Autor: StreamFidelity

Einleitung

Die Idee für das neue Produkt resultierte aus diesem Newsletter: Einplatinencomputer mit HQPlayers NAA nutzen! Denn es hat nicht jeder einen DAC mit integriertem NAA (Netzwerk Audio Adapter).

Interessierte Leser fragten nach, ob wir das nicht auch im fis Audio PC anbieten können? Und hier ist der neue fis Audio PC mit NanoPi NEO3. Bevor ich das neue Produkt vorstelle, sehen wir uns in den Grundlagen den NanoPi NEO3 mit der Software DietPi an.

Grundlagen

Hardware NanoPi NEO3

Die Vorteile eines Einplatinencomputers liegen vor allem im rauscharmen Betrieb. Das macht die schlaue Architektur der Hardware möglich.

Hardware Architektur

Der NanoPi NEO3 misst gerade mal 48 x 48 mm und benötigt eine bescheidene Stromzufuhr von maximal 5V/2A über einen Mikro USB Stecker. Der NEO3 ist mit 22g ein Leichtgewicht.

Auf der Oberseite finden wir die für uns wichtigen Schnittstellen mit 1G LAN und USB 3.0. Der Slot nimmt eine MicroSD für das Betriebssystem auf. Auf der Unterseite sehen wir 1GB oder 2GB DDR4 RAM (je nach Ausführung) und den Rechenkern Rockchip RK3328.

Die wenigen Schnittstellen in unmittelbarer Nähe des Arbeitsspeichers und der CPU ermöglichen eine effiziente Datenanbindung. Je kürzer die Wege sind, desto geringer sind die Latenzen. Und es wird weniger Energie benötigt.

Rockchip RK3328

Der Rockchip RK3328 hat vier Kerne, die in unserem Modell jeweils von 408 MHz bis 1296 MHz getaktet werden können. Die eigentliche CPU ist der ARM Cortex-A53. Die ARMv8-A 64-bit instruction ist seit 2014 die am weitesten verbreitete Plattform für mobile Geräte. Es handelt sich um eine sehr ausgereiftes Produkt, das keine Fehler erwarten lässt.

Dieser Chip kann sehr heiß werden und benötigt eine gute Kühlung.

Software DietPi

DietPi basiert auf Debian und verwendet den Linux-Kernel als Kernbestandteil des Betriebssystems. Der Linux-Kernel ist das Herzstück des Betriebssystems und verwaltet die Hardware-Ressourcen, wie CPU, Speicher und Peripheriegeräte. Er stellt auch grundlegende Dienste für alle anderen Teile des Betriebssystems bereit.

Vergleich mit Raspberry Pi OS

Der Name von DietPi ist Programm: Diät (engl. Diet) ist extrem schlank und verbraucht daher wenig Ressourcen. So dokumentiert zum Beispiel ein DietPi Vergleichstest gegen Raspberry Pi OS Lite (32-bit) unter anderem eine um rund 2/3 geringere RAM-Auslastung, weniger als die Hälfte der Prozesse und doppelt so schnelle Bootzeiten.

DietPi auf microSD flashen

Die Einfachheit von DietPi liegt schon darin begründet, dass es für die unterstützte Hardware maßgeschneiderte Versionen gibt. Diese findest du unter DietPi – Download. Wähle deinen Einplatinencomputer aus und lade dir das komprimierte Image herunter.

Für das Flashen gibt es eine sehr gute Anleitung: How to install DietPi – DietPi.com Docs. Neben einer neuen microSD benötigst du nur einen Kartenleser, den es für z. B. USB preisgünstig gibt. Das Image brennst du im Mac mit balenaetcher oder unter Windows mit Rufus auf den USB-Stick.

DietPi mit SSH einrichten

Du musst glücklicherweise keinen Monitor anschließen. Eine Netzwerkverbindung reicht. Mittels SSH (Secure Shell) kannst du eine verschlüsselte Verbindung zur Kommandozeile (Shell) des DietPi OS herstellen. Ich beschreibe hier nur den Weg über einen Apple Mac Computer. Ähnliches gilt auch für Windows.

Öffne dafür das Terminal (Befehlszeilen-Interface) und tippe: „ssh root@ip-address“. Ein Eingabebeispiel: „ssh root@192.178.188.10“. Dann wird nach deinem Passwort gefragt, welches „dietpi“ lautet. Bei der ersten Anmeldung wird noch ein RSA Fingerprint angelegt, bestätige das mit „yes“.

Deine Seite soll dann so wie unten aussehen. Die Farbgebung hängt von deiner Shell ab. Eine wichtige Information ist die Temperatur. NanoPi NEO3 läuft stabil bis 70°C, aber natürlich sind niedrigere Temperaturen immer besser. Die hier gezeigten 54°C sind optimal.

Die wichtigsten Kommandos stehen sozusagen kopierbereit bereits zur Verfügung:

dietpi-launcher : Alle DietPi Programme an einem Platz
dietpi-config : Konfigurationstool
dietpi-software : Software für die automatische Installation
htop : Ressourcen Monitor
cpu : Infos zur CPU

Einfach mit der Maus markieren, kopieren und in der Kommandozeile einfügen und auf Enter klicken.

Mediensysteme

Dietpi bietet eine Vielzahl automatischer Installationsroutinen für Mediensysteme. So sind zum Beispiel folgende Anwendungen darunter:

• Kodi – Mediathek / Player
• Logitech Media Server – auch bekannt als LMS, Squeezebox Server
• Roon Bridge – Endpunkt für die Ausgabe an einen DAC
• Roon Server – Der Roon-Kern
• NAA Daemon – Signalyst Netzwerk-Audioadapter (NAA)

Wie du zum Beispiel HQPlayers NAA installierst, findest du in diesem Newsletter: DietPi Software: HQPlayer NAA installieren.

fis Audio PC mit NAA

Produktpolitik

Wie bisher kannst du dir aus den modularen Bauteilen deinen fis Audio PC zusammenstellen.

Neu ist die optionale Möglichkeit, den rauscharmen NanoPi NEO3 als Endpunkt für den DAC zu nutzen. Dazu mehr in der fis Audio PC Architektur.

fis Audio PC Architektur

Unten im Bild ist die Topologie des neuen fis Audio PCs mit dem NanoPi NEO3 sehen.

Die Stromversorgung erfolgt wie bisher über ein hochwertiges leistungsstarkes lineares Netzteil für geringstes Welligkeitsrauschen. Aktuell steht das FARAD Super10 in der fis Audio PC Konfiguration zur Verfügung.

Für eine optimale galvanische Trennung kann die Netzwerkkarte Solarflare X2522 für LWL (Lichtwellenleiter) verwendet werden. Diese hat außerdem geringste Latenzen und Jitter.

Für geringste Latenzen sind die Intel Optane SSD und die Solarflare X2522 Netzwerkkarte direkt mit der CPU verbunden und gehen nicht über den Chipsatz des Motherboards.

Der NanoPi NEO3 ist vollständig vom Rest des fis Audio PCs isoliert. Per LAN werden die Daten empfangen und über USB an den DAC ausgegeben.

NanoPi NEO3

Versuchsaufbau

Unten im Bild ist bei einem Versuchsaufbau gut zu sehen, wie klein der NanoPi NEO3 ist. Die Stromversorgung erfolgt über ein sehr rauscharmes lineares Netzteil FARAD Super3 mit 5V/3A. Die Verbindung zur Außenwelt erfolgt über LAN. Die Verbindung zum DAC erfolgt über eine hochwertige USB 3.0 Schnittstelle, die abwärtskompatibel ist.

DietPi mit dem Netzwerk Audio Adapter (NAA)

Wie oben in den Grundlagen beschrieben, ist die Installation von HQPlayers NAA wirklich einfach. Es müssen keine weiteren Einstellungen im NAA erfolgen. Das funktioniert im besten Sinne mit „plug & play“.

Die Prozessorauslastung ist sehr minimal, wie es sein soll. Es sind gerade mal 11 Prozesse (Tasks) aktiv. Zum Vergleich: Mit Windows 11 Pro liegst du schon in der Grundkonfiguration bei ca. 160 Prozessen.

Die Tests verliefen sehr erfolgsversprechend, so dass die Phase II in Angriff genommen wurde:

Integration in das PC Gehäuse

Du kannst den NanoPi NEO3 auch als separates Gerät betreiben. Zumal es ein passendes weißes Gehäuse zu kaufen gibt. Aber es ist ziemlich schwierig, dieses kleine Gerät mit den vergleichsweise schweren Kabel zu stabilisieren.

Außerdem ist es platzparender es gleich in das Gehäuse des fis Audio PCs zu integrieren. Einen zweiten kleineren Computer einzubauen ist übrigens keine neue Idee von Grigg Audio Solutions. So etwas macht beispielsweise auch Antipodes Oladra Musicserver/Streamer. Nur das im fis Audio PC der NanoPi NEO3 völlig autark vom Rest des Computers läuft. Selbst die Stromversorgung erfolgt komplett unabhängig.

Über eine mechanisch entkoppelte Befestigung an der Rückplatte sind die Verbindungen leicht zugänglich. In alter Tradition befinden sich alle linearen Netzteile immer außerhalb des Gehäuses, damit die Abwärme nicht zum Hitzestau führt. So auch das FARAD Super3. Aber du kannst auch ein anderes Netzteil verwenden.

Wie hört es sich an?

In meinem zweiten Hörraum in Kassel legte ich viel Wert auf eine akustische Raumoptimierung mit wenig Nachhall. Dieser liegt bei rund 0,3 sek. ab 400 Hz und das Hören ist ohne Verdeckungseffekte sehr angenehm. Tonstudios arbeiten oft mit 0,2 sek.

Mein System besteht aus einem GigaWatt PC-3 EVO+ Premium Powerline Conditioner für die störungsfreie Stromversorgung. Das Netzwerk besteht aus dem Reclocker Mutec REF10 SE120 und dem GUSTARD N18 PRO Netzwerk-Switch. In Kassel steht auch der Prototyp fis Audio PC mit der Solarflare X2522 Glasfaser und dem NanoPi NEO3. Die gerenderten Daten werden an den T+A DAC200 gesendet. Als Endverstärker dient der T+A S10. Diese versorgen die traumhaften Lautsprecher TAD CE1TX mit Musik. Entkoppelt werden die Geräte mit den Racks von Solidsteel HF-2/HF-B.

Obwohl im Prototypen zwei Schaltnetzteile werkeln, welche allerdings nicht in Serie gehen, ist die galvanische Trennung perfekt. In meinem System mit meinen Ohren höre ich Musik mit einem tiefen schwarzen Hintergrund. Eine grandiose Auflösung und Instrumententrennung, eine realistisch Bühne über die Lautsprecher hinaus, traumhafte natürliche Stimmen und ein präziser tiefer Bass runden das Bild ab.

Zusammenfassung

Einplatinencomputer wie der NanoPi NEO3 ermöglichen als Endpunkt einen sehr rauscharmen Betrieb. Mit der eigens dafür angepassten Software DietPi ist die Einrichtung ein Kinderspiel. So stehen zahlreiche populäre Mediensysteme per Knopfdruck zur Installation bereit.

Der fis Audio PC entwickelt sich mit der integrierten Lösung mit dem rauscharmen NanoPi NEO3 weiter. Du erhältst zwei Computer, die völlig isoliert voneinander störungsfrei ihre Arbeit verrichten. DietPi mit dem Netzwerk Audio Adapter (NAA) ermöglicht die Nutzung des überlegenen HQPlayer Netzwerkprotokolls. Du kannst natürlich auch andere Mediensysteme nutzen.

Der Prototyp spielte spontan so gut, dass der fis Audio PC mit dem NanoPi NEO3 ab sofort angeboten wird.

Einleitung

Am 24.10.2024 wurden zum neuen Intel Core Ultra 9 285K (Arrow Lake) Testberichte veröffentlicht. Einzelne Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf den Audio Betrieb zu.

Wie üblich gehe ich in den Grundlagen auf die Aspekte ein, welche für Bewertungen aus meiner Sicht wichtig sind. Und natürlich werde ich im letzten Teil einzelne Testergebnisse interpretieren.

Grundlagen

Technische Daten

Für den technischen Vergleich eignen sich einige Kennzahlen zur CPU.

Sockel

Bei den Arrow Lake Prozessoren gibt es einen neuen LGA 1851-Sockel. Dieser hat 151 Pins mehr als der LGA 1700-Sockel und fällt etwas größer aus. Hier ist die Anschaffung neuer Motherboards unumgänglich.

Herstellung oder Fertigungsprozess

Die Transistordichte auf den Prozessoren wird immer weiter erhöht, um die CPUs effizenter und leistungsfähiger zu machen. Dadurch werden die Abstände der Transistoren kleiner, welches eine hohe technologische Herausforderung bei der Chipproduktion darstellt.

Die Hersteller versuchen sich hier zu übertreffen. Das führt zu dem Nanometer-Rennen: Intel führt neue Node-Namen wie „Intel 7“ und „Intel 4“ ein – ComputerBase. Die neuen Bezeichnungen lehnen sich damit an Samsung und TSMC an, die Chips gemäß der eigenen Klassifizierung in 7 und 5 nm fertigen und auf dem Weg zu 3 nm sind. Intel selbst will den Begriff Nanometer weglassen und nur noch Namen wie „Intel 7“ (10 nm) vergeben. Denn laut Intel stimme der Begriff hinsichtlich der Gate-Länge, auf die die ursprüngliche Bezeichnung abzielte, schon seit dem Jahr 1997 nicht mehr.

Nur ist es aktuell so, dass Intel bei der Herstellung auf TSMC zurückgreifen musste. Mit 3 nm ist hier ein deutlicher Sprung gelungen.

Basistakt

Der Basistakt, bzw. die Grundtaktfrequenz hat sich bei den P-Cores erhöht.

