    Einführung:
    Zur Anbindung von Soundkarte/Audiointerface an ein Hostsystem stehen grundsätzlich drei Schnittstellen zur Auswahl. USB, Firewire (FW) und PCI. Als erstes eine kurze Einführung über die Datenmenge, die es zu verarbeiten gilt. Als Ausgangspunkt verwenden wir das CD – Format mit 16Bit Wortbreite und einer Samplingfrequenz von f=44.1kHz.
    Für einen Kanal betrachtet ergibt dies grob gerechnet:
    16Bit x 44.1kHz = 705600Bit/s = (70560Bytes/s x 60s)/(1x10e6) = 4.234MByte/min

    Also muss eine Schnittstelle mindestens 10Mbyte/min verwalten können, wenn man mal davon ausgeht, dass wir gerne stereophon hören möchten.

    Aufgrund der Parameter, die man normalerweise einstellen kann, hier noch weitere Betrachtungen:
    24Bit x 44.1kHz = 1058400Bit/s = (105840Bytes/s x 60s)/(1x10e6) = 6.35MByte/min
    24Bit x 48kHz = 1152000Bit/s = (115200Bytes/s x 60s)/(1x10e6) = 6.91MByte/min
    24Bit x 96kHz = 2304000Bit/s = (230400Bytes/s x 60s)/(1x10e6) = 13.83MByte/min
    24Bit x 192kHz = 4608000Bit/s = (460800Bytes/s x 60s)/(1x10e6) = 27.65MByte/min

    USB (Universal Serial Bus)
    Die USB Schnittstelle in Ihrer Ausprägung als V1.1 bringt max. 11MBit/s über den Bus. Als V2.0 immerhin schon 480MBit/s. Das dürfte doch locker reichen, dürfte man meinen. Schauen wir uns den USB mal genauer an:

    USB ist eine "klassische" Master-Slave Architektur. D.h. dass in der Regel dein PC/MAC als Host fungiert und die einzelnen Ports zur Verfügung stellt. Die Slaves hängen sich an diese Ports und teilen dem Master ihre Konfiguration mit resp. Fordern "Kommunikationszeit" an. Der Vorteil hierbei ist, dass der Master die Transferbandbreite pro Teilnehmer individuell regeln kann. D.h. die Priorität und die Transfergeschwindigkeit (USB 1.x / 2.0) wird nur durch den Master bestimmt. Hierbei kann es passieren, dass ein USB2.0 Device an einem USB 1.1 Port angeschlossen auch nur mit der USB1.1 Geschwindigkeit operiert, das ist den Anschlussbuchsen nicht anzusehen. Hierzu müssen die tech. Doks. der Hersteller zu Rate gezogen werden. Obwohl der USB2.0 eine theoretische Transfergeschwindigkeit von 480MBit/s hat wirst Du niemals diese Geschwindigkeit in realen Situationen erreichen (da Bsp. nicht nur ein Audiointerface am Bus hängt sondern auch noch Keyboard, Mouse, Palm, MP-3 Player, Speicherstöpsel etc.). Dies bedingt ein aufwendigeres Protokoll als bei FW und somit sinkt die Transferleistung da mehr Overhead produziert wird. Ein weiterer Vorteil von USB2.0 ist natürlich die sehr weite Verbreitung auf allen gängigen Platformen (PC/MAC). Hier noch der letzte Vorteil von USB: Der Verbrauch der einzelnen Devices darf 500mA bei 5VDC = ca. 2.5VA (normalerweise PC/MAC Notebook) also an einem Stecker nicht überschreiten! Deshalb ist ein USB Audiodevice für den mobilen stromunabhängigen Einsatz ev. besser geeignet.

    Für die technisch interessierten User:
    Low-Speed USB 1.1: 1.5 MBit/s,
    Full Speed USB 1.1: 12 MBit/s,
    High Speed USB 2.0: 480 MBit/s

    FireWire (FW) (IEEE1394)
    Die FW Schnittstelle gibt es als FW400 oder FW800. Beide Zahlen geben den max. Datendurchsatz an: 400Mbit/s für FW400 oder kurz FW und 800Mbit/s für FW800. Auch hier schauen wir uns den Bus mal näher an:
    FW ist ein "Peer-to-Peer" Netzwerk, d.h. alle Geräte am Bus sind grundsätzlich gleichberechtigt. Die einzelnen Peers sind somit intelligent und können Buskonflikte selbständig beheben. Zudem handeln die Peers untereinander aus wer in dem Netzwerk den Busmaster spielt. Meldet sich der Busmaster ab geht der "Streit" um den Master wieder von vorne los. Aufgrund dieser Topologie und der verwendeten Protokolle ist FW400 in manchen Applikationen schneller als USB2.0. Allerdings lässt ein FW Netzwerk "nur" 63 Geräte zu (127 bei USB). Ein Nachteil von FW wird leider gerne übersehen. Um ein FW Gerät, dass die Spezifikation voll ausschöpft, muss der Notebookakku schon mächtig dick sein. Denn ein FW Device darf 1.25A bei 12VDC = ca. 15VA verbraten!! Deshalb ist ein FW Port mit Buspower an Notebooks relativ selten anzutreffen!
    Für die technisch interessierten User:
    IEEE1394a: 100, 200 oder 400 MBit/s
    IEEE1394b: 800, 1600 oder 3200 MBit/s

