FireWire Audio von RME - Technischer Hintergrund

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Übersicht über aktuelle FireWire Audio Lösungen

RME ist der einzige Hersteller, der nicht eine FireWire Audio Technologie eines Drittanbieters nutzt. Alle anderen Hersteller nutzen dedizierte all-in-one FireWire Audio Chips. Daher ist ihr Zugriff auf Bugfixes und Verbesserungen sehr eingeschränkt. Nachfolgend eine kleine Übersicht der derzeit verwendeten Chips:

BridgeCo: Wird von M-Audio, Terratec, ESI, Edirol, Presonus, Apogee und Tascam verwendet.

Philips AV LLC: Im Einsatz bei Motu und Hercules.

Angekündigt: Ein neuer Chip von Texas Instruments, mitentwickelt bzw. unterstützt von Echo. Wird in zukünftigen FireWire Geräten von Echo und Mackie Verwendung finden.

Angekündigt: Ein neuer Chip von TC, genannt Dice II. Vor einigen Jahren hat TC einen Hersteller von Non-Audio FireWire Chips übernommen. Jetzt soll dieser Chip, angekündigt schon vor über einem Jahr, endlich erscheinen. Wenn, dann wird er mit Sicherheit in zukünftigen TC FireWire Audio Interfaces Verwendung finden.

Angekündigt: Ein Chip von Oxford Semiconductors namens OXFW970. Er ist sehr einfach aufgebaut, soll sehr preisgünstig sein, und könnte eine weitere Flut extrem billiger FW Audio Interfaces in 2005 verursachen.

Unterschiede zwischen RME und allen anderen

Das Bild zeigt den Unterschied zwischen unserer Lösung und allen anderen. Ein dedizierter FireWire Audio Chip enthält grundsätzlich alles ausser dem Physical Interface (der kommende TI Chip wird sogar den PHY enthalten). Der FireWire Audio Controller selbst, samt eines speziellen RISC Prozessors, und der sogenannte Link Layer Controller sind alle in einem Chip zusammengefasst. Der RISC Prozessor wird ausserdem benutzt (missbraucht...) um ein bisschen Audio DSP Funktionalität bereitzustellen, was ihm aber mangels Rechenleistung nicht überzeugend gelingt. Eine Alternative ist die Nutzung eines extern angeschlossenen DSP, der dann alle möglichen Arten von Effekt- und Mixprocessing erlaubt. Der grösste Nachteil eines externen DSP ist die eingeschränkte Transferrate (Bandbreite) zwischen DSP und FW Core, welche die Anzahl prozessierter Kanäle signifikant limitiert. Beispielsweise ist der Matrix-Mischer der HDSP MADI, der gleichzeitig 8192 Lautstärkewerte berechnet, überhaupt nur deshalb möglich, weil er direkt im FPGA sitzt, und superschnelles RAM (interne Zellen) nutzen kann. Anderenfalls wäre die erforderliche Speicherbandbreite nicht zu erreichen.

RME hat den FireWire Audio Core komplett selbst entwickelt. Ausserdem kann diese Lösung, da sie in einem FPGA realisiert wurde, jederzeit verändert, verbessert und von Bugs befreit werden. Und unsere DSP Funktionen, wie TotalMix und Pegelmessung, werden von einem speziell entworfenen Audio DSP durchgeführt, der sich direkt im FPGA befindet.

Die von uns benutzten Link Layer Controller und Physical Chip stammen beide von Texas Instruments. Dies sollte eine maximale Kompatibilität garantieren, da TIs Chipsatz weit verbreitet ist, und selbst in Apple Computern zum Einsatz kommt. Der LLC ist direkt mit dem FPGA verbunden, was uns eine uneingeschränkte Kontrolle über alle verfügbaren Funktionen beider Chips sichert. Anderenfalls kann die Konfiguration eines Link Layer Controllers üblicherweise nur vom Chip-Hersteller durch eine neue Firmware geändert werden.