Turbo-Geschwindigkeit

Der maximale Turbo wurde jedoch gegenüber den Vorgängermodellen gesenkt. Hier ist es wichtig zu wissen, dass der fis Audio PC maximal auf 4,4 GHz je nach Stromversorgung und Einsatzzweck getaktet wird. Es sind daher viele Reserven vorhanden, was für eine CPU immer gut ist.

Cores

Wie bei den Vorgängern gibt es P-Cores (Performance Cores) für die anspruchsvollen Aufgaben und die E-Cores (Efficient Cores) für leichtere Aufgaben. Interessant ist, dass sich die Anzahl der Threads von 32 auf 24 reduziert hat. Das liegt am fehlenden Hyper-Threading der P-Cores.

Hyper-Threading hat zwar noch nie die Rechenpower erhöht, dafür aber mehr parallele Berechnungen ermöglicht. Ein P-Core wurde dabei virtuell in zwei Kerne aufgeteilt.

Der HQPlayer verwendet die P-Cores für die Modulatoren. Und zwar je einen pro Kanal. Für Stereo sind es also zwei P-Cores. Der HQPlayer ermöglicht seit kurzem, die E-Cores für die Filter zu verwenden. Leistungsstärkere E-Cores wie in der neueren Generation können hier also nützlich sein.

Cache

Der Cache ist ein Zwischenspeicher für die jeweiligen Cores. Der L3 Cache wird mit allen Cores der CPU geteilt und der L2 Cache ist direkt dem jeweiligen Core zugeordnet. Je höher der Cache ausfällt, desto geringer sind die Latenzen. Hier hat sich der L2 Cache leicht erhöht.

Max. Temperatur

Intels Prozessoren waren schon immer Resistent gegenüber hohen Temperaturen. Hier hat sich der Spielraum um 5°C auf 105°C erhöht. Die fis Audio PCs werden grundsätzlich bei 95°C abgeregelt, weil wir die Komponenten nie bis zum Anschlag ausreizen.

Latenzen

Latenz bedeutet zeitliche Verzögerung. Latenzen sind überall vorhanden. In der Musikproduktion sind niedrige Latenzen wichtig. Wenn ein Musiker die Instrumente der anderen zu spät hört, hat das natürlich Auswirkungen.

Schall breitet 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.

Für den fis Audio PC sind jedoch andere Latenzen wichtig. Relevant sind 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. 

Kern-zu-Kern-Latenz

Die Kern-zu-Kern-Latenz (auch Core-to-Core-Latency) beschreibt die Zeitverzögerung, die auftritt, wenn Daten zwischen zwei Prozessorkernen übertragen werden. Diese Latenz wird in Nanosekunden (ns) gemessen und ist ein wichtiger Faktor für die Leistung eines Prozessors.

Folgende Faktoren beeinflussen die Kern-zu-Kern-Latenz:

Die Prozessorarchitektur hat einen großen Einfluss darauf, welche Wege zwischen den Cores zurückzulegen sind.

Die Cache-Architektur mit den Level-1-, Level-2- oder Level-3-Cache und die Speicherhierarchie spielen eine große Rolle. Wenn mehrere Kerne auf den gleichen Cache (z. B. L3-Cache) zugreifen können, ist die Latenz geringer. Je mehr Daten die CPU insgesamt nicht verlassen müssen, sondern im CPU Cache verbleiben, verringern die Latenzen weiter. Deshalb sind CPUs mit möglichst hohen Cache zu bevorzugen.

Die Verbindungen zwischen den Kernen (z. B. Infinity Fabric bei AMD-Prozessoren oder Ringbus bei Intel) beeinflussen die Geschwindigkeit der Datenübertragung.

Grundsätzlich ist eine niedrige Kern-zu-Kern-Latenz zu bevorzugen, weil es die Leistung bei parallel ausgeführten Berechnungen deutlich verbessert.

Ein Beispiel unten im Bild bezieht sich auf den Intel® Core™ i9-13900K Prozessor, der aktuell im fis Audio PC verbaut ist. Die P-Cores sind in den Kernen 0 bis 15 aufgeführt, wobei Hyper-Threading aktiviert ist. Der Direktsprung von Kern zu Kern liegt mit 3,8/4,1 ns pro L1-Access in einem sehr niedrigen Bereich. Bei mehreren Kernsprüngen liegen die Latenzen ebenfalls im grünen Bereich bei max. 35 ns. Bei den E-Cores sehen wir ab Core 16 bis 31 im roten Bereich eine leichte Erhöhung zwischen 48 und 54 ns innerhalb von vier Kernsprüngen.

Speicherlatenz

Wenn die L1 – L3 Caches der CPU nicht mehr ausreichen, müssen die Daten in den Arbeitsspeicher (RAM) ausgelagert werden. Neben den möglichst geringen Latenzen der Speicherriegel kommt es auch darauf an, wie gut die CPU-Cores mit dem verbauten Arbeitsspeicher kommunizieren können. Hier spielt die Prozessorarchitektur wieder eine große Rolle.

Interpretationen

Testergebnisse

Fehlinterpretationen sind immer möglich und Richtigstellungen oder andere Meinungen sind gern gesehen.

Allgemein

Die Testergebnisse, die ich gelesen habe, fielen alle mehr oder weniger desaströs aus. Insbesondere im Gamingbereich mit hohen Bildschirmauflösungen und hoher Taktung der CPU Kerne waren die Meinungen einhellig negativ. Im Workstationbereich (Office Anwendungen) war das Urteil differenzierter. Hier wurde die Energieeffizienz gelobt. Auch die vergleichsweise niedrige Temperaturentwicklung fiel positiv auf.

Eine gute Zusammenstellung findest du unter igor’sLAB: Nachlese und der Tag danach: Intels Arrow Lake S im Spiegel der Redaktionen.

Kern-zu-Kern-Latenz

Richtig hellhörig wurde ich bei den Messungen zu den Kern-zu-Kern-Latenzen. Computerbase zeigt unten im Bild viele rote Bereiche um die 40 ns. Im Direktsprung werden nur langsame 19 ns erreicht . Der Intel Core i9-13900K zeigte hier rund 4 ns. Gleiches gilt für den Intel Core i9-14900KS. Der Unterschied ist beträchtlich.

Schuld daran ist die neue Prozessorarchitektur. Unten im Bild ist gut zu erkennen, dass die P-Cores und E-Cores untereinander verteilt sind. Die schnelleren P-Cores mit den geringeren Latenzen sind nun nicht mehr wie früher in einer Ecke des Chips verbaut, sondern in drei Blöcke aufgeteilt (2×2 Kerne und zentral 1×4 Kerne), dazwischen sitzen die E-Cores.

Intel wollte durch die neue Anordnung eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreichen, was sich in den Tests auch bestätigt hat. Leider führt das zu längeren Wegen zwischen den P-Cores und erzeugen dadurch höhere Latenzen. Berichte aus dem Netz lassen aktuell darauf schließen, dass Anwendungen aufgrund des Durcheinanders Schwierigkeiten mit der Core Zuordnung haben. So werden zum Beispiel die langsameren E-Cores als P-Cores interpretiert.

Wer jetzt meint, ein AMD Ryzen 9 9950X  macht das viel besser, den muss ich enttäuschen. Unten im Bild zeigt Hardwareluxx im Kerndirektsprung bescheidene 25 ns an. Die beiden roten Blöcke referenzieren auf die AMD Prozessorarchitektur. Hier arbeiten auf zwei CCDs jeweils acht Kerne. Die Latenzen zwischen den Kernen auf dem gleichen CCD sind deutlich geringer (grün) als die zu den Kernen auf dem zweiten CCD (orange und rot). Dort sehen wir Latenzen von bis zu 260 ns. Das ist mehr als das sechfache der schlechtesten Kern-zu-Kern-Latenz eines Intel Core Ultra 9 285K.

Speicherlatenz

Eine deutliche Latenzverschlechterung finden wir auch bei der Anbindung des Arbeitsspeichers. Computerbase zeigte auf, dass bei gleicher RAM-Ausstattung die Latenzen um über 20 Prozent höher ausfallen als noch bei Raptor Lake.

Der Grund liegt wieder in der Prozessorarchitektur.  Der Speichercontroller wurde ausgelagert und so werden die Wege länger.

Zusammenfassung

Der neue Sockel LGA 1851 funktioniert nicht mit alten Motherboards. Erfreulich ist, dass Intel endlich einen modernen Fertigungsprozess mit 3 nm erreicht hat, wenn auch nur mit fremder Hilfe.

Für Gamer stellen niedrigere Turbo-Taktraten und fehlendes Hyper-Threading einen Rückschritt dar, wie es die Tests auch belegen. Für Audio Zwecke hätte man aber gut damit leben können. Immerhin hat der L2-Cache leicht zugelegt und bessere Effizienzwerte mit niedrigeren Temperaturen hätte ich gerne für den fis Audio PC mitgenommen.

Die Schnecke auf der CPU oben im Eingangsbild (generiert mit Canva) hat ihre Bedeutung. Die Kern-zu-Kern-Latenzen haben sich leider verschlechtert. Für einen Betrieb mit dem HQPlayer, der viele Kerne im Parallelbetrieb benötigt, ist das nicht gut. Ebensowenig überzeugt die Speicherlatenz. Gerade bei langen Filtern wird viel auf den Arbeitsspeicher ausgelagert. Eine neue CPU Generation sollte hier deutlich geringere Latenzen ermöglichen.

Von dem Ergebnis bin ich im Moment nicht überzeugt. Vielleicht bringen Microcode-Updates und optimierte Kernzuordnungen noch Verbesserungen. Aber die grundsätzliche Prozessorarchitektur lässt sich nicht umkehren.

Dafür kann ich jetzt diese Fragestellung beantworten: Wird es einen fis Audio PC Intel 14. Generation Core (Raptor Lake Refresh) geben? Ja der fis Audio PC wird ab sofort mit dem Intel® Core™ i9 Processor 14900K angeboten, denn die Kinderkrankheiten sind mittlerweile beseitigt.

Interessant wird sicher das Release der AMD 9950X3D CPU, welches für Anfang 2025 anstehen soll. Mit X3D bezeichnet AMD seine Chips mit 3D-V-Cache. Diese erhalten einen größeren Level-3-Cache. Das kann helfen die Latenzen zu reduzieren.

Einleitung

Ein netter Newsletter-Leser hat mich gebeten, das Audio-Spektrogramm zu erklären. Der Hintergrund ist, dass mit dem Spektrogramm unechte HiRes-Aufnahmen entlarvt werden können. Und Spektrogramme lassen Rückschlüsse auf die Klangqualität zu.

In den Grundlagen sehen wir uns an, was ein Spektrogramm ist. Und wie man ein Audio-Spektrogramm ganz einfach in Echtzeit mit dem HQPlayer Client anzeigen kann.

In der Analyse gehen wir verschiedene Spektrogramme durch und interpretieren sie.

Grundlagen

Spektrogramm

Ein Spektrogramm ist eine visuelle Darstellung des Frequenzgehalts eines Audiosignals im Laufe der Zeit. Es zeigt, wie die Energie oder Intensität verschiedener Frequenzen sich über die Zeit hinweg verändern. 

In einem 2D-Diagramm wird auf der x-Achse die Zeit abgetragen und auf der y-Achse die Frequenz repräsentiert. Jede Zeile in der Darstellung zeigt, welche Frequenzen zu einem bestimmten Zeitpunkt im Audiosignal vorhanden sind.

Unterschiedliche Farbverläufe zeigen an, wie hoch der Amplitudenpegel ausfällt.

HQplayers Metering

Um das Spektrogramm im HQPlayer nutzen zu können, muss natürlich irgendwo in deiner Anlage der HQPlayer Rechenkern laufen. Hier gibt es zwei Möglichkeiten:

HQPlayer Desktop

Unter den Endverbrauchern dürfte der HQPlayer Desktop das bekannteste Produkt sein. Es ist für die Betriebsysteme Windows, macOS und Linux erhältlich. Das Installationspaket enthält unter anderem auch den HQPlayer Client zur Steuerung, während der Desktop den eigentlichen Rechenkern beinhaltet. Enthalten ist auch das Handbuch.

HQPlayer Embedded

Dieses Produkt war ursprünglich für Hardware Hersteller gedacht, die in ihren Audio Produkten ein Upsampling ermöglichen wollten. Das erklärt, warum die Konfiguration maximal Bedienerunfreundlich ist. Denn der Endkunde hatte damit nichts zu tun. Voraussetzung ist das Betriebssystem Linux. Nun erfreut es sich jedoch auch bei den Endverbrauchern zunehmender Beliebtheit und ich biete es auch für den fis Audio PC an.

HQPlayer Client Metering

Der HQPlayer Client greift von einer beliebigen Stelle in deinem Netzwerk auf den Rechenkern des HQPlayers zu. Das Spektrogramm nennt der HQPlayer Metering. Wenn du den Schalter „Mtr“ unten rechts aktivierst, siehst du das Spektrogramm. Die Farbverläufe lassen sich einstellen. Rot steht für eine besonders hohe Amplitude (Lautstärke).

HQPDcontrol v4 Spectrogram

Alternativ kannst du ein Drittprogramm verwenden, nämlich das kostenlose HQPDcontrol v4. Ich finde das Spektrogramm nicht ganz so gut gelungen, da keine Farbverläufe für die Amplituden angezeigt werden.

Spektrogramm Analyse

High Resolution (HiRes)

Mit einer der wichtigsten Funktionen des Spektrogramms dürfte das Entlarven von unechten HiRes Aufnahmen sein. Dabei ist wichtig zu wissen, dass der HQPlayer nur den hörbaren Bereich eines Audio Files anzeigt. Bei 96kHz sind das 48kHz und bei 192kHz sind es 96kHz. Grundlage ist die Nyquist Grenzfrequenz, die immer nur die halbe Abtastrate berücksichtigen darf.

