Synchronisation

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Samplefrequenz, Wordclock, PLL und Co: Ein kleiner Überblick zum besseren Verständnis

Mit dem fortschreitenden Wechsel von analoger zu digitaler Technik müssen sich immer mehr Anwender mit einem Thema beschäftigen, welches früher nur Fortgeschrittene und/oder Profis berührte: die Synchronisation. Für Verwirrung sorgen die verschiedenen Möglichkeiten, was im jeweiligen Falle gerade genau mit Synchronisation gemeint ist. In diesem Überblick geht es nicht um MIDI Time Clock oder SMPTE, sondern um die allgegenwärtige Problematik des digitalen 'Audio-Miteinander'.

CD zu DAT

CD-Player und DAT Rekorder bieten sich als Erklärungshilfe gleich mehrfach an, denn ihr Funktionsprinzip ist leicht verständlich, und die Geräte den meisten DIGI32 Anwendern sicher vertraut.

In der analogen Technik kann man beliebige Geräte beliebig miteinander verschalten, eine Synchronisation ist nicht erforderlich. Digital Audio ist jedoch einem Grundtakt, der Samplefrequenz, unterworfen. Das Signal kann nur korrekt weiterverarbeitet oder transportiert werden, wenn alle beteiligten Geräte dem gleichen Takt folgen. Ansonsten kommt es zu Fehlabtastungen des digitalen Signales, Verzerrungen, Knackgeräusche und Aussetzer sind die Folge.

Im praktischen Einsatz sind digitale Geräte entweder Master (Gebieter) oder Slave (Sklave). Der Master gibt den Takt vor, alle Slaves richten sich nach dem Master.
 

Nicht alle Geräte sind so konstruiert, daß sie sowohl Master als auch Slave sein können! Beispielsweise richten sich übliche CD-Player nur nach ihrer internen Clock. Sie lassen sich von außen nicht mit einem anderen Takt versorgen, können also nur Master sein.

Jedes Gerät, welches in der Lage ist digitale Audiodaten zu empfangen, ist automatisch slavefähig (also als Slave einsetzbar), sonst wäre keine störfreie Aufnahme möglich. Ein DAT beispielsweise enthält eine spezielle Schaltung, welche aus dem digitalen Datenstrom den Grundtakt extrahiert und als interne Clock zur Verfügung stellt. Ein Teil dieser Schaltung ist die PLL (Phase Locked Loop), grob übersetzt phasenstarre Regelschleife. Sie kann dank eines andauernden, genauen Vergleichsvorganges die Taktfrequenz aus dem Digitalsignal extrahieren.

Bild 1 zeigt das Zusammenspiel der Geräte. Der CD-Player gibt mittels seines digitalen Ausgangssignales (SPDIF) den Takt vor, der DAT lockt sich (mittels PLL) auf dieses Signal ein und schaltet seine interne Taktquelle ab. Dadurch kann er die Audiodaten des CD-Players ohne Störungen aufnehmen. 

Master - oder wie?

Jeder digitale Eingang kann also auch als Referenztakt dienen, wobei diese Möglichkeit oft nur für den geräteinternen Gebrauch besteht. Da digitale Geräte auch ohne Eingangssignal funktionieren sollen, enthalten sie auch eine interne, feste Clock (Quarz). Deshalb ist der DAT bei Playback als Master nutzbar.
 

Übliche DATs sind allerdings bei Wiedergabe nur (!) als Master nutzbar, da - wie im Blockschaltbild dargestellt - bei Record die PLL, und bei Wiedergabe automatisch die interne Clock genutzt wird.

Verwirrend (und leider durch spezifische Fachbegriffe derzeit nicht abgedeckt) wird es bei der Unterscheidung zwischen einem masterfähigen und einem vollständig masterfähigen Gerät. Vollständig bedeutet, eine Aufnahme zu erlauben ohne den Takt aus dem Eingangssignal zu beziehen, also weiterhin die interne Clock zu benutzen (gewissermaßen masterfähig im Full Duplex Betrieb).

