Audio PC LWL

Einleitung

Lichtwellenleiter (LWL), auch bekannt als Glasfaserverbindung, verbinden das Ethernet optisch. Wo kein Metall (Kupfer oder Silber) verbaut ist, kann das Kabel weder als Antenne wirken, noch elektrische Störungen (Gleichtaktstörungen) von einem Gerät zum anderen transportieren. Neben WLAN also die perfekte galvanische Trennung. Während WLAN oft mit Empfangsproblemen zu kämpfen hat und energiestarke HF (Hochfrequenz) gleich mitbringt, gibt es diese Probleme mit LWL nicht.

Transceiver

Leider haben LWL auch Nachteile. Aus spannungsinduzierten 0/1-Bits werden optisch modulierte 0/1-Bits. Da setzt auch schon der erste Kritikpunkt an. Für den Übergang von Kupfer auf Glasfaser müssen an die LWL-Kabelenden die Transceiver Module angeschlossen werden. Deren Aufgabe ist es, den Strom in Licht umzuwandeln und umgekehrt.

Auch die Geschwindigkeiten mit SFP bis 1G und SFP+ bis 10G müssen auf der Sender- und Empfängerseite jeweils gleich sein. SFP+ Transceiver sind in der Regel abwärtskompatibel.

Es hat sich herausgestellt, dass die Transceiver von einer sehr guten Qualität sein müssen. Denn auch wenn Sender und Empfänger galvanisch voneinander getrennt sind, erzeugt der Transceiver selbst elektrisches Rauschen! Bei schlechten Qualitäten wird dann nichts gewonnen. In diesem Zusammenhang sind die technischen Spezifikationen für 10G strenger als für 1G. So sollen die Jitter-Werte bei 10G deutlich besser sein. Siehe: Optical Network Configurations – AudiophileStyle. Auch John Swenson, der Entwickler von UpTone Audio, bevorzugt SFP+ Module. Obwohl im Switch statt der möglichen 10 Gb nur 1 Gb verwendet werden. Siehe: The EtherREGEN thread for various network, cable, power experiences and experiments- AudiophileStyle.

In unserer Praxis haben sich zum Beispiel folgende Transceiver bewährt:

• Startech (Startech 1000BASE-EX SFP -SM LC-40KM)
• Finisar (10G 10km 1310nm Industrial Temperature Single Mode Datacom SFP+ Optical Transceiver FTLX1475D3BTL)

Glasfaser Kabelparameter

Bei den Glasfasern gibt es unterschiedliche Normen, die nicht untereinander getauscht werden können. Die richtige Auswahl ist deshalb wichtig!

Dämpfungsfaktor

Bei Glasfasern können sich kurze oder lange Kabel auf die Übertragungsqualität auswirken. Bei bestimmten Protokollen wird sogar vor zu kurzen LWL Kabel gewarnt. Ursache ist der Dämpfungsfaktor.

Wenn der Laser vom Sender zu schwach und die Dämpfung zu hoch sind, dann wird das Signal zu schwach und der Empfänger kann es nicht mehr verarbeiten. Wenn der Laser vom Sender zu stark ist und die Dämpfung zu gering sind wird der Empfänger geblendet. Bei optischen Systemen muss also darauf geachtet werden, dass die Empfänger nicht übersteuert werden, denn dies wäre genauso schädlich wie ein zu schwaches Signal. Da sich Dämpfungsglieder meist klangschädlich bemerkbar machen, experimentieren viele mit unterschiedlichen Glasfaserlängen.

Qualitätsstufen Grade A, B, C, E

Basierend auf der Einfügedämpfung und der Rückflussdämpfung haben die Steckverbinder und konfektionierten Glasfaserkabel unterschiedliche Qualitätsstufen. Die Glasfaserkabel mit der geringsten Einfügedämpfung und der höchsten Rückflussdämpfung werden mit Grade A bezeichnet.