    Häufig taucht die Frage auf: Was ist besser: USB2.0, Firewire oder PCI? Die Antwort: Es spielt keine Rolle! Die Geschwindigkeitsunterschiede sind nicht spürbar.


    PCI (Peripheral Component Interconnect)
    Der PCI ist natürlich Standard unter allen Schnittstellen. Auch hier gibt es ihn in verschiedenen. Revisionsständen, was uns aber nicht weiter zu interessieren braucht. Wichtig ist hier nur eines: Der PCI wird zwangsläufig im Gehäuseinnern eines Rechners kontaktiert. D.h. es werden Steckkarten verwendet, daher auch der Begriff Soundkarte. Da diese Schnittstelle direkt mit dem Chipsatz und Prozessor in Verbindung steht, ist sie natürlich von der Transferleitung her die Schnellste (max. 528MByte/s). Genauere Informationen zu PCI gibt es >HIER<.

    Schnittstellen an Audiointerfaces
    Neben den analogen Ein- und Ausgängen besitzen die meisten Audiointerfaces auch noch rein digitale Schnittstellen. Wozu den digital und was kann man damit machen, werden sich einige Fragen. Nun, digitale Schnittstellen eignen sich um besonders verlustarm(frei) Audiodaten auf der digitalen Ebene hin und herzuschieben. Anbei eine Erläuterung der gängigsten Schnittstellen:

    ADAT (Alesis Digital Audio Tape)
    Eigentlich eine Schnittstelle, resp. ein Verfahren zum digitalen Aufzeichnen von Audiodaten auf Magnetbänder (S-VHS). Mittweile ist es aber fast schon Synonym für eine optische Schnittstelle, Hardwareseitig als TOSLINK ausgeführt, die max. 8 Kanäle auf einer Frequenz von 48kHz mit bis zu 24Bit Auflösung (Wortbreite) überträgt. Mittlerweile gibt es Abwandlungen dieser Schnittstelle bei der über denselben Hardwareanschluss max. 4 Kanäle mit 96kHz / 24Bit übertragen werden können. Diese Schnittstelle ist optimal dazu geeignet, die ev. benötigten Analogkanäle zu erweitern über einen LINE- / MIC Preamp, der als Ausgang über eine ADAT Schnittstelle verfügt. Somit kann man seinem Audiointerface für im Verhältnis wenig Geld, max. acht zusätzliche Kanäle spendieren.

    ADAT Sync
    ADAT Sync ist eine Schnittstelle zur Synchronisation von mehreren ADAT Geräten. Es werden hierbei nur Taktsignale und keine Audiodaten übertragen. Ausgeführt ist die ADAT Sync als 9Pol D.Sub Stecker. Im Sync. Verbund gibt es immer einen Clockmaster, die anderen Geräte entsprechend als Slave.

    AES/EBU (Audio Engineering Society/European Broadcast Union)
    Ist eine Schnittstelle, die max. zwei Kanäle, also Stereo zwischen verschiedenen digitalen Audiodevices übertragen kann. Die AES Schnittstelle ist entweder als XLR (symmetrisch) oder BNC verwendet. Die Impedanz der Kabel ist hierbei wesentlich, je nach verwendeter Spezifikation der Schnittstelle kommen symmetrische110Ohm Kabel zum Einsatz (XLR), oder 75Ohm Koaxialkabel (BNC). Vorteil der Schnittstelle ist die max. Leitungslänge von ca. 300m. Die Samplingfrequenz liegt auch hier bei max. 48kHz. Für den Homerecodler eher weniger wichtig, dafür improfessionellern Umfeld. Genaueres bzgl. Format und dessen Aufbau gibt es bei der EBU >HIER<.

    SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers)
    SMPTE ist eigentlich keine Schnittstelle, sondern eine Bezeichnung einer Vereinigung wie in der Überschrift aufgezeigt. Das SMPTE ist lediglich ein Protokoll, dass dazu dient, Audio und Videomaterial zu synchronisieren. Die Spezifiktaionen wird von der ITU und ANSI Gremien festgelegt.