Im ersten Beispiel haben wir einen krassen Fall. Angeboten wird der Titel mit 192kHz und hätte demnach einen hörbaren Bereich bis 96kHz. Tatsächlich sind nur 22,05kHz zu sehen, also ist es ein Audio File mit 44,1kHz! In diesem Fall bietet es sich gleich an auf die CD Version zurückzugreifen. Auf Qobuz gibt es oft mehrere Versionen.

Im nächsten Beispiel werden bei den beworbenen 192kHz zwar die 96k gefüllt, aber nur mit Dither. Die eigentlichen Musikimpulse gehen bis 48kHz, welches du an den Spitzen erkennst. Also waren es ursprünglich mal 96kHz.

Hier gehen einzelne Spitzen bis 96kHz, hier haben wir endlich eine echte 192kHz Aufnahme erwischt.

Hier wird es schwierig. Die Spitzen gehen bis ca. 65kHz – 70kHz. Jedenfalls sind es keine echten 192kHz. Aber das Spektrogramm ist recht ordentlich.

Hier ist wieder eine Mogelpackung. Bei einem 176,4kHz File sollten 88,2kHz drin sein. Bei einer vergleichbaren CD-Qualität ist wieder Ende.

Loudness War

Das Problem der heutigen Zeit sind totkomprimierte Musikstücke (Loudness War). Diese Kompression des Audiosignals führt zwar zu einer konstanteren „Hörbarkeit“ der Musik, hat aber auch einen großen Dynamikverlust zur Folge. Es kann vorkommen, dass die oberen Bänder abgeschnitten werden. Im Bild unten sind die abgeschnittenen Linien mit hohem Rotanteil im Spektrogramm gut zu erkennen. Links in der Zeile „Limited / Apod.“ steigt der Apodisierungszähler auf über 8.000 als Indikator für ein schlechtes Abmischen im Tonstudio.

Bei solchen Aufnahmen helfen die im HQPlayer angebotenen Apodisationsfilter. Diese korrigieren bis zu einem gewissen Grad die überschüssigen Spiegelfrequenzen. Abhängig von den ADC-/Mastering-Werkzeugen kann ein gewisses Aliasing-Band am oberen Ende des Frequenzbandes auftreten. Außerdem wird die Impulsantwort des ursprünglichen Dezimationsfilters durch eine andere (höherwertige) Impulsantwort ersetzt. Dadurch wird das Zeit- und Frequenzbereichsverhalten des ursprünglichen Filters verbessert.

Schaltnetzteile

Hier ist eine echte und auch gute Aufnahme mit 192kHz. Leider sind bei ca. 28kHz und oberhalb von 50kHz Linien zu sehen, die von den Schaltnetzteilen der Digital Audio Workstation (DAW) des Tondstudios herrühren können. Sie sind natürlich nicht direkt hörbar, aber sie können eventuell den hörbaren Bereich beeinflussen (demodulieren).

Gute Aufnahmen

Gute Aufnahmen zeichnen sich dadurch aus, dass das, was beworben wird, auch drin ist. Außerdem sollte nicht der ganze Frequenzbereich rot sein (hohe Lautstärke). Gut ist, wenn die Spitzen nicht abgeschnitten sind und eine hohe Dynamik erkennbar ist.

Hier ist ein Titel in 44,1kHz mit einer sehr schönen Dynamik. Das Frequenzspektrum wird bis zur Nyquist-Frequenz von 22,05kHz voll ausgeschöpft. Leider sind Spuren eines mutmaßlichen Schaltnetzteils zu erkennen.

Hier ist echtes 96kHz HiRes zu sehen. Die Bandbreite von 48kHz wird voll ausgeschöpft. Leider werden die Spitzen etwas beschnitten.

Und zum Schluss einer meiner Lieblingsaufnahmen aus meiner Jugend. Wirklich gut remastert und echte 192kHz.

Zusammenfassung

Mit dem HQPlayer Client Metering oder HQPDcontrol v4 Spectrogram kannst du in Echtzeit deine Audio Files analysieren.

Du erkennst bei High Resolution (HiRes) sofort Mogelpackungen. Die Aufnahmen müssen deshalb nicht schlecht sein, aber in diesem Fall ist es besser auf die CD Qualität zurückzugehen.

Loudness War erkennst du an den ausufernden roten Bereichen. Meistens schießt der Apodisierungszähler nach oben und du hast das Problem ganz oft bei 44,1kHz Files. In diesem Bereich verwende ich ausschließlich apodisierende Filter, welche dem entgegenwirken.

Du gibst dir alle Mühe mit der Stromversorgung und kaufst dir vielleicht sogar einen fis Audio PC mit einem linearen Netzteil. Und dann bekommst du HiRes Aufnahmen mit Spuren von Schaltnetzteilen vorgesetzt. Ärgerlich, aber bei älteren Aufnahmen leider oft enthalten. Hier kannst du ausprobieren, ob sich Aufnahmen mit geringeren Samplingraten besser anhören.

Gute Aufnahmen erkennst du an einer hohen Dynamik im Frequenzband mit einer insgesamt geringeren Lautheit (roter Bereich). Die Nyquist Grenzfrequenz wird voll ausgenutzt und die Impulsspitzen werden möglichst nicht beschnitten.

Einleitung

Ohne leistungsfähiges Netzwerk läuft heutzutage nichts mehr. Beim Streamen von Musik kommt es jedoch nicht nur auf die Bandbreite an. Zum Beispiel können sich Gleichtaktstörungen, welche über LAN Kabel übertragen werden, sehr störend auf die Musikwiedergabe auswirken. Warum also nicht Lichtwellenleiter (LWL) nutzen, die eine perfekte galvanische Trennung bieten?

In den Grundlagen schauen wir uns typische Störquellen beim Netzwerk an und erörtern LWL als Alternative. Mein Favorit für das Streaming ohne Störungen und mit bestem Klang ist die Solarflare X2522 Network Interface Card (NIC), die ich hier gerne vorstelle.

Grundlagen

Die Technik der Datenübertragung im Netzwerk

Es ist wichtig zu verstehen, wie die digitale Datenübertragung funktioniert und warum LWL einen Vorteil bietet.

Analoge Übertragungstechnik

Die Bits und Bytes werden in einer analogen Technik per Hochfrequenz (HF) übertragen werden. Dazu gibt es verschiedene Standards. Ein Cat5-Kabel überträgt die Daten mit einer Frequenz von bis zu 100MHz und schafft damit maximal eine Rate von 100Mbps. Ein CAT6a-Kabel überträgt bis 500MHz mit einem maximalen Durchsatz von 10Gbps.

Gleichtaktstörungen

Unter Gleichtaktstörungen werden Störspannungen und -ströme auf den Verbindungsleitungen zwischen elektrischen Komponenten oder elektrischen Bauelementen verstanden, welche sich mit gleicher Phasenlage und Stromrichtung sowohl auf der Hinleitung als auch der Rückleitung zwischen diesen Komponenten ausbreiten. Es hat sich gezeigt, dass sich die Gleichtakstörungen sehr parasitär in den angeschlossenen Geräten einnisten und das Nutzsignal demodulieren können. Hierzu gibt es auch Messungen, siehe Links:

• Warum “klingen” LAN Kabel? – Part I -Messungen – The Sound of Ethernet (ethernet-sound.com).
• Messungen von Ethernet-Infrastruktur – Switches (Nur Lesen) – open-end-music-professional

Eye pattern Diagramm

Das Eye pattern oder Augenmusterdiagramm lässt Rückschlüsse auf die Qualität des Signals zu. Dabei wird über ein Oszilloskop die Überlagerung aufeinanderfolgender Wellenformen zu einem zusammengesetzten Bild erstellt. Im Bild unten wird auf der Ordinate (y-Achse vertikal) der Spannungszustand definiert, ab dem eine binäre 0 oder 1 anliegt. Auf der Abszisse (x-Achse horizontal) ist der Zeitverlauf angegeben. Über die Spannungszustände und dem Zeitverlauf ergibt sich so zum Beispiel eine Bitsequenz von 011 (Gelb).

Während die Latenz eine feste Zeit zwischen zwei Ereignissen definiert, beschreibt Jitter die Schwankungen innerhalb dieser Zeit.  Diese Schwankungen können im Eye pattern Diagramm an den Schnittstellen der aufeinanderfolgender Wellenformen gemessen werden.

Wenn sich über die verschiedenen Bitsequenzen auf dem Oszilloskop in der Mitte ein großes Auge erkennen lässt, ist die Signalqualität in Ordnung. Störungen in den Spannungsverläufen, zum Beispiel Verschiebungen durch Jitter oder eine zu geringe Steilheit in den Flanken können zu Fehlinterpretationen der Bitsequenzen führen. Durch die Prüfsummen wird das fehlerhafte Datenpaket zwar erkannt, aber wenn das zu oft passiert gehen Datenpakete verloren. Musik ist zeitkritisch. Wenn die Zeit bei einem fehlerhaften Paket für eine Wiederholung nicht mehr ausreicht, ist zum Beispiel das typische Knistern wie bei einer Schallplatte zu hören. Bei gravierenden Übertragungsproblemen kommt es zu Dropouts.

Lichtwellenleiter als Alternative

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.

Steckverbinder SFP (Small Form-factor Pluggable)

Du kennst bestimmt die SFP RJ-45 (Kupfer) Stecker und Buchsen für die typische LAN Verbindung. Diese wird für Standard-Ethernet über Twisted Pair-Kabel verwendet (z.B. CAT5 oder CAT6).

Bei LWL benötigst du SFP. SFP steht für Small Form-factor Pluggable und ist ein standardisierter, kompakter Steckverbinder, der in Netzwerkgeräten verwendet wird, um verschiedene Kommunikationsschnittstellen, wie Ethernet, zu unterstützen. Es wird typischerweise in Switches, Routern, Firewalls oder Netzwerkadaptern verwendet. Die Verbindung erfolgt über einen Transceiver.

Transceiver

Aus spannungsinduzierten 0/1-Bits werden optisch modulierte 0/1-Bits. 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 jedoch in der Regel abwärtskompatibel.

Transceiver haben übrigens keine eigene Clock. Diese sitzt immer auf der Netzwerkkarte.

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 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 Kabel

Bei den Glasfasern gibt es unterschiedliche Normen, die nicht untereinander getauscht werden können. Die richtige Auswahl ist deshalb wichtig! Die gute Nachricht ist, dass Glasfaserkabel in guter Qualität ausgesprochen preiswert sind. Und man kann sie über längere Entfernungen einsetzen.

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.

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.

Derzeit verfügbar sind meines Wissens nur Grade B Kabel, zumal Grade A nicht abschließend formal definiert ist. Hier ist eine Auswahl von Grade B LWL Kabel:

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

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. Eine galvanische Trennung entfällt also. Der Vorteil gerade der passiven Variante ist der sehr geringe Stromverbrauch. Die AOC Kabel trennen galvanisch, verbrauchen dafür aber mehr Strom.

Netzwerkkarten

Damit der Audio PC mit LWL über das Netzwerk kommunizieren kann, benötigst du die passende Netzwerkkarte, auch Netzwerkadapter genannt. In unserem Fall verwenden wir eine PCIe-Karte, die idealerweise ohne Umweg über den Chipsatz direkt mit der CPU kommuniziert.

PCIe steht für Peripheral Component Interconnect Express und ist eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle, die für die Verbindung von verschiedenen Hardware-Komponenten in einem Computer verwendet wird. Es handelt sich dabei um einen Standard, der von der PCI-SIG (PCI Special Interest Group) entwickelt wurde und vor allem in modernen Computern und Servern weit verbreitet ist.

PCIe verwendet Lanes, um Daten zu übertragen. Jede Lane besteht aus einem Sende- und einem Empfangskanal. Es gibt verschiedene Konfigurationen von PCIe-Slots, die je nach Anzahl der Lanes unterschiedlich viel Bandbreite bieten können.

Die technischen Spezifikationen für 10G sind 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.

Netzwerkkarten für LWL

Solarflare NICs

Die NICs von Solarflare wurden 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 im Vergleich zu 10GTek

Bei der Ethernet-Adapter der Serie 8000 (xilinx.com) haben ich gute Erfahrungen mit der SFN8522 NIC gemacht. Die Latenzen liegen unter 1μsec. Ein Vergleich mit der 10GTek Karte unten zeigt den Größenunterschied auf. Der deutlich größere Kühlkörper spricht Bände.

Im Begleitzettel wurde für die Solarflare SFN8522 NIC darauf hingewiesen, dass für die Kühlung ein Lüfter mit mind. 200 Umdrehungen erforderlich ist. Das 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. 

Klanglich konnte die 10GTek Karte der Solarflare SFN8522 Karte nicht ansatzweise das Wasser reichen.

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.

Der XtremeScale X2522 Network Adapter ist mit seiner Spezifikation für hohe Bandbreiten 10/25GbE (Gigabit-Ethernet) sehr robust. 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. Für die Kühlung einer 10G Version wird ein Lüfter mit mind. 300 Umdrehungen benötigt. Ohne Kühlung wird die Leistung gedrosselt und führt schnell zur Abschaltung des NICs. Statt des störenden Lüfters haben wir eine leistungsfähige passive Kühlung mit Heatpipes entwickelt. Siehe: Passives Kühlungskit für XILINX Solarflare X2 Series & 8000 Series Ethernet Adapters.

Dabei wird der Solarflare Chip mit einem massiven Alu-Kühlkörper vor Überhitzung geschützt. Die Wärme wird sehr effizient über Heatpipes an die Kühlrippen der Seitenwand abgeführt.

Einstellungen im BIOS

Damit die ultraniedrigen Latenzen zur Wirkung kommen ist eine Einstellung im BIOS erforderlich. Für Käufer des fis Audio PCs machen wir das natürlich.