Grade A /1 Qualität bei LWL Steckverbindern | ETD Glasfaser GmbH (etd-glasfaser.de)

Derzeit verfügbar sind Grade B Kabel, zumal Grade A nicht abschließend formal definiert ist. Hierzu zählen die von

• Startech: Singlemode LC-LC LWL-Netzwerkkabel – Glasfaserkabel & Adapter | StarTech.com Deutschland.
• Maßgeschneiderte LWL von FS: Individuelles SMF Bend Insensitive LWL-Patchkabel – FS.com Deutschland.

Singlemodefasern

Die Transceiver und Glasfaserkabel müssen zueinander passen. Wir empfehlen Singlemodefasern (gelbe Kabel), da sie im Gegensatz zu Multimodefasern durch den kleineren Kern weniger störende Reflektionen (Lichtmoden) aufweisen. Die Kategoriebezeichnungen lauten OS1 und OS2 (Optical Singlemode).

Vorteile: 

• geringe Dämpfung des Signals
• kaum Laufzeitverschiebungen
• große Distanzen überbrückbar
• hohe Bandbreiten

Nachteile: 

• teurere Laser zur Einspeisung des Lichts notwendig
• größerer Aufwand bei der Herstellung der Glasfasern aufgrund der sehr kleinen Faserkerne
• hohe Präzision beim Verbinden der Glasfasern durch Stecker oder Spleißen notwendig

Duplex-Glasfaserkabel

Bei einer Simplex-Schaltung kann das Signal jeweils nur in eine Richtung fließen. Das ist für unser Audio Ethernet unbrauchbar. Im Gegensatz dazu verwendet das Vollduplex-System zwei Fasern zur Kommunikation. Dadurch kann eine Faser von Punkt A nach Punkt B senden, während die andere Faser von B nach A sendet. Daher haben beide Enden eines Vollduplex-Systems sowohl Sender als auch Empfänger.

Wellenlänge

Die bisher gebräuchlichsten Singlemodefasern im Telekommunikationsbereich sind mit Wellenlängen um 1310nm bzw. 1550nm ausgestattet. Bei diesen Wellenlängen liegt das Dämpfungsminimum des Fasermaterials. 1 Gbit/s können bei 1310nm bis zu 10km, bei 1550nm bis zu 50km transportiert werden. Die Entfernungen werden in der heimischen HiFi-Anlage nicht ansatzweise gebraucht. Für den Audiobereich haben sich Singlemode Duplex-Glasfaser mit der geringstmöglichen Wellenläge von 1310 nm bewährt.

Fasersteckertypen UPC und APC

UPC und APC definieren die Art der Politur der Ferrule im Inneren der LWL-Steckverbinder. Die Ferrule ist das Gehäuse für das freiliegende Ende einer Faser, das für den Anschluss an eine andere Faser oder an einen Transmitter oder Empfänger vorgesehen ist. Polieren ist sehr wichtig für Lichtwellenleiter-Steckverbinder, da es die Lichtreflexion begrenzt, die an dem Punkt auftritt, an dem eine Faser in einen Steckverbinder mündet. Diese Lichtreflexion in Richtung der Quelle wird Rückflussdämpfung genannt. 

UPC ist die Abkürzung für Ultra-Physical Contact und löste die veraltete PC-Faseranschluss ab. APC steht für Angled Physical Connect, dessen Ferrulenstirnflächenradius in einem Winkel von 8° poliert ist, wodurch die Rückreflexion weiter minimiert wird. 

Im Bild unten ist am blauen LC-Stecker die runde UPC-Form und am grünen LC-Stecker die abgeschrägte APC Form zu erkennen. Für weitere Erläuterungen: APC vs. PC vs. UPC – Wo liegt der Unterschied? (cbo-it.de).

Nun müssen dazu auch die Transceiver passen. Die StarTech können nur UPC, die Finisar SFP+ Optical Transceiver FTLX1475D3BTL UPC und APC.

Obwohl APC die theoretisch besseren Werte hat, bevorzugten wir in unseren Tests der Single Mode 9/125 Duplex 2,0mm UPC und APC Grade B Kabel die UPC Faserstecktypen.