Typische Pro Audio Merkmale

Wie Sie sich sicher vorstellen können, wurden die dedizierten (Custom) FireWire Chips von Entwicklern entworfen, die praktisch keine Ahnung von den aussergewöhnlichen Merkmalen und Funktionen der RME-Produkte haben. Daher fehlt bei diesen Chips so einiges, was später nicht mehr hinzugefügt werden kann, selbst nicht durch ein Firmware Update. Einige typische Pro Audio Merkmale sind:

  • Lock zu externen Signalen in Echtzeit

  • Support für Varipitch/Varispeed

  • Offset-freies Record/Playback

  • Support von Mehrgerätebetrieb

  • Support für Samplerates bis zu 192 kHz

  • Änderung der Puffergrösse in Echtzeit

Einzigartige FireWire Merkmale von RME

RMEs FireWire Audio Controller wurde auf Grundlage aller Merkmale der RME PCI Interfaces entwickelt. Das Fireface sollte sich ganz einfach verhalten, als wäre es eine unserer PCI-Karten. Nachfolgend eine Liste von einzigartigen Merkmalen des Fireface 800, die derzeit in Geräten anderer Hersteller nicht zu finden sind:

 
  • Vollständiger Echtzeit Samplerate Lock

  • Vollständige Echtzeit Samplerate Kontrolle, selbst bei laufender Wiedergabe/Aufnahme

  • Vollständige Start/Stop Kontrolle. Kein veränderter Offset nach Neustart.

  • Extremer Varispeed / External Sync Support, in allen Modi (selbst DS / QS).

  • Reduzierter Protokoll Overhead, da keine CIP (Common Isochronous Packet format) Header gesendet werden (AVC, mLan)

  • Funktionierende FireWire 800 Lösung

  • Funktionierender FW800 Fix für Windows XP SP2

  • Latency change on the fly, während ASIO und GSIF laufen

  • Hardware-basierter Data Packet Check und Dropout Correction

 

Data Packet Check und Drop Correction

Ein aussergewöhnliches Merkmal, welches eine detaillierte Erläuterung verdient. Es gibt zwei Gründe für Clicks und Dropouts:

  • Die der Audioengine zur Verfügung stehende Zeit reicht nicht um die anfallenden Daten zu bearbeiten. Dieses Problem wird sehr einfach durch eine Erhöhung der Puffergrösse (Latenz) beseitigt.

  • Verlust von Daten aufgrund von Überlastung oder schlechter Performance des PCI-Bus

Bitte beachten Sie dass alle FW Interfaces in IBM kompatiblen Computern am PCI-Bus angeschlossen sind! Es gibt keinen PC Chipsatz mit integriertem FireWire. Macs dagegen haben FW im Chipsatz integriert.

Mit dem Fireface tritt das letztgenannte Problem öfter auf als früher, da OHCI-Chips empfindlicher auf PCI-Bus Performance Probleme reagieren als unsere Hammerfall PCI Karten. RME bietet nun erstmalig eine einfache Methode, zwischen Aussetzern durch CPU Überlastung (welche sich durch Vergrösserung der Latenz/Puffergrösse beseitigen lassen), und dem Verlust kompletter FireWire Datenpakete zu unterscheiden.

 

Die FireWire-Kommunikation zwischen PC und Fireface geschieht mittels markierter Pakete. Das Fireface 800 kann daher feststellen, wann und wie viele Pakete verloren gegangen sind. Die Zahl der erkannten Fehler wird dann im Settingsdialog rechts unterhalb von 'Video' eingeblendet. Keine Pakete verloren - keine Anzeige. Die Anzeige wird ausserdem gelöscht (resettet) sobald eine neue Wiedergabe startet.

RMEs Error Display erlaubt auf einfachste Weise, die Leistungsfähigkeit einer DAW in Bezug auf Übertragungsfehler zu überprüfen. Fehler, die kein Problem von RME sind. Sie sind die gleichen für jeden Hersteller, verursacht von der Kombination Motherboard/FireWire Controller. Der Treiber hat auf diese Problematik (leider) keinerlei Einfluss.

