Audio PC Latenzen

Auswirkungen von Latenzen

Jeder, der digital Musik streamt hat es vielleicht schon erlebt: Aussetzer, Klicks oder Knackser. Die Ursachen können in verlorenen Datenpaketen liegen, weil die Latenzen zu hoch sind. Zu hohe Latenzen sind aber auch verantwortlich für einen undynamischen zweidimensionalen Sound.

Definition von Latenzen

Latenz bedeutet zeitliche Verzögerung. Latenzen sind überall vorhanden. In der digitalen Musikwelt ist es zum Beispiel die Zeitdauer für die Digital-/Analog Codierung (DAC) oder bei der Musikproduktion umgekehrt: Analog-/Digital Codierung (ADC). In der Musikproduktion sind niedrige Latenzen wichtig. Wenn ein Musiker die Instrumente der anderen zu spät hört, hat das natürlich Auswirkungen. Zur Einordnung:

Ganz unabhängig von der Quelle breitet Schall sich mit einer Geschwindigkeit von 343,2 Metern pro Sekunde (in trockener Luft von 20 °C) aus, was einer Latenz von rund 2,9 Millisekunden (ms) pro Meter entspricht. Für die meisten Musikerinnen und Musiker sind Latenzzeiten unter 5 ms in Ordnung und zwischen 5 und 15 ms noch akzeptabel. Ab 20 ms wirkt es sich sehr störend aus.

Nun wird gelegentlich folgendes Argument genannt: Wenn der Audio PC die Musik nur wiedergibt spielt es keine Rolle, ob der Ton nach dem Klick auf Play Sekunden später erklingt. Das ist grundsätzlich richtig. Viele Player laden den Stream sogar in den Arbeitsspeicher, um das Signal besser verarbeiten zu können. Nur hat die Pufferung im RAM mit der Pufferung in Audiokarten nichts zu tun. Der Arbeitsspeicher hat im Gegensatz zu anderen Speichermedien sogar sehr geringe Latenzen. Deshalb laden viele das Betriebssystem gleich ganz vom Arbeitsspeicher und das ist eine gute Sache. Als reine Musikhörer sind uns deshalb andere Dinge wichtig:

Die relevanten Latenzen sind nicht die Audiolatenzen, sondern die Latenzen auf OS-/Prozessebene!

Störende Latenzen liegen im Datenstrom und in der Datenverarbeitung des Audio PCs begründet. Beim Rendern von Audiosignalen (z. B. von Flac in PCM oder DSD) und der Übertragung dieser Daten entstehen Latenzen. Sie ergeben sich aus der von der Soft- und Hardware benötigten Zeit, die Daten zu verarbeiten. Bei der Datenübertragung spielen zudem der Sample-Puffer (engl. Buffer) eine Rolle, die bei Audiokarten üblicherweise im Bereich zwischen 64 und 512 Samples liegen, um ein Abreißen des Datenstroms zu verhindern.

Samplingraten und Puffer bestimmen die Latenzen

Ein Sample ist die kleinste Einheit bei der Audio-Abtastung. Bei 44,1 kHz (CD) sind es z.B. 44.100 Samples pro Sekunde. Daraus lässt sich die Latenz errechnen.

Latenzen bei CD mit Standardpuffereinstellung:

44.100 Samples = 1.000 ms
256 Samples = 5,8 ms (1000*256/44.100)

Die 256 Samples stellen in den USB oder Ethernet-Treibern den sogenannten Puffer dar. Je größer der Puffer ist, desto größer sind die Latenzen. Dafür wird die CPU weniger belastet. Umgekehrt führt ein sehr geringer Puffer zu sehr geringen Latenzen. Jedoch wird die CPU mehr belastet, da häufiger gerechnet werden muss.

Beispiel für sehr geringe Latenzen:

44.100 Samples = 1.000 ms
52 Samples = 1,18 ms (1000*52/44.100)

Eine weitere Abhängigkeit besteht in der Höhe der Samplingraten. Bei gleicher Latenz von 1,18 ms wird der Puffer erhöht.

Beispiel Upsampling auf das 16fache einer CD mit sehr geringe Latenzen:

705.600 Samples = 1.000 ms
834 Samples = 1,18 ms (1000*843/705.600)

In den USB- und Ethernetverbindungen sind oft Einstellungsmöglichkeiten für den Puffer vorhanden.

Bandbreite vs. Latenzen

Oft wird die Bandbreite einer Datenleitung, beziehungsweise die Datenübertragungsgeschwindigkeit mit den Latenzen verwechselt. Natürlich muss eine Datenleitung einen ausreichenden Datendurchsatz ermöglichen. Oft reichen hier schon 100 Mbit/s.