Um in das BIOS Menü zu gelangen klickst du während des Bootvorgangs bei msi-Motherboards permanent auf die Taste ENTF (bei ASUS Boards ist es die Taste F2), bis das BIOS Menü erscheint. Rufe mit der Taste F7 den erweiterten Modus auf. Im Pfad Settings/Advanced findest du die Solarflare Konfigurationseinstellungen. Bei anderen Motherboards kann die Konfigurationsoberfläche abweichen.

Im Solarflare Network Adapter findest du die Firmware Varianten. Lege diese auf Ultra low latency fest. Danach mit der Taste F10 speichern und neu booten.

Blockdiagramm für den audiophilen Einsatz

Für viele ist LWL noch Neuland, deshalb habe ich ein Blockdiagramm als Beispiel für die Anschlussmöglichkeiten entworfen. Selbstverständlich kannst du LWL auch anders nutzen, als hier dargestellt.

Glasfaser beginnt bereits beim Router, wenn es eine Anschlussmöglichkeit gibt. Vom Router geht es herkömmlich über eine LAN (Kupfer) Verbindung zum Switch. Vom Switch führen zwei LWL Verbindungen zum fis Audio Server (Roon Core) und fis Audio PC (HQPlayer), welche auch untereinander für kürzeste Signalwege über LWL (hier sogar 10G) verbunden sind. Die über Roon gestreamten und vom HQPlayer gerenderten Daten gehen über LAN an den DAC.

In meinem System und mit meinen Ohren ist das die bisher beste Netzwerkverbindung, die ich hatte. Der Musikfluss ist sehr natürlich ohne Schärfen, mit schönen Klangfarben, schnellen Transienten und einer sehr guten Instrumentenseparation.

Zusammenfassung

Weil die Datenübertragung im Netzwerk über eine analoge Übertragungstechnik erfolgt, können Gleichtaktstörungen die angeschlossenen Geräte infizieren und das Musiksignal demodulieren.

Deshalb sind Lichtwellenleiter eine gute Alternative, weil dort eine galvanische Trennung stattfindet. Das ist bei WLAN zwar auch der Fall, aber die Übertragung per HF (Hochfrequenz) kann das Musiksignal demodulieren, wenn der Sender zu nah an den Geräten steht. Überlastete WLAN Kanäle können Übertragungsstörungen auslösen.

Um LWL zu nutzen, benötigst du Steckverbinder mit SFP (Small Form-factor Pluggable) und die dazu passenden Transceiver. Außerdem ist eine Netzwerkkarte für den Computer erforderlich.

Die XILINX Solarflare XtremeScale X2522 Netzwerkkarte ist in audiophilen Kreisen sehr beliebt, muss aber sehr gut gekühlt werden.

Mit dem

• passiven Kühlungskit für XILINX Solarflare X2 Series & 8000 Series Ethernet Adapters oder gleich komplett als:
• XILINX (Solarflare) XtremeScale X2522 Glasfaser Kit

haben wir eine Innovation am Markt, die du sonst nirgendwo findest. Und die gute Nachricht ist: Wir können endlich wieder liefern!

Einleitung

Viele behaupten, der Klang wird erst im DAC während der „Digital to Analog Conversion“ gemacht. Bei einer bitperfekten Übertragung der Daten an den DAC hört sich das erstmal plausibel an.

Nur hat das mit der Realität oft nichts zu tun. Die meisten DACs haben Delta-Sigma-Chips von der Stange verbaut. Bei PCM Dateien erfolgt dabei ein Oversampling in den Megahertzbereich, damit ein Bitstream vor der eigentlichen „Digital to Analog Conversion“ erzeugt werden kann. PCM wird dabei zwangsweise in DSD umgewandelt, was viele DAC Hersteller gern verschweigen. Bitperfekt ist da vor der Wandlung in Analog nichts mehr.

Aufgrund der gegenüber einem PC sehr geringen Rechenleistung des DAC Chips erfolgen im DAC Interpolationen mit einfachen Filtern und Festkommaberechnungen. Oft werden die Samples nur kopiert, bis die Modulatorrate erreicht wird. Hier kann ein leistungsfähiger Audio PC mit höherwertigeren Filtern und Berechnungen mit Gleitkommapräzision sehr gut weiterhelfen.

Wie Delta-Sigma-DACS arbeiten, klären wir mit konkreten Beispielen in den Grundlagen. Dann sehen wir uns Strategien zur Klangverbesserung mit einem Audio PC und dem HQPlayer an.

Grundlagen

(1) DAC pure (der typische Signalpfad in Delta-Sigma-Chips)

Im „normalen“ DAC Betrieb (OS – Oversampling) folgen wir der Verarbeitung einer Red Book Quelldatei. Die 44,1 kHz / 16 Bit Datei wird ohne Veränderung dem DAC bitperfekt zugeführt.

I DAC-Chip 1. Oversampling-Stufe

Je nach DAC Design erfolgt eine Hochrechnung der Samplingrate auf das 8fache (8fs = 352,8 kHz) oder das 16fache (16fs = 705,6 kHz). Dies erfolgt meist in mehreren Stufen als FIR-Interpolation: 44,1 → 88,2 → 176,4 → 352,8. Oft kann der Anwender zwischen verschiedenen (einfachen) Filtern wählen.

II DAC-Chip 2. Oversampling-Stufe

Abhängig vom DAC Design erfolgt eine zweite sehr vereinfachte Oversamplingstufe, zum Beispiel mit dem 16fachen der 1. Oversamplingstufe, also zum Beispiel auf 11,2896 MHz (16 x 705,6 kHz). Dies geschieht meist durch das Kopieren desselben Samples so oft wie nötig. Oder mit einer linearen Interpolation (IIR) auf die Modulatorrate.

III DAC-Delta-Sigma-Modulator

Die digitalen Samples mit 0 und 1 gehen in den Eingangsdifferenzkonverter, welcher im hexadezimalem Wertbereich arbeitet. Dementsprechend kennt der digitale Modulator nur zwei Werte. Ein entstehender Messfehler wird integriert (im Bild engl. „Integrator“) und über eine Gegenkopplung schrittweise kompensiert. Die Anzahl der Integratoren bzw. die Anzahl der Gegenkopplungsschleifen charakterisieren die Ordnung des ΔΣ-Modulators. Je höher die Ordnung ist, umso stärker wird die Verschiebung des Rauschens, umso höhere Frequenzen können genutzt werden. Ein herkömmlicher Delta-Sigma-Chip hat meistens nur einen Modulator 3. Ordnung.

Der Komparator vergleicht, ob sein Eingangssignal größer oder kleiner als ein bestimmter Schwellenwert ist und gibt ein entsprechendes Ein-Bit Signal, den Bitstream aus. Dieser Bitstream wird an einen DDC (Digital-Digital-Converter) solange in eine Gegenkopplungsschleife (negative feedback) abgezweigt, bis die gewünschte Signalqualität erreicht ist. Dieser Vorgang wiederholt sich immer in derselben Modulatorrate, die gegenüber PCM sehr hoch ist. Im Beispiel sind es 11,2896 MHz (16 x 705,6 kHz = DSD256).

Angewendet wurde das DSD-Verfahren ursprünglich bei der Super-Audio-CD (SACD). Gespeichert wird dabei der direkteDatenstrom eines Delta-Sigma-Modulators, der mit 2,8224 MHz arbeitet. Das entspricht dem 64-fachen (DSD64) der Abtastrate von 44,1 kHz (Audio-CD/Red-Book) mit 16-bit-Puls-Code-Modulation (PCM).

IV DAC D/A-Wandlungsstufe

Der fertige Bitstream geht nun in den eigentlichen DAC (Digital-Analog-Converter). Dieser hat die Aufgabe den digitalen Datenstrom in ein analoges Signal zu wandeln. Höhere Frequenzen mit dem Rauschen werden durch ein analoges Filter für den Analogausgang entfernt. Als Ergebnis wird ein analoges Signal erzeugt.

Ausgewählte DAC Chips in der Praxis

Die Delta-Sigma-Modulation kann seit den 1970er Jahren mit den Fortschritten in der CMOS-Technologie preiswert umgesetzt werden. Delta-Sigma-Modulatoren werden von vielen großen Halbleiterherstellern als fertige integrierte Schaltung angeboten.

ESS Sabre DAC Chips

Ein typisches Beispiel sind die ESS Sabre DAC Chips: SABRE Audiophile DACs – ESS Technology, Inc. Sehen wir uns den digitalen Signalpfad von dem ES9039MPRO Chip an.

Unten im Bild sehen wir, dass PCM über S/PDIF (rot markiert) nach dem Lautstärkeregler (DSP – Digitaler Signal Prozessor) einem 8fachen Oversampling mit Filter unterzogen wird. Und zwar in zwei Stufen: 2x und 4x. Wenn die Eingaberate höher als 44,1 kHz ist, wird die entsprechende Anzahl von Stufen von Anfang an übersprungen (Bypass). Wenn der DAC Chip also zum Beispiel 88,2 kHz erhält, wird die erste Stufe übersprungen und die zweite Stufe (4 x 88,2 kHz = 352,8 kHz) durchgeführt. Wenn die Rate 352,8 kHz oder höher ist, wird die 1. Oversamplingstufe komplett übersprungen.

Die 352,8 kHz werden dann auf die Modulatorrate auf 5,6448 MHz interpoliert (16 x 352,8 kHz). Danach geht es zum Delta-Sigma-Modulator, der den Bitstream erzeugt. Im Bild nicht mehr gezeigt erfolgt die eigentliche Umwandlung von Digital zu Analog mithilfe eines analogen Filters.

DSD (blau markiert) kann alle Oversamplingstufen umgehen, wenn die Mindest-Samplingrate erreicht wird. Hier sollte es DSD128 (8 x 16 = 128 x 44,1 = 5,6448 MHz) sein. Leider gibt es keinen Bypass bei den Schritten Volume Control, THD Comp. und ASRC. Es erfolgt also weiter eine nachgelagerte Bearbeitung von DSD und das kann etwas problematisch sein.

AKM’s Audio D/A Converters

Ebenfalls weit verbreitet sind die Audio D/A Converters von Asahi Kasei Microdevices (AKM). Sehen wir uns das Blockschaltbild vom AK4493SEQ Chip an. In Rot markiert geht PCM (vereinfacht) seinen Weg vom internen DSP (DATT / Soft Mute) über den Interpolator zum Delta-Sigma-Modulator, der wieder den Bitstream erzeugt.

Im Grunde genommen zeigt sich das gleiche Bild wie bei ESS Sabre mit einem entscheidenden Unterschied: Wenn DSD (blau markiert) im bypass betrieben wird, dann wird DSD unberührt vom DSP am Interpolator und Modulator vorbei durchgeschleust. Das ist eine gute Sache, weil der externe Bitstream ohne weitere Bearbeitung durchkommt und der DAC nur noch die eigentliche Digital to Analog Conversion macht. Ob es so ist, hängt allerdings vom DAC Design insgesamt ab. Beim Selekt DSM | Network Music Players | Linn Deutschland mit dem Level1-DAC (DAC-Chip AK4493) ist es zum Beispiel nicht möglich, weil kein Weg am internen FPGA vorbeiführt und der Linn kein NOS (Non Oversampling) anbietet.

Texas Instruments (ehemals Burr-Brown) DAC Chips

Burr-Brown DAC Chips sind bei DAC-Herstellern sehr beliebt. Als Beispiel sehen wir uns diesen Chip an: PCM1795. PCM wird auf das achtfache (8fs = 352,8/384 kHz) hochgerechnet und geht dann in den Delta-Sigma-Modulator. Einen eigenen DSD-Pfad gibt es nicht.

Interessant ist, wie zum Beispiel T+A diesen DAC Chip im SDV 3100 HV Referenz Streaming DAC Vorverstärker (ta-hifi.de) verwendet. PCM wird über einen eigenen DSP (Digital Signal Prozessor) auf das sechzehnfache (16fs = 705,6/768 kHz) hochgerechnet und dann erst dem PCM1795 zugeführt. Dabei wird die 1. Oversampling-Stufe im DAC Chip umgangen. Freilich muss die 2. Oversampling-Stufe im DAC Chip erfolgen, um auf die Modulatorrate von 2.8224 MHz (DSD64) zu kommen. Das T+A interne Oversampling kann dabei übergangen werden, wenn dem SDV 3100 HV Quellmaterial mit PCM 705,6/768 kHz zugeführt wird. Der DAC schaltet dann automatisch in den NOS-Betrieb (Non Oversampling) um. Da zum Schluss der Modulator den Bitstream im Megahertzbereich erzeugt, ist es aber meiner Meinung nach kein „echtes“ NOS.

ROHM DAC Chips

Ein weiteres Beispiel ist dieser DAC Chip: New 32bit D/A Converter IC for Hi-Fi Audio Equipment | ROHM Semiconductor – ROHM Co., Ltd. Es handelt sich ebenfalls um einen Delta-Sigma-Chip. In den roten Kästchen ist der Weg von PCM markiert. Über Audio Funkion Control geht es zum Upsampling über FIR Filter und anschließend erzeugt der Delta-Sigma-Modulator den Bitstrom für die Wandlung von Digital zu Analog.

DSD umgeht vorbildlich sämtliche DSP- und Upsamplingstufen und geht direkt zur Digital-Analog-Wandlung. Das neue Olympus I/O XDMI DAC-Modul von Taiko Audio enthält einen ROHM-Chip. Ob es dieses Modell ist weiß ich nicht, aber diesem DAC das DSD Format zuzuspielen, kann sich lohnen.

Strategien zur Klangverbesserung

(2) HQPlayer Upsampling PCM

Das externe Upsampling kann natürlich auch über andere Software Engines erfolgen. Zum Beispiel mit Roon oder mit PGGB – Offline remastering (remastero.com). Jedoch ist für mich der HQPlayer– Signalyst die bisher beste Upsamplinglösung.