    Wordclock
    Der Wordclock ist eine allgemeinere Form des ADAT Sync und dient ebenfalls dazu, verschiedene Audiogeräte synchron im Takt zu halten. Der Wordclock wird, ausgehend von einem Clockmaster, busförmig (Out à In à Out à In etc.) auf die Audiogeräte verteilt, die dann alle im Gleichschritt marschieren. Übliche Clockfrequenzen sind hierbei wieder 44.1, 48, 96 und 192kHz. Übliche Schnittstelle ist ein BNC Anschluss mit Koaxkabel 75Ohm. Ein exakter Wordclock kann aus mittelmässigem Equipment auf einmal deutlich mehr herauskitzeln, das sich der Jitter in sehr engen Toleranzen bewegt. Bei günstigen Audiointerface wird meist am Clock etwas gespart, da es nicht gerade einfach ist, einen sehr präzisen Clock zu erreichen. Durch eine externe Taktung steigt auf einmal deren Wandlerqualität an. Bei bereits hochwertigen Produkten lässt sich solch ein Effekt vielleicht noch messtechnisch, jedoch nicht hörbar feststellen.

    S/PDIF (Sony/Philips-Digital Interface)
    Ist eine Schnittstelle, die maximal zweikanalig, als stereophon übertragen kann. Als Steckerformate kommen entweder Cinch mit Impedanzkorrigierten Cinchkabel (75Ohm) oder optische Kabel mit dem Toslinkstecker vor. Üblicherweise werden auf professionelleren Audiointerfaces die ADAT Lightpipe und der S/PDIF gemeinsam auf eine Toslinkbuchse geführt, die dann alternativ zu verwenden ist. Im Prinzip entspricht S/PDIF dem AES/EBU Format. Es ist sozusagen das AES/EBU die professionelle Variante von S/PDIF.

    MIDI (Musical Instrument Digital Interface)
    MIDI ist eine Schnittstelle für die Übertragung von Steuerinformationen. Es werden keine Audiodaten wie bei den anderen Schnittstellen übertragen sondern Daten um die Töne zu beschreiben, Bsp. Tonhöhe, Tonlänge, Velocity etc. Als Anschluss kommt Standardmässig ein 5Pol DIN Anschluss zum Einsatz. Neuere Implementationen verwenden aber auch USB und Firewire. Da es sich um ein relativ langsames serielles Format handelt, kann praktisch jede beliebige Steckerform gewählt werden, sofern diese mit den entsprechenden Signalpegeln arbeitet. Eine genaue Übersicht gibt es >HIER<.

    Internes zur digitalen Audiotechnik, Begriffserklärung

    Jittter (englisch für "Fluktuieren" und "Schwankung")
    Ein Jitter ist ein unerwünschter Effekt in der Übertragungstechnik. Hierbei tritt das Problem auf, dass ein Timing resp. ein Clock nie vollkommen gleich schnell ist wie der vorhergehende. Das heisst es gibt minimalste Schwankungen rund um den theoretischen Wert. Dadurch gibt es Abweichungen in der Zeitachse als auch in der Amplitude. Dadurch ergeben sich dann auf einem konstantem periodischen Signal betrachtet, pro Sample ein unterschiedliches binäres Ergebnis, sagen wir mal +/- 1Bit. Darunter leidet dann die Audioqualität, da dieser Vorgang, bis wir ihn hören, ja über zwei Signalwandlungen (A/D D/A) durchgeführt werden. Da, wie oben schon erwähnt, eine sehr präzise, jitterarme Taktung im Verhältnis zu den restlichen Komponenten sehr teuer ist, erreichen günstige Produkte im Vergleich zu Taktspezialisten, bei gleichen A/D Wandler eine deutliche schlechtere, hörbare, Audioperformance.

    A/D Wandler (englisch ADC: Analog to digital converter)
    A/D steht für Analog – Digital Wandler. Diese Baugruppen stellen, neben dem Clock, das Herz eines Audiosystems dar. Diese Baugruppe wandelt ein analoges Signal, nach unterschiedlichen Methoden, in ein digitales Signal um. Diese digitalen Signale werden dann vom Rest des Audiosystems zu einem für den jeweiligen Ausgang/Schnittstelle (s.o.) Datenstrom zusammengefügt. Die wichtigsten Kenngrössen für einen A/D Wandler sind die Auflösung in Bits, die Umwandlungsgeschwindigkeit, das Signal – Rausch Verhältnis (S/N Ratio) in dB sowie der Dynamikumfang in dB.

    D/A Wandler (englisch DAC: Digital to analog converter)
    D/A steht für Digital – Analog Wandler. Diese macht genau funktionell genau dasselbe wie der A/D Wandler, halt nur umgekehrt. Deshalb gilt das Gleiche wie für die A/D Wandler.

    Generell zur A/D / D/A Umsetzung: Es gibt verschiedenste Wandlerprinzipien, die alle ihre Vor- und Nachteile haben. Da das Thema so komplex ist, wird hier bewusst nicht weiter darauf eingegangen.
     
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