Wenn ein Gerät eine Aufnahme erlaubt, ohne den Takt aus dem Eingangssignal zu beziehen, müßte es eigentlich zu Störungen kommen, da keine Synchronität zwischen dem Takt des Eingangssignales und dem internen Takt vorhanden ist. Wenn aber durch eine passende Gerätezusammenstellung und Verkabelung die Voraussetzungen für einen solchen Betrieb geschaffen werden, ist das Ganze kein Problem.

Digitales Mischpult und ADAT

Dazu wieder ein Beispiel, bei dem ein solcher Betrieb an der Tagesordnung ist: Digitales Mischpult und ADAT Rekorder. Das Mischpult ist Master, sendet die Daten zum ADAT.

Dieser verhält sich nun etwas anders als 'normale' DATs, denn er bietet die Möglichkeit, seine Taktquelle zwischen dem digitalen Eingang und der internen Clock zu wählen (Bild 2). Während ein DAT bei Wiedergabe immer und automatisch auf die interne Clock umschaltet, bezieht der ADAT bei entsprechender Einstellung seinen Takt weiter aus dem digitalen Eingangssignal. Er läßt sich also über sein Eingangssignal in Sachen Samplefrequenz in jeder Betriebsart synchronisieren.

Egal ob Playback, Record oder Input Monitor, er wird immer mit dem vom Master (hier Mischpult) gelieferten Takt arbeiten, und seine Daten in diesem Takt zum Mischpult zurücksenden.

Solch ein Verhalten könnte man auch als synchronisierbar bezeichnen, wird bei vielen Anwendern damit jedoch den Eindruck erwecken, das Gerät ließe sich per Timecode zeitlich steuern, also zum Beispiel synchron zu einer anderen Bandmaschine vor- und zurückspulen. Diese Fähigkeit hat jedoch nichts mit der hier zu Grunde liegenden Synchronisation auf die Samplefrequenz zu tun!

Damit es keine Tonstörungen durch Fehlabtastungen am digitalen Eingang des Mischpultes gibt, muß das Eingangssignal voll synchron zum vom Mischpult ausgegebenen Takt sein. Denn die Eingänge werden ja nicht über eine PLL auf den Takt des Eingangssignales eingestellt, sondern fest vom internen Takt des Mischpultes gesteuert. Und genau das ist in diesem Beispiel der Fall: Das Pult sendet ein Digitalsignal, erzeugt von seiner internen Clock, der ADAT empfängt dieses, kann sich dank PLL darauf 'einlocken', gibt wiederum ein Digitalsignal mit genau diesem Takt aus, welches dann am Mischpult als gültiges Eingangssignal fehlerfrei zu empfangen ist.

Interessant wird es genau anders herum: Das Mischpult wird als Slave betrieben, statt der internen Clock eine externe benutzt (Digitalsignal des ADAT am Mischpulteingang). Der ADAT arbeitet in der Betriebsart 'Int 44,1' oder 'Int 48'. Dann ist der ADAT Master. Verglichen mit einem DAT würde diese Konfiguration in dem Augenblick zusammenbrechen, wo der DAT auf Aufnahme gestellt wird. Der ADAT dagegen kann auch bei laufender Aufnahme den Takt vorgeben.
 

Eine Aufnahme ist nur deshalb störfrei möglich, weil sich das Mischpult auf den Takt des ADAT lockt, und seine Audiodaten mit genau diesem Takt zwecks Aufnahme zum ADAT sendet. Mit vielen digitalen Geräten ist diese Betriebsart nicht möglich, da sie bei Wiedergabe immer die interne Clock benutzen.

DIGI32 Serie

Das Funktionsprinzip der DIGI32 Karten ist in Bild 3 zu sehen. Alle drei Versionen besitzen interne Quarze, können also auch ohne Eingangssignal eine Wiedergabe in den festen Samplefrequenzen 32 kHz, 44,1 kHz und 48 kHz leisten (DIGI32 PRO zusätzlich in 64 kHz, 88,2 kHz und 96 kHz).