Biegeradius

Der Biegeradius ist der kleinste Radius, den ein Lichtwellenleiter (LWL) bei einer Biegung aufweisen darf, ohne dass es zu einer Beschädigung der Faser oder Dämpfung kommt. Der kleinste Biegeradius für LWL-Installationskabel muss 50mm betragen oder das 10-Fache des Kabeldurchmessers, je nachdem, welcher Wert größer ist (nach DIN EN 50174-2). Hier sind einige Beispiele:

• Die LC Glasfaser Patchkabel, LC-LC Singlemode Kabel, Duplex UPC OFNR 2m – FS.com Deutschland haben einen sehr geringen Biegeradius von 10mm und gelten daher als Biegeunempfindlich.
• Die Singlemode LC-LC LWL-Netzwerkkabel – Glasfaserkabel & Adapter | StarTech.com Deutschland sind mit einem Biegeradius von 30mm empfindlicher.

10G-DAC- und AOC-Kabel

Eine spezielle Form sind Kabel mit fest integrierten Transceivern. Sie können sowohl elektrisch, als auch optisch sein. Ein weiterer Unterschied liegt im passiven oder aktiven Betriebsmodus.

Direct Attach Kable (DAC)

10G SFP+ Direct Attach Kable (DAC) besteht aus einem Twinax-Kupferkabel, das an beiden Enden mit SFP+-Steckverbindern abgeschlossen ist. DAC-Kabel können in zwei Kategorien unterteilt werden: passive DACs und aktive DACs. Sowohl passive als auch aktive DAC-Kabel können elektrische Signale direkt über Kupferkabel übertragen. Die aktiven DAC-Kabel haben im Inneren der Transceiver elektrische Komponenten zur Signalverstärkung. 

10G SFP+ Aktives Optisches Kabel (AOC)

10G SFP+ Aktives Optisches Kabel (AOC) besteht aus einem Multimode-Glasfaserkabel, das an beiden Enden mit SFP+-Steckverbindern abgeschlossen ist und externe Energie für die Umwandlung der elektrischen in optische Signale und umgekehrt benötigt.

Vergleich DAC und AOC

Die DAC Kabel sind für kurze Entfernungen geeignet, da sie für Störungen durch EMI (Elektromagnetische Interferenz) empfänglich sind. Der Vorteil gerade der passiven Variante ist der sehr geringe Stromverbrauch. Die AOC Kabel sind gegen EMI immun, verbrauchen dafür aber mehr Strom.

Links ist unten im Bild ein AOC Kabel von Cisco, rechts das 10G SFP+ passive Twinax Kupfer Direct Attach Kabel (DAC) ​von FS.COM.

Hier findest du unsere Tests des passiven DAC-Kabels und des aktiven AOC-Kabels. Das passive DAC Kabel hat einen sehr geringen Stromverbrauch und der Transceiver entwickelt nur sehr geringe Temperaturen. Für sehr kurze Entfernungen (unseres Erachtens max. 1 m) ist es gut geeignet.

Netzwerkkarten

Eine gute Netzwerkkarte (auch genannt Netzwerkadapter oder NIC für Network Interface Card oder Network Interface Controller) ist für ein positives Klangerlebnis sehr wichtig. Für den fis Audio PC empfehlen wir nicht die auf dem Motherboard befindlichen LAN Anschlüsse zu nutzen. Denn diese sind meist von einfacher Qualität und ermöglichen auch keine Glasfaserverbindung.

Besser sind PCIe-Karten mit geringsten Latenzen und Jitter.

Solarflare NICs

Die NICs von Solarflare wurden gern für den Hochfrequenzhandel an der Börse genutzt. Siehe Bericht von THE TECHNOLOGY EVANGELIST: 828ns – A Legacy of Low Latency. Aufgrund ihrer hervorragenden störungsfreien Übertragungsfähigkeiten sind sie auch in audiophilen Kreisen sehr begehrt. Solarflare wurde erst von XILINX und diese später von AMD übernommen.