Beispiel CD

44.100 x 16 Bit x 2 (Stereo) = 1.411.200 Bits = 1,41 Mbit/s

Beispiel Upsampling 16fache einer CD mit hoher Bittiefe

705.600 x 32 Bit x 2 (Stereo) = 45.158.400 Bits = 45,16 Mbit/s

Für die Latenzen ist die vorhandene Bandbreite in der Regel völlig ausreichend. Beim Upsampling oder PCM zu DSD Konvertierung sollte jedoch besser eine 1,0 GBit/s Leitung verwendet werden.

OS Timer Resolutions

Windows ist zum Beispiel kein Echtzeitbetriebssystem. Das Interrupt Standardintervall beträgt 15,625 ms (1.000 ms geteilt durch 64). Für Audio ist es im allgemeinen besser das Intervall so kurz wie möglich zu halten. Unter Windows 10 sind das 0,5 ms.

Latenzen und Jitter

Während die Latenz eine feste Zeit zwischen Aktion und Reaktion definiert, beschreibt Jitter die Schwankungen innerhalb dieser Zeit. Es gibt eine alte RME Tech Info: Von Puffern und Latenz Jitter. Am Beispiel einer “Kuhglocke” werden die hörbaren Jitterauswirkungen bei hohen Latenzen beschrieben. Hohe Latenzen können Jitter begünstigen.

Latenzen in der Hardware

Bisher wurden nur die softwarebedingten Latenzen betrachtet. Nach unserer Erfahrung ist es wichtig bereits die Hardware mit niedrigen Latenzen auszuwählen.

CPU

In letzter Zeit liefern sich die beiden großen Chiphersteller Intel und AMD einen Wettbewerb um die beste Performance. In den Latenzen haben Intel Chips immer noch die Nase vorn, siehe AIDA64 Speicherverzögerung Hardwareluxx Generations-Nachzügler: AMD Ryzen 9 5950X und Ryzen 7 5800X im Test.

Speichermedien

Die Lese- und Schreibgeschwindigkeiten halten wir für nicht so wichtig, dafür umsomehr die Latenzen. Aus der unteren Grafik sind von links nach rechts die Latenzen sortiert. Die CPU hat natürlich mit ihren internen L1-L3 Caches die niedrigsten Latenzen.Bei der Auswahl einer CPU sind daher die L1-L3 Speichergrößen wichtig, denn was da schon zwischengespeichert werden kann muss nicht mehr in die langsameren Speicher. Dann folgen mit immer noch sehr geringen Latenzen der Arbeitsspeicher (RAM) und die Intel Optane Speicher.

Quelle: PC Perspective INTEL’S OPTANE DC PERSISTENT MEMORY DIMMS PUSH LATENCY CLOSER TO DRAM

Arbeitsspeicher (RAM)

Bei der Auswahl des RAM ist die Kombination zwischen CAS Latenz (CL) und Geschwindigkeit wichtig.

Beispiel CL10@2.400 MHz Speicher

1.000/2.400*10 = 8,33 Nanosekunden (0.00000833 ms)

Die 2.400 MHz sind nicht sehr viel, aber in Kombination mit dem CL Wert sind die Latenzen sehr niedrig. 

PCIe-Karten

Wir berichteten von Lichtwellenleiter (LWL) mit niedrigen Latenzen.

Die XILINX Solarflare Flareon Ultra SFN8522 Karte hat angabengemäß eine sehr niedrige Latenz von unter 1 μsec (0,001 ms).

Zusammenfassung

Welche Latenzeinstellung ist die Beste? Unter der Annahme, dass sich geringe Latenzen am besten anhören die niedrigste, die keine Probleme verursacht! Wer keine schnelle CPU hat wird schnell an seine Grenzen stoßen. Denn je geringer die Latenzen sind, desto mehr muss der Prozessor arbeiten.

Ein Feintuning ist bereits mit den Einstellungen in der Software möglich. Außer ein wenig Mühe kostet das nichts. 

Bei der Zusammenstellung eines Audio PCs soll bereits eine Hardware mit geringen Latenzen ausgewählt werden. Dies fängt schon mit der CPU an. Auch ein Audio PC macht nichts anderes als das Lesen und Schreiben von Daten. Daher ist die Auswahl von Speichermedien besonders wichtig. Das Empfangen und Senden von Musikfiles ist eine der Hauptaufgaben und sollte mit entsprechend hochwertigen PCIe-Karten unterstützt werden.