Sie können sich aber auch über eine PLL in der Eingangsschaltung auf das Eingangssignal synchronisieren. Im Gegensatz zum DAT in Bild 1 steht diese Synchronisation jedoch auch bei einer Wiedergabe zur Verfügung. Ist in der Settingsbox 'AutoSync' aktiv, und erkennt die Hardware ein gültiges Eingangssignal mit einer ähnlichen Samplefrequenz wie der gerade zum Abspielen benötigten, schaltet sie den Quarz ab und auf den am Eingang anliegenden Takt um.

Dieser Automatismus hat viele praktische Vorteile, und erlaubt zudem einen echten Varipitch-Betrieb, da die Samplefrequenz am Eingang zwischen 20 kHz und 60 kHz betragen kann. Die DIGI Karten sind also als Slave und Master einsetzbar, selbst bei Wiedergabe über das Eingangssignal synchronisierbar, also voll masterfähig.

Die Karten der DIGI32 Serie wurden als kompromißlose Hi-Speed Interfaces entworfen. Ein- und Ausgang teilen sich einen gemeinsamen Speicher (was zu einer sensationell geringen Loop Delay von nur 2 Samples bei Record while Play führt). Bei aktivem AutoSync sind Ein- und Ausgang absolut 'In Phase'.

Der Unterschied zu vollständig masterfähigen Geräten wie einem ADAT-Rekorder besteht in der Fähigkeit zum Schleifenbetrieb im Master-Mode. Dazu muß das Gerät einen Eingangsbuffer besitzen, den es aufgrund der speziellen Hi-Speed Schaltung bei der DIGI32 nicht gibt. Bild 3 verdeutlicht dies insofern, als der ADAT die interne Clock sowohl bei Record als auch Playback nutzen kann.

Schleifenbetrieb

Daraus ergibt sich für die Karten der DIGI32 Serie eine Einschränkung im sogenannten Schleifenbetrieb. Sie sind prinzipiell nicht in der Lage, alleine einen Schleifenbetrieb aufrecht zu erhalten. Dies gilt immer dann, wenn die anderen beteiligten Geräte ebenfalls nicht vollständig masterfähig sind. Eine typische Anwendung ist der Anschluß eines digitalen Effektgerätes mit Ein- und Ausgang an die DIGI32. Digitale Effektgeräte arbeiten meist genau wie die DIGI32, lassen sich also konstant vom Eingangssignal synchronisieren, jedoch nicht auf internen (vollständigen) Masterbetrieb umstellen. Das Abspielen von Audiodaten, senden zum Effektgerät, und sofortiges Wiederaufnehmen des bearbeiteten Signales ist daher trotz Full Duplex von Karte und Effektgerät nicht möglich, da das Signal innerhalb der Schleife sofort zusammenbricht.

Bild 4 zeigt ein Mischpult und ein digitales Effektgerät in Schleifenverkabelung. Die Schleife ist zwar in Sachen Audio geschlossen (tatsächlich kann es hier bei ungünstiger Einstellung auch zu einer Rückkopplung kommen), in Sachen Samplefrequenz/Takt jedoch im Mischpult unterbrochen.
   
Bild 5 zeigt die DIGI32 in einem unzulässigen Schleifenbetrieb. Hier gibt es keine Unterbrechung der Schleife, sowohl Effektgerät als auch DIGI32 versuchen per PLL aus dem Eingangssignal einen gültigen Takt zu generieren. Die Samplefrequenz driftet deshalb sofort in ungültige Bereiche, das Digitalsignal bricht zusammen.

Und es geht doch...

Bei Abschaltung von AutoSync und reinem Play-Betrieb der Karte ist die Schleife kein Problem, da sich die DIGI32 dann nicht mehr auf das Eingangssignal synchronisiert. Dieser Anwendungsfall ist bei einer Schleifenverkabelung mit einem DAT gegeben. Da der DAT entweder abspielt oder aufnimmt, und ein Record-Betrieb der DIGI keinen Sinn macht wenn der DAT ebenfalls auf Aufnahme steht, tritt hier ein doppelter PLL Modus in der Praxis nicht auf.