XILINX Solarflare Flareon Ultra SFN8522 

Bei der Ethernet-Adapter der Serie 8000 (xilinx.com) haben wir gute Erfahrungen mit dem SFN8522 NIC gemacht. Die Latenzen liegen unter 1μsec.

Ein Vergleich mit der 10GTek Karte zeigt den Größenunterschied auf. Der deutlich größere Kühlkörper spricht Bände. Im Begleitzettel wurde darauf hingewiesen, dass für die Kühlung ein Lüfter mit mind. 200 Umdrehungen erforderlich ist. Das erfüllte uns natürlich gleich mit Sorge, denn so etwas gibt es im lüfterlosen fis Audio PC nicht. Andererseits sind 200 rpm sehr niedrig. Durch das Prinzip der Konvektion (Kamineffekt) entweicht warme Luft nach oben durch die Lüftungsschlitze und zieht kalte Luft nach sich. Bei einer niedrigen CPU-Auslastung reicht das, nicht jedoch bei leistungsintensiven Umrechnungen auf DSD. 

XILINX Solarflare XtremeScale X2522

Der XtremeScale X2522 Network Adapter zeichnet sich durch noch geringere Latenzen aus. Die Hardware-Latenzzeiten liegen im Submikrosekundenbereich und der Jitter geht nahezu gegen Null. Die Leistungsdaten sind deutlich besser als die 8000er Serie. Hinzu kommt ein Stable Precision Oscillator Stratum 3 compliant für ein hochpräzises Reclocking. Aus diesen Gründen wird dieses NIC (Network Interface Card / Netzwerkkarte) auch an der Börse für den Hochfrequenzhandel eingesetzt.

Der XtremeScale X2522 Network Adapter ist mit seiner Spezifikation für hohe Bandbreiten 10/25GbE (Gigabit-Ethernet) zukunftstauglich. Wir setzen es für eine 1GbE Verbindung ein und liegen damit weit unterhalb seiner möglichen Bandbreite, welches somit hohe Leistungsreserven beinhaltet.

Aufgrund der exorbitanten Leistungsfähigkeit wird der Chip auf dem XtremeScale X2522 Network Adapter sehr heiß. Ohne Kühlung wird die Leistung gedrosselt und führt irgendwann zur Abschaltung des NICs. Normalerweise benötigt diese PCIe-Karte einen Lüfter. Wir haben stattdessen eine leistungsfähige passive Kühlung mit Heatpipes entwickelt. Siehe: Passives Kühlungskit für XILINX Solarflare X2 Series & 8000 Series Ethernet Adapters.

Damit die ultraniedrigen Latenzen zur Wirkung kommen muss die Firmeware erneuert werden und es ist eine Einstellung im BIOS erforderlich. Siehe unsere Support-Seite: Treiber und BIOS-Setup für Solarflare X2522.

Beispielkonfiguration

Im Bild unten sind die Glasfaserstrecken gelb eingezeichnet. Diese Glasfaserstrecke zeichnet sich durch einen ausgesprochen stabilen Betrieb aus. Mit dieser Konstellation spielt es keine Rolle mehr, ob die Musik von Streamingdiensten oder von der Festplatte kommt. Weitere Informationen kannst du hier nachlesen: Audio PC Netzwerk.

Zusammenfassung

Optische Verbindungen in der Audiotechnik vermeiden Signalstörungen durch elektrische und magnetische Felder sowie durch Masseschleifen, da sie eine Potentialtrennung bilden. Es können lange störungsfreie Leitungen mit einer hohen Bandbreite verlegt werden. Mit der passenden Lichtwellenleiterkarte im fis Audio PC können sogar niedrigste Latenzen erzielt werden.

Um diese Vorteile nutzen zu können, müssen die Komponenten wie Transceiver, Netzwerkkartenadapter und die Glasfaserkabel perfekt zusammen passen und von einer ausgezeichneten Qualität sein. Hierfür bieten wir unser Solarflare Glasfaser Kit an.