Mittlerweile wissen wir, dass das Oversampling der PCM Files in Delta Sigma DACs nicht vermieden werden kann! Entweder macht es der DAC Chip in seinen Oversamplingstufen selbst oder ein internes DSP/FPGA vom Gerätehersteller oder eine externe Software führen die Berechnungen aus. In unserem Beispiel wird die Red Book Quelldatei mit einer Samplingrate von 44,1 kHz vorher vom HQPlayer verarbeitet. Der DAC erhält ein Musikfile mit 705,6 kHz. Je nach DAC Design wird dann das interne Oversampling (zum Teil) umgangen.

I Audio PC HQPlayer Upsampling PCM

Dem HQPlayer wird PCM 41,1 kHz bitperfekt zugeführt und dieser führt ein Upsampling auf 16fs (705,6 kHz) durch.

Die DSP-Engines in DAC-Chips sind in Bezug auf Genauigkeit und Qualität nicht annähernd vergleichbar mit dem, was ein Audio PC tun kann. In DACs werden typischerweise mit 32 Bit oder sogar nur mit 24 Bit Festkomma-Berechnungen durchgeführt. Der HQPlayer rechnet mit mindestens 64 Bit, teilweise mit 80 Bit in Gleitkommapräzision.

Eine höhere Rechenleistung ermöglicht es, eine viel höhere Anzahl von Rechenoperationen während der begrenzten Zeit zwischen 2 Ausgangssamples (1/target_fs) auszuführen. Reine Computerleistung ermöglicht es also, Ergebnisse mit höherer Präzision zu erzielen, da die verwendeten Algorithmen nicht so sehr durch die Anzahl und Komplexität der Operationen eingeschränkt sind. Meist kann das Upsampling dann einstufig durchgeführt werden. Das Filterdesign im HQPlayer ist sehr umfangreich und von sehr hoher Qualität.

Unbedingt hervorzuheben sind die apodisierenden Filter, die gerade bei dem sehr weit verbreiteten Audio-CD/Red-Book Quellmaterial etwaige Fehler des Masterings beseitigen kann. Siehe auch Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften.

II DAC-Chip 2. Oversampling-Stufe

Für den DAC beträgt die Quellrate jetzt 705,6 kHz. Je nach DAC Design erfolgt nun wieder eine zweite sehr vereinfachte Abtastratenerhöhung. Aufgrund der sehr hochwertigen ersten Upsamplingstufe durch den HQPlayer kann das Kopieren der Samples auf die Modulatorrate durch den DAC-Chip keinen Schaden mehr anrichten.

III DAC-Chip Delta-Sigma-Modulator

Hier erfolgt unverändert die Umwandlung in DSD wie oben in den Grundlagen beschrieben, jedoch mit qualitativ besserem Oversamplingmaterial.

IV DAC D/A-Wandlungsstufe

Auch dieser Vorgang erfolgt unverändert wie oben beschrieben.

(3) HQPlayer Upsampling DSD

Wer das externe Upsampling voll nutzen möchte, für den sind DACs im NOS (Non Oversampling) die beste Option. Insbesondere für die Besitzer von Delta Sigma DACs drängt sich das Upsampling auf DSD geradezu auf, da dieses Format im DAC sowieso die letzte Stufe ist, bevor die Ausgabe des analogen Signals erfolgt.

NOS-fähige DACs findest du hier: Which DACs bypass digital filtering? – Page 33 – DAC – Digital to Analog Conversion – Audiophile Style. Hier ist auch der SDV 3100 HV Referenz Streaming DAC Vorverstärker (ta-hifi.de) genannt, der mit seinem T+A-True-1Bit DSD D/A-Wandler bis zu DSD 1024 (49,2 MHz) nativen Bitstream ohne interne Verarbeitung anbietet.

Mit dieser Methode können die Oversamplingstufen und der oft recht einfach gehaltene Modulator im DAC-Chip umgangen werden.

I Audio PC HQPlayer Upsampling DSD

Der HQPlayer erledigt drei Stufen auf einmal. Im Beispiel erfolgt ein Upsampling von PCM 44,1 kHz auf DSD256 mit dem vom Anwender ausgewählten Filter, gegebenenfalls ergänzt um Faltungsfilter für die Raumkorrektur oder andere Einstellungen.

Die Begrenzungen im DAC-Chip mit seiner Abtastrate von zum Beispiel 11,3 MHz (DSD256) und einem Modulator 3. Ordnung wird ersetzt durch den HQPlayer mit einer Abtastrate bis zu 49 MHz (DSD1024) und hochpräzisen Modulatoren 7. Ordnung. Dies setzt freilich voraus, dass der DAC im NOS (Non Oversampling) arbeitet.

Der Schöpfer vom HQPlayer sagt, 50% der Leistung kommt von den digitalen Filtern. Die anderen 50 % stammen aus dem Modulatordesign. Siehe auch Audio PC HQPlayer Modulatoren.

II DAC D/A-Wandlungsstufe

Der DAC wird von viel Arbeit entlastet und führt nur noch seine Hauptaufgabe durch: nämlich die Digital zu Analog Wandlung. Weniger Rechenoperationen führen zum geringeren Strombedarf und das wirkt sich oft auf ein geringeres Rauschen aus.

Zusammenfassung

Um deinen DAC klanglich zu verbessern, musst du als erstes klären wie die Signalverarbeitung im Gerät erfolgt. Wenn es sich um einen Delta-Sigma-DAC handelt, dann wird am Ende ein Bitstream mit der begrenzten Rechenleistung eines DAC Chips erzeugt. Eventuell wird das Oversampling durch einen weiteren Chip mit eigener Software (DSP oder FPGA – Field Programmable Gate Array) unterstützt. Da am Ende sowieso DSD rauskommt, kannst du hier mit deinem Audio PC ansetzen.

Welches Upampling mit dem Audio PC am zweckmäßigsten ist, entscheidet das DAC Design. Wenn ein ESS Sabre Chip verbaut ist, hilft oft ein PCM Upsampling, um den internen Filter zu umgehen. Auch DSD in der richtigen Größenordung kann helfen, weil dadurch alle Oversamplingstufen umgangen werden. Leider stört dann immer noch die interne DSP Verarbeitung.

Bei AKM Chips wäre DSD meine erste Wahl, da der Bitstream unverändert durchgeleitet werden kann. Es ist allerdings auch abhängig vom DAC Hersteller, ob dieser den NOS Betrieb zulässt. Bei Linn DACs geht es zum Beispiel nicht, aber von Usern ist zu hören, dass PCM Upsampling auf 192 kHz viel bringt.

Bei DACs mit dezidiertem DSD-Pfad wie beim SDV 3100 HV Referenz Streaming DAC Vorverstärker (ta-hifi.de) würde ich immer DSD Upsampling mit dem HQPlayer wählen. Hier den ebenfalls angebotenen PCM-Pfad mit den PCM1795 Chips zu nutzen, macht für mich keinen Sinn, da die Burr-Brown Chips hinterher mit einem sehr einfachen Modulator die PCM Quelldatei sowieso in einen Bitstream (DSD64) umwandeln.

Die beste Lösung ist es von vornherein einen NOS fähigen DAC für DSD zu kaufen. Damit erhältst du alle Freiheiten und bist wesentlich flexibler, was Filter und Modulatoren angeht.

Das Ergebnis kann sich oft im wahrsten Sinne des Wortes Hören lassen. Hier folgt ein Zitat eines HQPlayer Nutzers:

Mein Verständnis, das auf Hörerfahrung basiert, ist, dass ein präziseres Verarbeitungsergebnis zu folgenden positiven Effekten führen:

– einem besseren Luftigkeits- und Raumgefühl,
– einer klareren Instrumentenplatzierung und -trennung,
– einer besser geschichteten Klangbühne (anstelle von flach),
– einer feineren und detaillierteren Transientendarstellung anstelle der typischerweise gehärteten PCM-Pfadtransientenpräsentation,
– zu volleren und realistischeren Instrumentenklangfarben,
– einer besseren Dynamik aufgrund eines geringeren Grundrauschens und
– auch bei niedrigen Pegeln zur besseren Durchhörbarkeit von Details bei Instrumenten wie Perkussion.

Quelle: Why does the soundstage sound different (often better IMHO) in high rate DSD like DSD256 Vs native Redbook to a DAC with a Chip that upsamples to ultimately do SDM conversion. – DAC – Digital to Analog Conversion – Audiophile Style

PCM in DSD vor dem DAC umzuwandeln, erfordert eine hohe Rechenleistung. Mit einem Intel NUC wirst du nicht weit kommen. Der fis Audio PC ist mit seiner hohen Rechenleistung für das DSD Upsampling gemacht.

Einleitung

Die Idee, einen Einplatinencomputer mit NAA (Netzwerk-Audioadapter) zu nutzen, liegt im rauscharmen Betrieb. Die sehr hohe Rechenleistung eines fis Audio PCs mit tendenziell viel Rauschen wird dadurch wirksam vom DAC ferngehalten.

Dabei kommt es nicht nur auf die Hardware an, sondern wie ich aktuell aus eigener Erfahrung berichten kann, auch auf die Aktualität der Software. So erlebte ich mit dem NAA Softwareupdate im SDV 3100 HV Referenz Streaming DAC Vorverstärker (ta-hifi.de) eine erstaunliche Steigerung der Sound Qualität (SQ).

Doch der Reihe nach. In den Grundlagen sehen wir uns das Konstruktionsprinzp eines Einplatinencomputers und die Funktionsweise von NAA an. Und am Beispiel des SDV 3100 HV, der in meinem Fall einen eingebauten NanoPi NEO4 Einplatinencomputer hat, sehen wir uns die Möglichkeiten eines Softwareupdates an.

Grundlagen

Einplatinencomputer

Ein Einplatinencomputer (Single Board Computer, SBC) ist ein kompletter Computer, der auf einer einzigen Leiterplatte (Platine) implementiert ist. Er umfasst typischerweise alle wesentlichen Komponenten eines Computers, einschließlich eines Mikroprozessors, Speicher (RAM), Ein-/Ausgabeschnittstellen und oft auch Speichergeräte (wie Flash-Speicher oder SD-Kartensteckplätze). Ein bekanntes Beispiel für einen Einplatinencomputer ist der Raspberry Pi.

Vorteile eines Einplatinencomputers

Kompaktheit und Platzersparnis:
Da alle Komponenten auf einer einzigen Platine integriert sind, sind Einplatinencomputer sehr kompakt und platzsparend. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen der Platz begrenzt ist.

Kosteneffizienz:
Einplatinencomputer sind im Allgemeinen viel günstiger als herkömmliche Desktop-Computer oder Laptops. Dies liegt daran, dass sie weniger Komponenten und eine geringere Fertigungskomplexität haben.

Energieeffizienz:
Sie verbrauchen weniger Strom als herkömmliche Computer, was sie für den Einsatz in energieeffizienten oder batteriegespeisten Anwendungen geeignet macht. Durch das geringe Eigenrauschen sind sie auch für Audio Zwecke sehr gut geeignet.

Einfachheit und Zugänglichkeit:
Einplatinencomputer sind oft auf Einfachheit ausgelegt und können mit minimalem Aufwand eingerichtet und betrieben werden. Viele Modelle, wie der Raspberry Pi, haben eine große Gemeinschaft von Nutzern und Entwicklern, was den Zugang zu Unterstützung und Ressourcen erleichtert.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten:
Aufgrund ihrer Flexibilität und Kompaktheit können Einplatinencomputer in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von der Heimautomatisierung über Bildungsprojekte bis hin zu industriellen Steuerungen und IoT-Geräten (Internet der Dinge).

NAA (Netzwerk-Audioadapter)

Signalyst (Jussi Laako) hat NAA entwickelt, welches den HQPlayer-Anforderungen entspricht. UPnP ist zum Beispiel weniger für die HQPlayer-Ausgabe geeignet, da es keine DSD Unterstützung bis DSD1024 bietet. Siehe auch mein Bericht: Was sind bessere Alternativen zu UPnP?

Asynchrones FIFO

Dabei wird die Verarbeitung vom HQPlayer in einem in der Regel sehr leistungsstarken Audio PC durchgeführt und die verarbeiteten Daten werden asynchron über das Netzwerk zu einem lowpower Netzwerk-Audioadapter gestreamt, der mit dem DAC als Endpunkt verbunden ist. Asynchrones FIFO bietet maximale Isolation zwischen Verarbeitung und Audiowiedergabe. Siehe Bild unten.

5. Generation des NAA-Protokolls (5.0.0)

NAA hat einige Versionssprünge gemacht. In der neuen fünften Generation des NAA-Protokolls (5.0.0) wurden einige Verbesserungen umgesetzt:

• Unterstützung für mehrere Anschlüsse/Geräte,
• Informationen zum Pufferpegel,
• Low-Delay-Modus,
• Hardware-Lautstärkeregelung,
• Übergabe der Wiedergabeposition und Übergabe von Metadaten (einschließlich Bild),
• Verbessertes Verhalten in verschiedenen Netzwerkumgebungen und -situationen.

Es gibt einige Hersteller, die NAA bereits integriert haben. So auch der SDV 3100 HV Referenz Streaming DAC Vorverstärker (ta-hifi.de). Die aktuelle Liste findest du hier: Netzwerk-Audio-Adapter (NAA) – Signalyst.

Hardware

Einplatinencomputer NanoPi NEO4

Wie bereits erwähnt, hat der SDV 3100 HV NAA integriert. Dabei handelt es sich sozusagem um ein Gerät im Gerät. In meinem Fall um einen eingebauten NanoPi NEO4 Einplatinencomputer. Für T+A SDV 3100 HV DACs ab 2023 wird eine andere Hardware verwendet: RockpiE – Radxa Wiki.

Selbstverständlich kann die hier vorgestellte Lösung auch separat betrieben werden. Auch mit anderen Einplatinencomputern. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass T+A die weit verbreitete Lösung mit Raspberry Pi 4 aus klanglichen Gründen nicht verwendet.