Der Schleifenbetrieb mit einem einfachen digitalen Effektgerät dagegen erfordert eine Möglichkeit, der Schleife einen Takt aufzuzwingen. Dies müßte normalerweise im Effektgerät selbst erfolgen, indem man dort einen internen Takt vorgibt, oder per Wordclock von außen einen solchen zuführt (Geräte mit einem Wordclock Eingang sind immer vollständig masterfähig).
 

Bietet das verwendete Gerät solche Optionen nicht, empfiehlt es sich die Schleife beliebig zu erweitern, das Signal also durch ein weiteres, vollständig masterfähiges Gerät zu leiten. Die Audiodaten sollten es per Bypass 1:1 durchlaufen. Im Normalfall wird dieses dritte Gerät ein digitales Mischpult sein, da diese immer eine Möglichkeit zur externen oder internen Synchronisation bieten, und grundsätzlich vollständig masterfähig sind.

Wer kein digitales Mischpult besitzt kann sich mit einem speziellen Clock-Generator behelfen, den wir selbst (wieder einmal mangels passendem Fachbegriffs) als Loop-Clock bezeichnen. Es handelt sich um eine recht einfache Schaltung, die einer Schleife aus mehreren, sich nur auf ihren Eingang synchronisierenden Geräten von außen einen Takt aufzwingt. Ein Schaltbild einer solchen Loop-Clock werden wir in Kürze als weitere Tech Info zur Verfügung stellen.

Eine weitere Möglichkeit liegt in der Verwendung eines Sample Rate Converters. Damit wird automatisch jede Schleife aufgebrochen und der Takt vom SRC vorgegeben.

DIGI32/8 und ADAT

Für die ADAT Schnittstelle der DIGI32/8 gilt alles bisher gesagte ebenfalls. Deshalb ist der Schleifenbetrieb von ADAT und DIGI32/8 problemlos möglich, wenn der ADAT als Master fungiert (Int), und die DIGI32/8 als Slave (AutoSync on).

Wir erhalten immer wieder Anfragen, warum DIGI32/8 keinen Wordclock Anschluß besitzt. Ganz einfach: weil die Karte nicht nur keinen benötigt, sondern er sogar die Qualität der Synchronisation deutlich verschlechtern würde! Schauen Sie doch einfach mal auf die Rückseite ihres ADAT. Dort gibt es auch keine Wordclock Anschlüße. Warum wohl...
 

DIGI32/8 braucht keinen Wordclock Eingang, weil sie sich perfekt auf das ADAT Eingangssignal synchronisiert. Und wegen der durch unsere spezielle Hi-Speed Hardware garantierten Phasenstarre von Ein- zu Ausgang ist auch das ausgegebene Signal immer synchron.

Irgendein Gerät im Verbund muß natürlich Master sein, sei es ein Digitalmischpult mit ADAT-Interface oder ein an die DIGI32/8 angeschlossener ADAT Rekorder. Der Master gibt seinen Takt über das optische Kabel zusammen mit den Audiodaten an die DIGI32/8, womit diese synchron zum Mischpult/ADAT arbeitet.

DIGI32/8 enthält eine Bitclock PLL. Diese ungewöhnliche Schaltung ist dank sehr feiner Auflösung in der Lage, dem vollen Varipitch Bereich der ADAT Rekorder zu folgen, ohne ein Sample zu verlieren. Das ist mit einer sehr viel groberen Wordclock nicht möglich! Eine Wordclock liefert statt dem tatsächlich benötigten Takt immer nur einen Bruchteil desselben. Beispiel SPDIF: 44,1 kHz Wordclock (ein einfaches Rechtecksignal mit exakt dieser Frequenz) muß innerhalb der Geräte mittels einer speziellen PLL um den Faktor 128 multipliziert werden (zu 5,6 MHz). Dieses Signal ersetzt dann üblicherweise das Taktsignal des Quarzoszillators. Großer Nachteil: Wegen der starken Multiplikation ist dieses Taktsignal stark schwankend, der Jitter erreicht typischerweise 15 mal höhere Werte als mit einer Quarz-Clock.