Ein interessanter Aspekt ist, dass die Error-Anzeige Vertrauen in ansonsten eher unvorhersehbar reagierende Hardware schaffen kann. Starten Sie Audio, und spielen Sie mit Windows, den Windows, der Festplatte und dem Netzwerk herum. Wenn solche Aktionen keine Fehleranzeige im Settingsdialog verursachen, dann ist die DAW vollkommen kompatibel und zuverlässig - zumindest in Sachen Audiohardware.

 


 

Treten Klicks und Aussetzer auf ohne dass eine Fehleranzeige erfolgt, ist die DAW vermutlich für Echtzeit-Audio nicht leistungsfähig genug. Aber das ist ein anderes Thema, welches hier nicht näher erörtert wird.

So weit also Teil 1. Teil 2 ist noch weitaus interessanter. Wann immer ein Datenpaket verloren geht verschiebt sich die aktuelle Sampleposition um die Anzahl verlorener Samples. Auf diese Weise wird zunächst der zusätzliche Safety Buffer verbraucht. Danach wird die Position so kritisch, dass die Applikation keine Zeit mehr findet den Puffer zu bearbeiten. Selbst bei minimaler CPU Last ist der hörbare Effekt wie bei 100% CPU Last - komplette Verzerrung. Schliesslich läuft die Position ins negative und führt zu drastisch erhöhter Latenz.

Wer an an solchen Effekten leidet braucht dringend einen neuen Computer, da die PCI-Bus Performance offensichtlich schlicht miserabel ist. Aber natürlich versucht RME auch aus einer solchen Situation noch das Beste herauszuholen. Es gibt nicht viele Möglichkeiten um dieses Problem zu beseitigen:

  • Die Hardware stoppen. Es hängt von der Stabilität und Robustheit der Audio-Applikation ab, ob sie solch einen (unerwarteten) Zustand überlebt.

  • Die Hardware stoppen und kurz danach wieder starten (circa eine Sekunde stoppen). Schon besser, kann aber immer noch ein Problem mit der Audio-Applikation erzeugen.

  • Stop und Neustart der Hardware so schnell wie möglich.

Das genau macht RME. Das Fireface stoppt Audio für circa 3 ms (!), resettet auf diese Weise die Sampleposition bei jedem Verlust von Datenpaketen. Das funktioniert phantastisch, ist ein herausragendes, einzigartiges Merkmal der RME Hardware, und zeigt einmal mehr die erstaunlichen Möglichkeiten, die sich nur ergeben wenn man sich nicht auf eine feste Chip-Lösung verlässt.

Der schnelle Neustart korrigiert sogar die Position von Aufnahmedaten. Führen Sie einmal eine Aufnahme über 5 Minuten durch, mit (beispielsweise) Cubase oder Nuendo, und lösen absichtlich eine PCI-Überlastung aus. Ergebnis: das aufgezeichnete Wavefile enthält eine Stelle mit 3 ms gemutetem Audio. Alle folgenden Audio Samples sind an ihrer korrekten Position! Ein Aussetzer von 3 ms erlaubt es sogar, den Aussetzer nachträglich unhörbar zu machen. Durch das Hinzufügen einiger Samples am Anfang und Ende des Mute-Segmentes, durch einfaches Malen oder Auffüllen mit anderem (kopiertem) Material macht den kurzen Aussetzer schnell unhörbar.

Fazit

RMEs erste FireWire Lösung, das Fireface 800, kam vergleichsweise spät auf den Markt. Nichtsdestotrotz wurde RME sofort zum führenden Anbieter von FireWire Audio. Wir haben schon heute Pro-Merkmale, für die andere nur auf neue Chips warten können, die einiges fixen mögen, oder anderes hinzufügen, aber höchst wahrscheinlich nicht die überragende Lösung ergeben die RME bereits bietet. RME wurde erneut zur Referenz, und beim Blick auf die Angebote unserer Mitbewerber werden wir noch eine ganze Zeit Referenz bleiben!

Copyright © Matthias Carstens, 2004.

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