Ich hatte schon immer Probleme mit der Klangqualität, wenn ich einen RPi benutzte. Aus diesem Grund setzt T+A RPi für seine NAA-Implementierung in SDV3100HV nicht ein.

https://audiophilestyle.com/forums/topic/67597-ta-components-and-linux-support/?do=findComment&comment=1279050

Der NanoPi NEO4 Einplatinencomputer hat eine recht leistungsstarke CPU verbaut: RK3399 – Rockchip Wiki (wikidot.com). Es handelt sich dabei um ein 2-CPU-Cluster: Dual-core ARM Cortex-A72 MPCore processor and Quad-core ARM Cortex-A53 MPCore processor. Der große Cluster mit Dual-Core-Cortex-A72 ist für hohe Leistung optimiert, während der kleine Cluster mit Quad-Core-Cortex-A53 für geringen Stromverbrauch vorgesehen ist.

Mit 1 GB DDR3-RAM ist ein recht üppiger Arbeitsspeicher verbaut, der im NAA Betrieb nur mit etwas über 10% ausgenutzt wird. Also Reserven ohne Ende. Die Schittstellen sind vielfältig: USB, LAN, WLAN, Bluetooth und sogar HDMI. Der SDV 3100 HV nutzt davon den LAN Anschluss für NAA, also den Input. Der Output zum DAC läuft über USB.

Das Motherboard besteht aus einer 8 Layer Platine und misst bescheidene 60 x 45 mm. Der Stromverbrauch wird mit maximal 5V/3A angegeben.

Zwischendurch eine kleine Werbepause. 🙂 Ich habe schon viele DACs unterschiedlicher Bauarten (mit ESS Sabre Chips, R2R Ladder DAC oder True-1Bit DSD D/A-Wandler) im System gehabt. Der SDV 3100 HV ist mein bisher bester DAC. Ultrastabil, feinauflösend und analog klingend.

Um an den NanoPi NEO4 heranzukommen, muss die Bodenplatte entfernt werden. Dank der guten Anleitung von T+A war das problemlos möglich. Auf der Unterseite ist alles sauber montiert und strahlt Wertigkeit aus.

Die NAA Platine ist auf einer Lochplatte montiert. Für die Demontage müssen der LAN Stecker und die USB Verbindung abgezogen werden.

Unterhalb der USB C Buchse links ist befindet sich die microSD-Karte für das Betriebssystem und NAA.

Kommen wir nun zur Software.

Software

Proprietäre NAA Software von T+A

Wer Geräte von T+A mit Netzwerkanschluss hat, freut sich über die in der Regel unkomplizierte Updatefunktion. Beim Start des DACs wird man auf Updates hingeweisen. Im Fall vom SDV 3100 HV kann man sich die Versions Info auf der T+A Homepage ansehen. Aktuell ist das dieser Stand:

Currently available versions:

        	stable                   beta

Bundle: 	V1.18                    V1.18

Main:   	V1.25                    V1.25
BL:     	V3.00                    V3.00
Client: 	V3.0.4                   V3.0.4
FM/DAB: 	V1.10                    V1.10
DSP   : 	V1.16                    V1.16

New or improved features:
(GEN) = General,  (SCL) = Streaming Client,  (TUN) = FM/DAB tuner  (GW) Gateway

Da wird nun alles möglich auf den neuesten Stand gehalten, nur eines nicht: NAA! Das ist ein recht ärgerlicher Umstand. Denn auf der microSD-Karte des NanoPi NEO4 befindet sich die seit Kauf unveränderte T+A-Firmware mit einem zwar hochoptimierten Kernel, aber mit der Uralt-NAA Version 3.5. Der seit 2023 von T+A neu verbaute Single-Board-Computer RockpiE/hardware/rockpiE – Radxa Wiki hat immerhin NAA in der Version 4.4 an Bord. Nun wurde jedoch vor kurzem NAA OS 5.0.2 veröffentlicht.

Für ein Update muss leider der NanoPi NEO4 ausgebaut werden, denn anders kommt man nicht an die microSD-Karte heran. Das Original soll man gut aufbewahren und niemals überschreiben. So hast du immer ein Back up, falls etwas nicht funktioniert. Die nachfolgenden Beschreibungen beziehen sich auf das Flashen einer „neuen“ microSD-Karte!

DietPi – Hochgradig optimiertes minimales Debian-Betriebssystem

Aufgrund einer Empfehlung verwende ich DietPi, welches auf Debian basiert. Debian verwendet den Linux-Kernel als Kernbestandteil des Betriebssystems. Der Linux-Kernel ist das Herzstück eines Betriebssystems und verwaltet die Hardware-Ressourcen, wie CPU, Speicher und Peripheriegeräte. Er stellt auch grundlegende Dienste für alle anderen Teile des Betriebssystems bereit.

Nun ist Linux nicht gerade mein Steckenpferd. Mit dem HQPlayer OS, welches ebenfalls auf Linux basiert, kommt man nur mit Kommandozeilen weiter. Siehe: Linux-Befehle für das HQPlayer OS. Das erinnert mich an die alten MS DOS Zeiten. Was für ein Krampf! Dementsprechend wenig Lust hatte ich darauf. Doch mit sehr sachkundiger Hilfe und der hervorragenden Anleitung von DietPi war es nicht schwer.

DietPi auf microSD flashen

Die Einfachheit von DietPi liegt schon darin begründet, dass es für die unterstützte Hardware maßgeschneiderte Versionen gibt. Diese findest du unter DietPi – Download. Wähle deinen Einplatinencomputer aus und lade dir das komprimierte Image herunter. Das Image für den NanoPi NEO4 ist gerademal 1,2 GB groß. Dementsprechend klein kann die microSD Karte sein.

Für das Flashen gibt es eine sehr gute Anleitung: How to install DietPi – DietPi.com Docs. Neben einer neuen microSD benötigst du nur einen Kartenleser, den es für z. B. USB preisgünstig gibt. Das Image brennst du im Mac mit balenaetcher oder unter Windows mit Rufus auf den USB-Stick.

DietPi mit SSH einrichten

Du musst glücklicherweise keinen Monitor anschließen. Eine Netzwerkverbindung reicht. Mittels SSH (Secure Shell) kannst du eine verschlüsselte Verbindung zur Kommandozeile (Shell) des DietPi OS herstellen. Ich beschreibe hier nur den Weg über einen Apple Mac Computer. Ähnliches gilt auch für Windows.

Öffne dafür das Terminal (Befehlszeilen-Interface) und tippe: „ssh root@ip-address“. Ein Eingabebeispiel: „ssh root@192.178.188.10“. Dann wird nach deinem Passwort gefragt, welches „dietpi“ lautet. Bei der ersten Anmeldung wird noch ein RSA Fingerprint angelegt, bestätige das mit „yes“.

Deine Startseite soll dann so wie unten aussehen. Eine wichtige Information ist die Temperatur. NanoPi NEO4 läuft stabil bis 70°C, aber natürlich sind niedrigere Temperaturen immer besser. Die hier gezeigten 48°C sind optimal.

Die wichtigsten Kommandos stehen sozusagen kopierbereit bereits zur Verfügung:

dietpi-launcher : All the DietPi programs in one place
dietpi-config : Feature rich configuration tool for your device
dietpi-software : Select optimised software for installation
htop : Resource monitor
cpu : Shows CPU information and stats

Einfach mit der Maus markieren, kopieren und in der Kommandozeile einfügen und auf Enter klicken. Was die Befehle bewirken erkläre ich in den nächsten Absätzen.

DietPi Config in der Übersicht

Hier gibst du den Befehl dietpi-config ein. Du kommst in ein Verzeichnis.

DietPi Config: USB-Verbindung zum DAC herstellen

Wähle in der DietPi Config die Zeile „Audio Options“ aus. Im nächsten Verzeichnis wählst du die erste Zeile „Sound card“ aus. Klicke dann auf Enter.

Hier siehst du den gefundenen DAC, welchen du auswählst und bestätigst. Die Auswahl „USB Adio DAC (any)“ wäre auch ok, wenn es nur einen angeschlossenen DAC gibt.

DietPi Config: CPU konfigurieren

In meinen Experimenten mit Windows und dem kostenlosen Analyse-Tool: LatencyMon konnte ich sehr gut die Auswirkungen von Energiesparoptionen messen. Siehe Welche Windows Einstellungen für Audio wichtig sind. Diese Erfahrungen lassen sich auch auf andere Betriebssysteme übertragen.

Energie zu sparen ist natürlich ein erstrebenswertes Ziel, nur leider manchmal dem Audio Genuss abträglich. Sobald der Scheduler dabei ist, die Taktfrequenzen rauf und runter zu takten, nimmt in der Regel die Latenz zu. Das ist die Zeit, die für die Ein- und Ausgabe von Daten und deren Berechnung benötigt wird. Es ist meist besser die Latenzen so gering wie möglich zu halten. Siehe auch Grundlagen Audio PC Latenzen.

Mit den „Performance Options“ kannst du die Leistungsstufe und die Taktfrequenzen einstellen. Damit die CPU nicht rauf und runter taktet, habe ich im „CPU Governor“ die Einstellung „Performance gewählt“.

Die Taktfrequenz stellst du bei den „CPU Frequency Limits“ ein. Hier wählte ich 1.200 MHz, welches unter den CPU Limits bleibt.

Wenn du volle Leistung möchtest, kannst du auch 1.800 MHz für Max/Min einstellen. Der Scheduler ordnet dann die möglichen Maximalwerte den entsprechenden Leistungs- und Effizienzkernen zu.

DietPi Config: nicht benötigte Hardware abschalten

Hardware, die nicht benötigt wird aber im Hintergrund läuft, neigt dazu durch Interrupts den Betrieb zu stören und fügt ihr eigenes Rauschen hinzu. Deshalb soll soviel wie möglich abgeschaltet werden.

Hier kannst du im Pfad „Advanced Options“ zum Beispiel Bluetooth deaktivieren.

DietPi Config: Netzwerk konfigurieren

WLAN solltest du auch ausstellen. Das geht unter „Network Options: Adapters“. Außerdem wird für HQPlayer NAA das Internet Protocol Version 6 (IPv6) empfohlen. Es ist die neueste Version des Internet-Protokolls, das für die Adressierung und das Routing von Datenpaketen im Internet verwendet wird. 

DietPi Config: Netzwerk Autostart mit Script automatisieren

Unter „AutoStart Options“ kannst du zum Beispiel Scripts einbinden, welche beim booten automatisch Einstellungen tätigen.

Ich habe hier Flow Control (Flusssteuerung) aktiviert. Das ist die Empfehlung für HQPlayer NAA, damit kein Pufferüberlauf erfolgt. Der Code dafür lautet: ethtool -A "DEIN NETZWERKADAPTER" rx on tx on. Ersetze „DEIN NETZWERKADAPTER“ z. B. durch „eth0“ ohne Anführungszeichen. Den Namen liest du mit dem Befehl
ip link aus.

Da jedes System anders reagiert, kannst du im HQPlayer Client mit dem Balken zum Pufferstand kontrollieren, ob die Konfiguration etwas bringt.

DietPi Software: HQPlayer NAA installieren

Nun war schon oft die Rede von HQPlayer NAA. Mit DietPi kannst du vollautomatisch die neueste und vor allem die richtige NAA Version installieren. Es ist später über den gleichen Weg auch ein Update möglich.

Was DietPi wirklich einfach macht, sind die vorbereiteten Installationsroutinen für beliebte Anwendungen. Die findest du unter DietPi Software Options – DietPi.com Docs. Uns interessiert diese Rubrik: Media Systems Software Options – DietPi.com Docs. Und dort ist NAA Daemon – Signalyst Network Audio Adaptor (NAA) zu finden.

Das bedeutet, es ist auch im Software-Tool von DietPi enthalten. Gib in die Kommandozeile einfach den Befehldietpi-software ein. Mit „Browse Software“ kommst du in das Software Verzeichnis.

Anschließend navigierst du mit dem Cursor bis zu „NAA“ und gibst ein Leerzeichen ein. Das markiert den Eintrag. Alternativ kannst du die Software auch direkt über den Code (für NAA z. B. „124“) auswählen, wenn du ihn kennst.

Mit „Install“ wird die neueste Version heruntergeladen und installiert.

DietPi htop: Performance kontrollieren

Die kleine aber feine Anwendung htop ist ein interaktiver Prozessviewer, mit der du unter anderem die CPU-Auslastung kontrollieren kannst. Unten im Bild ist die Einstellung mit durchgängig 1,2 GHz zu sehen. Die einzelnen Cores werden nur sehr gering in Anspruch genommen. Auch der Arbeitsspeicher (Memory) bietet noch hohe Reserven. Die sehr geringe Anzahl von 12 Tasks spricht für sich. Zum Vergleich: das HQPlayer OS hat rund 20 Tasks, was ebenfalls sehr wenig ist. Windows 11 Pro hat locker 160 Tasks.

Wenn du die Cores auf volle Leistung einstellst siehst du, dass die Cores mit den Nummern 0 – 3 auf maximal 1.416 MHz takten. Das sind die vier Effizienz Cores. Die Nummern 4 und 5 sind die beiden Performance Cores bis 1.800 MHz. Diese Einstellung empfehle ich nicht, weil sie tendenziell das Rauschen, die Latenzen und die Temperatur erhöht.

HQPlayer Client: Output Puffer

Im HQPlayer Client wird nun der Füllstand des Output Puffers (oben links, zweiter Balken) angezeigt. Falls jemand Drop Outs hat, kann hier ein niedriger Pufferstand ein Indiz für Probleme sein.

Interessant ist immer wieder bei neuen Alben, ob wirklich HiRes vorliegt. In diesem Fall kein Problem. Eine PCM Datei mit 96kHz/24Bit nutzt die volle Bandbreite der Niquist Grenzfrequenz aus. Im Spektrogramm ist zu sehen, dass einzelne Spitzen bis 48kHz gehen. Aber das ist ein anderes Thema.