Im ADAT Betrieb werden bei einer schnellen Änderung der Samplefrequenz schon einige Bits falsch abgetastet, bis überhaupt erst wieder ein Wordclock Impuls eintrifft, und die PLL zu einer Erhöhung der Frequenz veranlaßt! Solche Effekte kennt die Bitclock PLL genausowenig wie die instabile Phasenlage bei Wordclock Betrieb.

Die andere Synchronisation

Nachdem nun ständig die Rede von Synchronisation war möchten wir noch einmal darauf hinweisen, daß es sich in diesem Tech Info nur um die störfreie Übertragung von digitalen Audiodaten dreht. Absolute Zeitpositionen oder synchrones Umspulen (Chase Lock Sync) sind ein anderes Thema, und weder eine Frage von Bitclock noch Wordclock (wobei die Bitclock natürlich auch hier ihre Vorteile ausspielen kann).
 

Wer beispielsweise einzelne Spuren seines ADAT-Bandes auf einen PC transferrieren, dort bearbeiten und danach wieder auf den ADAT zurückspielen will, kann dies nur tun, wenn die PC-Software und der ADAT über externe Hardware und einen Timecode (MIDI Time Clock, SMPTE) synchronisiert sind.

Doch selbst dann lauert der Teufel im Detail. So entsteht durch die Buffer der Software bei Aufnahme und Wiedergabe eine Verzögerung, welche für eine genaue Positionierung die Eingabe eines passenden Offsets erfordert. Im Chase Lock Sync Betrieb ist ein weiterer Korrekturfaktor nötig, da die Software ihre Position intern ausgehend von einer idealen 44,1 kHz Samplefrequenz berechnet, die in der Realität dagegen immer eine (wenn auch geringe) Abweichung aufweist.

Glossar

Bitclock PLL: Spezielle Form der PLL mit feinerer Regelung auf Bitebene statt auf Wortebene
Full Duplex: Die Fähigkeit zur gleichzeitigen Aufnahme und Wiedergabe (Record while Play)
In Phase: Wenn zwei Taktsignale absolut synchron sind
Jitter: Schwankungen eines Signales auf zeitlicher Ebene
Loop: Englisch für Schleife
Loop Clock: Gerät, welches mehreren Geräten in Schleifenverkabelung einen anderen Takt aufzwingt
Loop Delay: Verzögerung eines Signales im Schleifenbetrieb. Tritt u. a. bei gleichzeitigem Abspielen und Aufnehmen per Schleifenverkabelung mit nur einer Karte auf (Loop Back; bei DIGI32 Karten nur mit externer Loop-Clock möglich)
Master: Referenz Taktquelle, steuert alle Slaves
PLL: Phase Locked Loop, phasenstarre Regelschleife. Erzeugt aus komplexen Signalen ein einfaches Taktsignal mit der gewünschten Frequenz
Quarz: Elektronisches Bauteil; liefert den Grundtakt mit minimalster Abweichung und sehr geringem Jitter
Samplefrequenz: Anzahl der Abtastungen des Audiosignales pro Sekunde
Slave: Folgt der Referenz Taktquelle vom Master
SPDIF: Sony/Philips-Digital Interface, Consumerversion des digitalen Audiosignals
SRC: Sample Rate Converter, paßt beliebige Samplefrequenzen an die gewünschte an
Timecode: Konstant durchlaufendes Zeitsignal, welches eine absolute Positionierung erlaubt
Wordclock: Reine Samplefrequenz ohne Audiodaten, dient zur Synchronisation aller damit gespeisten Geräte.

Copyright © Matthias Carstens, 1998.
Alle Angaben in diesem Tech Info sind sorgfältig geprüft, dennoch kann eine Garantie auf Korrektheit nicht übernommen werden. Eine Haftung von RME für unvollständige oder unkorrekte Angaben kann nicht erfolgen. Weitergabe und Vervielfältigung dieses Dokumentes und die Verwertung seines Inhalts sind nur mit schriftlicher Erlaubnis von RME gestattet.
 

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