Wie klingt es?

Meinem „Unterstützer“ bei der Implementierung des NAA Upgrades hatte ich folgendes mitgeteilt:

Ich hatte dir vorgestern geschrieben, dass ich mich nach dem Einbau nicht von der Musik lösen konnte und es sich „mindestens“ genauso gut anhört wie vorher. Nun bin ich schlauer. Um dich ein wenig auf die Folter zu spannen eine kleiner Vorspann zu meiner Herangehensweise bei der klanglichen Beurteilung. 

Ich weiß wie schnell man sich etwas einbilden kann. So nach dem Motto „die neueste Software muss sich auch besser anhören“. Ich bin als Berater in der IT unterwegs und weiß sehr gut, dass auch genau das Gegenteil eintreten kann. 

Auch kann das vermeintlich Bessere auf einer Sinnestäuschung beruhen. HF sorgt nach meiner Erfahrung für Schärfen im Klangbild, kann aber natürlich auch dazu führen, dass vermeintlich eine höhere Detailgenauigkeit in der Wiedergabe vorhanden ist. Für mich ist daher das Langzeithören wichtig. Denn spätestens da merke ich, wenn mich etwas nervt und das Klangbild zu einem Einheitsbrei wird.

Ein A/B-Vergleich war sowieso nicht möglich, denn ich schraube ja nicht ständig an dem schweren DAC herum. Nun zu meinen Erkenntnissen, wo ich mir relativ sicher bin.

Das Musikecho bei Stopp ist nicht mehr vorhanden

Komisch, dass ich erst heute drauf kam. Bisher war es so, dass bei einem Stopp des aktuellen Titels nach ca. 1 sek. ein Stück Restmusik gespielt wurde. So als ob der Buffer noch nicht vollständig entleert war. Das ist mit der neuen NAA-Version definitiv verschwunden. 

Zunahme der Sound Qualität

Mir ist das Timing wichtig und deshalb wähle ich oft kurze Filter, welche die Transienten betonen. Bei Klassik wär das natürlich witzlos, aber das höre ich selten. Ich höre gern Indie, Blues und Jazz und da merke ich mehr Präzision.

Räumlichkeit finde ich natürlich auch gut. Mit Acourate habe ich eine recht gute Kohärenz gemessen (IACC10 = 90%) und das macht sich natürlich in der Raumabbildung sehr positiv bemerkbar. Mit der neuen NAA Version hat die Instrumentenseparation zugenommen. 

Betriebssystem und NAA

Ich glaube dir gern, dass das proprietäre T+A OS extrem wenig Prozesse zu laufen hat und sehr stabil ist. Die Stabilität kann ich bestätigen. Nun ist DietPi v9.6 (das Update war nach vorübergehender Deaktivierung von IPv6 problemlos) mit seinen 12 Tasks (HQP OS hat 20 Tasks) auch nicht gerade ein Ressourcenfresser. Aber der springende Punkt scheint mir NAA zu sein. Bei mir war noch die NAA-Version 3.5 im Einsatz. Wir wissen beide, dass Entwickler nicht immer alle Änderungen dokumentieren. Es scheint mit der Version 5 einige Optimierungen zu geben, die den Klang verbessern. Möglicherweise durch eine Verbesserung der FiFo Speicherverwaltung, geringere Latenzen und Jitter oder was auch immer. 

Ich denke meine Gedanken treffen es ganz gut und kann ich weiter so unterschreiben.

Zusammenfassung

Wer einen Audio PC mit viel Rechenleistung betreibt, soll sich Gedanken über eine Isolierung von dem „Lärm“ machen. Beim Streaming ist auch ein stabiles Übertragungsprotokoll wichtig. Die Kombination mit einem Einplatinencomputer mit geringem Rauschen und dem HQPlayer NAA für eine stabile Audio-Übertragung ist ein sehr guter Problemlöser zu recht geringen Kosten.

Beim Einplatinencomputer empfehle ich nur die benötigten Komponenten zu nutzen. Hier ist der NanoPi NEO4 mit seinen zahlreichen Schnittstellen sogar überdimensioniert. Wer nicht gerade Programmierer ist, erspart sich mit einem einfach zu installierendem und auf die Hardware maßgeschneidertem Betriebsystem wie DietPi viel Kummer und Zeit.

Vermeide bei den Softwareeinstellungen hohe Latenzen durch Energiesparoptionen. Stell lieber feste Taktfrequenzen ein und schalte nicht benötigte Features ab.

Und halte deine Software aktuell. In meinem Fall war die Klangsteigerung deutlich warnehmbar.

Einleitung

Es hat sich herumgesprochen, dass der fis Audio PC für das DSD Upsampling in höchster Qualität steht. Ich empfehle dafür HQPlayer Embedded – Signalyst. Mich erreichen viele Fragen zur bestmöglichen Konfiguration des HQPlayers, welche ich mit diesem Newsletter beantworten möchte.

In den Grundlagen gehe ich kurz zu den Vorteilen des (externen) Upsamplings ein.

Grundlagen

Upsampling

Wenn du einen DAC mit zum Beispiel einem ESS Sabre oder AKM Chip hast, findet zwangsläufig ein internes Upsampling in den MHz-Bereich statt. Nur so kann der Delta-Sigma-Modulator des Chips den Bitstream erzeugen. So wird auch eine Quelldatei im Format PCM in DSD umgewandelt. Siehe: Audio PC Upsampling.

Filterqualitäten

Bei einer CD (44,1 kHz) darf der hörbare Bereich nur bis maximal 22,05 kHz gehen. Grundlage ist das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem, welches nur die halbe Abtastrate (Nyquist-Frequenz) berücksichtigen soll. Wird das Abtasttheorem durch eine zu niedrige Abtastrate verletzt, so werden Frequenzanteile, die ursprünglich höher waren als die halbe Abtastrate, als niedrigere Frequenzen interpretiert, da für diese eine Unterabtastung stattfindet. Dieser Effekt ist dann leider hörbar. Das unerwünschte Phänomen wird Alias-Effekt genannt. Die sogenannten Spiegelfrequenzen sollen durch Filter ausgesperrt werden, weshalb dieses Filter oft auch Antialiasing-Filter genannt werden.

Es kommt daher auf die Filterqualität an, welche Frequenzen in der Praxis durchgelassen werden (Passband), ab wann die Sperrwirkung (Cutoff) einsetzt und wie lange es dauert (Transitionsbereich), bis der Tiefpassfilter seine volle Wirkung (Stopband) entfaltet. Unabhängige Messungen haben gezeigt, dass die Filter vom HQPlayer sehr gut konstruiert sind.

Wenn die Sperrwirkung sehr tief liegt, spricht man von einer extrem hohen Dämpfung. Das ist eine gute Sache, weil Spiegelfrequenzen effektiv unterdrückt werden. Eine hohe Dämpfung führt zu weniger Lärmartefakten und auch zu einer besseren Rekonstruktionsgenauigkeit.

Ein Upsampling auf höhere Frequenzen bewirkt, dass die Nyquist-Frequenz höher liegt. Das hat Vorteile auf die Filterkonstruktion, die weniger steil ausfallen müssen und dadurch weniger Pre-Ringing und Post-Ringing haben.

Modulatoren

Dein DAC führt in der Regel in einem zweistufigen Verfahren ein Oversampling in den gewünschten MHz-Bereich durch. Das sind oft 5,6448 MHz (44.1kHz x 128 = 5644800 kHz), welches DSD128 entspricht.

Dann übernimmt der Modulator die Arbeit, indem die digitalen Samples mit 0 und 1 in den Eingangsdifferenzkonverter gehen.

Ein entstehender Messfehler wird integriert (im Bild engl. „Integrator“) und über eine Gegenkopplung schrittweise kompensiert. Die Anzahl der Integratoren bzw. die Anzahl der Gegenkopplungsschleifen charakterisieren die Ordnung des ΔΣ-Modulators. Je höher die Ordnung ist, umso stärker wird die Verschiebung des Rauschens, umso höhere Frequenzen können genutzt werden. 

Der Komparator vergleicht, ob sein Eingangssignal größer oder kleiner als ein bestimmter Schwellenwert ist und gibt ein entsprechendes Ein-Bit Signal, den Bitstream aus. Dieser Bitstream wird an einen DDC (Digital-Digital-Converter) solange in eine Gegenkopplungsschleife (negative feedback) abgezweigt, bis die gewünschte Signalqualität erreicht ist. Dieser Zyklus wiederholt sich pro Abtasttakt.

Der fertige Bitstream geht nun an den eigentlichen DAC (Digital-Analog-Converter). Dieser hat die Aufgabe den digitalen Datenstrom in ein analoges Signal zu wandeln. Dabei muss zwingend ein analoger Tiefpassfilter eingesetzt werden.

Vorteile des externen Upsamplings

Da DACs konstruktionsbedingt nie die Rechenleistung eines Audio PCs erreichen können, sind sie oft auch in der Signalverarbeitung auf einfache Standards wie Interpolation und Festkomma-Berechnungen und Modulatoren niedriger Ordnung angewiesen.

Bei Delta-Sigma-DACs erfolgt vor der Wandlung in Analog eine Konvertierung in DSD. Warum also nicht gleich DSD mit einem Audio PC unter Umgehung der DAC-internen Oversamplingstufen durchführen? Selbst bei anderen DAC Architekturen wie R2R Ladder DACs sind Klangsteigerungen durch externes Upsampling möglich.

Im Bild unten wird in der ersten Reihe die Verarbeitung im DAC ohne externes Upsampling gezeigt. In der zweiten Reihe erfolgt das Upsampling durch den HQPlayer und entlastet den DAC in seiner Arbeit.

In der letzten Reihe wird die bestmögliche Kombination dargestellt: Der HQPlayer macht das Upsampling und erzeugt den Bitstream. Der DAC muss nur noch seiner eigentlichen Aufgabe nachkommen: Nämlich die Wandlung von Digital zu Analog.

Weitere Informationen findest du hier: Wie arbeitet ein DAC und was kann Upsampling bewirken?

Signalyst

Produkte

Signalyst wurde von Jussi Laako in Finnland gegründet und ist ein Lösungsanbieter für die hochwertige Audiowiedergabe bei Verbrauchern und für Mess-, Aufnahme- und Wiedergabesysteme für Tonstudios.

HQPlayer Desktop

Unter den Endverbrauchern dürfte der HQPlayer Desktop das bekannteste Produkt sein. Es ist für die Betriebsysteme Windows, macOS und Linux erhältlich. Das Installationspaket enthält unter anderem auch den HQPlayer Client zur Steuerung, während der Desktop den eigentlichen Rechenkern beinhaltet. Enthalten ist auch das Handbuch.

Das Lizenzmodell ist einfach gehalten. Der Kunde kauft die Lizenz und kann diese für einen beliebigen Computer verwenden. Er kann die Lizenz auch auf unterschiedlichen Computern verwenden, aber nicht parallel. Ein Online Abgleich verhindert die missbräuchliche Verwendung. Die Lizenz ist unbefristet für die Version gültig, für die sie erworben wurde. Derzeit ist es die Version 5.0.0 und höher. Bisher war es so, dass erst dann eine neue Lizenz erworben musste, wenn die Versionierung einen höheren Sprung machte. Also zuletzt von Version 4.0.0 auf 5.0.0. In der Regel gibt es einen Rabatt. Man kann aber auch einfach die letzte Version behalten, da sie unbefristet nutzbar ist.

HQPlayer Embedded

Dieses Produkt war ursprünglich für Hardware Hersteller gedacht, die in ihren Audio Produkten ein Upsampling ermöglichen wollten. Das erklärt, warum die Konfiguration maximal Bedienerunfreundlich ist. Denn der Endkunde hatte damit nichts zu tun. Voraussetzung ist das Betriebssystem Linux. Nun erfreut es sich jedoch auch bei den Endverbrauchern zunehmender Beliebtheit und deshalb schreibe ich diesen Leitfaden.

Die Beliebtheit hat seinen Grund. Für HQPlayer Embedded stellt Jussi Laako ein eigenes Betriebssystem kostenlos zur Verfügung: Das HQPlayer OS! Es basiert auf einen Low-Latency Linux Kernel (frühere Versionen hatten einen Echtzeit Kernel) und das Betriebssystem hat nur rund 20 Prozesse am Laufen. Zum Vergleich: Unter Windows 11 Pro kommst du ohne Probleme auf 160 Prozesse und mehr. Windows ist auch kein Echtzeit Betriebssystem und hat mit den Latenzen so seine Probleme. Deshalb schwören viele auf das audiophile abgespeckte HQPlayer OS, welches wir auch für den fis Audio PC mit anbieten. Siehe unsere Support Seite: Anleitung für das Update des HQPlayer OS.

Die Lizenz ist auf den jeweiligen PC beschränkt. Beim Kauf musst du deshalb den vom HQPlayer ermittelten Fingerprint eintragen. Das ist eine Hardwarekennung, die sich ändert, wenn du Komponenten tauscht oder einen anderen PC verwendest. Inoffiziell ist es wohl Standard, dass 1-2 Änderungen pro Jahr von Jussi Laako akzeptiert werden. Bei der Änderung des Fingerprints schreibst du einfach eine E-Mail an Signalyst und erhältst eine neue Lizenz.

Wenn sich bei dir häufiger etwas ändert, kaufst du zusätzlich den angebotenen USB Dongle. Dieser ersetzt dann den Hardwareabdruck des Computers. Die Lizenzen vom HQPlayer Desktop und HQPlayer Embedded sind untereinander nicht austauschbar. Achte deshalb vor dem Kauf, welches Produkt du verwenden möchtest.

HQPlayer Pro

Diese Version ist für die Tonschaffenden gedacht und ermöglicht die Speicherung von Upsampling Files. Die vorgenannten Versionen ermöglichen nur ein Echtzeit-Upsampling. Deshalb wird der HQPlayer Pro auch von manchen Endverbrauchern verwendet, um die eigene Musiksammlung zu veredeln.

HQPlayer Embedded Konfiguration

Kommen wir nun zur Konfiguration des HQPlayers Embedded. Wer HQPlayer Desktop verwendet, findet die gezeigten Einstellungen in etwas bedienerfreundlicheren Masken (hier nicht gezeigt). Das Gute an HQPlayer Embedded ist dagegen, dass kein Bildschirm angeschlossen werden muss. Gib einfach in einen beliebigen Browser http://hqplayer.local:8088/ ein und der HQPlayer wird automatisch gefunden.

Der Standard-Benutzername für die Weboberfläche ist „hqplayer“ und das Standard-Passwort ist „password“. Du kannst dies unter „Authentication“ ändern.

Für die Schnellleser fange ich mit den zwei wichtigsten Seiten an: die Konfiguration für das Upsampling und die Matrix unter anderem für die Convolution (Raumkorrektur).

Configuration Teil I

Diese Seite ist leider etwas unübersichtlich. Im oberen Teil finden sich die Einstellungen für den allgemeinen Betrieb wie Lautstärke und CPU Auslastung und im unteren Teil spezielle Einstellungen für DSD und PCM. Fangen wir mit dem oberen Teil an.

Configuration Teil II

Mit den folgenden Einstellungen legst du fest, wie mit DSD Quellen umgegangen wird und wie ein Upsampling auf PCM oder DSD erfolgen soll. Vergiss nicht alle Einstellungen mit „Apply“ zu bestätigen.

Matrix

Die Matrix ist mittlerweile ein mächtiges Werkzeug geworden. Sie ermöglicht für Mehrkanalsysteme vielfältige Einstellungen wie Convolution (Faltung für die Raumkorrektur), Equalizerfunktionen, die Anlage von Profilen, DAC-Korrekturen, Crossfeed für Kopfhörer, Loudness, RIAA Entzerrung für Plattenspieler und einiges mehr.

Bitte beachte, dass du Convolution nicht aktiviert hast (siehe Reiter links vor der Matrix). Sonst kommt es zu einer doppelten Verarbeitung. Du kannst dasselbe und noch mehr in der Matrix tun. Und du kannst für unterschiedliche Zwecke mehrere Profile für die Raumkorrektur anlegen. Ich verwende daher für die Convolution für mein 2-Kanalsystem nur noch die Matrix.

Siehe: Wie erstelle ich einen Faltungsfilter für die Raumkorrektur?

Interessant ist auch die Plotfunktion.

Main (Startseite)

Dies ist die erste Seite, welche mit Eingabe von http://hqplayer.local:8088/ angezeigt wird.

Wenn du weiter runterscrollst, kannst du den Player im Web Browser bedienen. Wobei es sich um einen Notbehelf handelt. Verwende stattdessen lieber zum Beispiel den HQPlayer Client oder Roon.

Input

Über den Reiter „Input“ kannst du Playlisten laden, Internetradio hören oder eine CD abspielen.

Oben im Beispiel spielte ich Internetradio ab. Im HQPlayer Client wurde eine Bitrate von 128 kbps angezeigt, also noch nicht mal 1/10 einer CD (1.411,2 kbps). Immerhin wird ein Frequenzspektrum von knapp 17 kHz erreicht. Mit dem Upsampling auf DSD512 hörte sich das richtig gut an.

Network/Mounts

Für den fis Audio PC empfehlen wir eine duale PC Konfiguration. So sollen sich die Musikfiles idealerweise auf einem zweiten PC oder auf einem NAS befinden. Siehe: Audio PC & Control PC.

Um eigene Musikfiles einzubinden, welche im Netzwerk (z. B. auf einem NAS) zur Verfügung stehen, musst du den Netzwerkpfad unter NetworkMounts hinterlegen. Am Beispiel eines freigegebenen Windows Ordners könnte die Freigabe wie folgt aussehen:

Share: \\DEINSERVERNAME\ggf. Unterordner
Username: DEIN NAS NAME
Password: DEIN PASSWORD
eventuell Aktivierung SMB/CIFS v1

Library

Um deine Musikbibliothek im HQPlayer zu finden, muss du die enstprechenden Laufwerke einlesen.

Unter Path wählst du „/smb“ aus und klickst auf Scan. Voraussetzung ist das vorherige Mounten des Laufwerks, wie oben beschrieben. Für Musikfiles, die sich intern auf dem Audio PC befinden, kannst du alternativ „/storage“ ausprobieren. Nicht gleich ungeduldig werden, denn je nach Größe kann es dauern bis alles eingelesen wurde. Wenn alles funktioniert hat, kannst du die Musik abspielen. Das kannst du sogar im Browser bedienen. Klick einfach nebem dem Album auf die Play-Taste.

Ich will nicht verschweigen, dass mich die Scan Funktion schon einige Nerven gekostet hat. Sehr viel einfacher ist es dafür Roon zu nutzen. Siehe: Komfortable Bedienung und bester Klang – geht das?

Backup und Restore

Wenn alles eingerichtet ist, empfehle ich dringend die Backup Funktion zu nutzen. Diese speichert sogar Faltungsfiles und die Lizenzdaten mit ab. Wenn du eine neue HQPlayer Version installierst, dann kannst du mit Restore den ursprünglichen Zustand wiederherstellen.

About

Hier kannst du den Fingerprint (Hardwarekennung) auslesen, welche du für den Kauf der Lizenz benötigst. Anschließend bekommst du die Lizenz in .html Form zugesandt, welche du zur Aktivierung hochladen musst.

Unabhängig davon steht dir die unlizenzierte Version in vollem Funktionsumfang für den Test zur Verfügung. Du musst nur alle 30 Minuten den HQPlayer neu starten.

Log, Shutdown, Reboot und Suspend

Mit Klick auf den Reiter (1) Log kannst du die Log-Datei auslesen (sofern unter „Configuration“ aktiviert). Unten im Bild wird im Log zum Beispiel die IP-Adresse des T+A DACs angezeigt.

Oder du kannst den Rechner (2) runterfahren oder den HQPlayer (3) neu booten oder in den (4) Ruhezustand versetzen.

Zusammenfassung

In den Grundlagen haben wir die Vorteile des externen Upsamplings erörtert. Dabei wird der Klang durch die Filterqualitäten und Modulatoren bestimmt.

Signalyst bietet verschiedene Produkte für das hochwertige Upsampling an:

• HQPlayer Desktop,
• HQPlayer Embedded und
• HQPlayer Pro

Dabei erfreut sich der HQPlayer Embedded auch bei den Endkunden zunehmender Beliebtheit, weil das kostenlose HQPlayer OS extrem schlank ist und mit niedrigsten Latenzen läuft.

Die Einstellungen sind leider recht umfangreich. Beim Kauf des fis Audio PCs machen wir das natürlich für dich. Aber auch dann können eigene Experimente den Klang steigern, wenn du weißt wo du die Einstellungen findest und was sie bewirken.

Die Matrix finde ich besonders interessant, weil über die Profile im Handumdrehen zum Beispiel andere Faltungsfilter für die Raum- und Lautsprecherkorrektur geladen werden können. Auch die neue DAC Korrektur sorgt bei vielen schon für Begeisterung.

Einleitung

Das war ein Aufreger: Intel hat die Hersteller von Motherboards mehr oder weniger dazu gezwungen BIOS Updates wegen instabiler K-CPUs zu veröffentlichen.

Ich kann gleich Entwarnung geben: die fis Audio PCs sind davon nicht betroffen, weil wir das BIOS immer mit Strom- und Wärmebegrenzung einrichten. Doch worum geht es? Sehen wir uns zuerst die Grundlagen an und erörtern dann das Problem.

Grundlagen

Strommanagement im BIOS, bzw. UEFI

BIOS & UEFI

BIOS (Basic Input/Output System) und UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) sind beides Firmware-Typen, die beim Starten eines Computers grundlegende Hardware-Initialisierungen durchführen und das Betriebssystem laden. So sind zum Beispiel zahlreiche Einstellungen möglich, die direkt oder indirekt Einfluss auf die Stromversorgung haben.

BIOS ist ein älteres System, das ursprünglich in den späten 1970er Jahren entwickelt wurde. BIOS hat eine textbasierte, nicht-grafische Benutzeroberfläche und ist daher nicht sehr benutzerfreundlich, dafür aber schnell.

UEFI ist moderner und wurde in den frühen 2000er Jahren als Nachfolger von BIOS entwickelt. UEFI kann grafische Benutzeroberflächen und Mausunterstützung bieten. Es ermöglicht eine benutzerfreundlichere und intuitivere Bedienung, ist aber auf billigen Motherboards mitunter sehr träge.

Die im fis Audio PC verwendeten Motherboards sind sehr hochwertig und verwenden alle UEFI. Ich erlaube mir trotzdem das Bezeichnung BIOS als Synonym für UEFI zu verwenden, weil es umgangssprachlich verbreiterter ist.

PL1 (Power Limit 1) und PL2 (Power Limit 2)

PL1 und PL2 sind Leistungsbegrenzungsparameter (Power Limits), die in der Architektur von Intel-Prozessoren verwendet werden, um die Leistung und den Energieverbrauch der CPUs zu steuern. Dabei passt der Prozessor seine Taktraten und Spannungen an, um sicherzustellen, dass der durchschnittliche Energieverbrauch den PL1/PL2-Wert nicht überschreitet.

PL1 ist die langfristige Leistungsgrenze, die den durchschnittlichen Energieverbrauch eines Prozessors über einen längeren Zeitraum definiert.

PL2 ist die kurzfristige Leistungsgrenze, die den maximalen Energieverbrauch eines Prozessors über kürzere Zeiträume definiert. PL2 erlaubt dem Prozessor, für kurze Zeiträume über den PL1-Wert hinauszugehen, um höhere Leistungsspitzen zu bewältigen, was zu einer temporären Leistungssteigerung führt.

PL1 und PL2 Spezifikationen (Veränderungen)

Normalerweise soll PL1 als langfristige Einstellung einen niedrigeren Wert haben als PL2. Das war aber lange Zeit nicht so. Intel spezifizierte die PL1 und PL2-Werte bei einem Intel® Core™ i9-13900K Prozessor mit 253W gleich.

Das wurde zurückgenommen. Aktuell ist in den Intel-Profilen „Baseline“ und „Performance“ der PL1 Wert niedriger als der PL2 Wert:

Vorteile von Intel K-CPUs

Intel-CPUs mit dem Zusatz „K“ haben spezifische Eigenschaften, die sie von anderen Intel-CPUs unterscheiden. Ausfolgenden Gründen verwenden wir für den fis Audio PC einen Intel® Core™ i9-13900K Prozessor:

Taktfrequenz einstellbar

Der größte Unterschied ist, dass CPUs mit einem „K“-Suffix einen freigeschalteten Multiplikator haben. Das bedeutet, dass sie für das Übertakten ausgelegt sind. Übertakten ist der Prozess, bei dem die Taktfrequenz des Prozessors erhöht wird, um eine höhere Leistung zu erzielen. Umgekehrt geht es aber auch, so dass die Taktfrequenz herabgesetzt werden kann.

Verlötet statt Wärmepaste

Ein weiterer Unterschied liegt im Verlöten des Heatspreaders (IHS, Integrated Heat Spreader) mit dem Prozessor-Die. Dies sorgt für eine effizientere Wärmeableitung im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeleitmaterialien wie Thermalpaste. Die bessere Wärmeübertragung hilft, die CPU stabiler zu halten, insbesondere bei hoher Belastung oder Übertaktung.

Problemstellung

Instabile Intel K-CPUs

Berichte von Nutzern

Aus der Gaming-Szene gab es andauernde Berichte über Stabilitätsprobleme mit K-CPUs der 13. und 14. Gen Core. Das perfide an der Sache war, dass sich dieses Verhalten erst mit steigender Nutzungsdauer einstellte. Die Folge waren Computer-Abstürze und eine schnellere Alterung der CPUs. Siehe unter anderem BSOD mit Intel Core: Berichte um rasant „alternde“ K-CPUs reißen nicht ab – ComputerBase.

Probleme beim Übertakten

Mittlerweile gibt es ein Statement von Intel:

Intel® hat festgestellt, dass dieses Problem möglicherweise mit Betriebsbedingungen zusammenhängt, die außerhalb der Spezifikation liegen und zu anhaltend hohen Spannungen und Frequenzen während Zeiten erhöhter Hitze führen.
Die Analyse der betroffenen Prozessoren zeigt, dass es bei einigen Teilen zu Verschiebungen der Mindestbetriebsspannungen kommt, die möglicherweise mit dem Betrieb außerhalb der von Intel® spezifizierten Betriebsbedingungen zusammenhängen.

Obwohl die Grundursache noch nicht identifiziert werden konnte, hat Intel® festgestellt, dass die Mehrzahl der Berichte über dieses Problem von Anwendern mit entsperrten/übertaktungsfähigen Motherboards stammen.

Tatsächlich gibt es bei den Motherboards irrwitzige Einstellungen. Zum Beispiel wurde bei msi automatisch das Profil „Water Cooler“ mit einer PL1 von 4.096W gesetzt, wenn der CPU Multiplikator erhöht wurde.

Intel verlangt nun von PC- und Motherboard-Herstellern, dass sie Anwendern in Zukunft ein „Default BIOS“ zur Verfügung stellen, das den Betrieb nach Intels Vorgaben ermöglicht. Quelle: Instabile K-CPUs: Intel sieht die Schuld allein bei den Mainboard-Herstellern – ComputerBase

Keine Probleme beim fis Audio PC

Ja auch der fis Audio PC wird übertaktet. Aber in einer intelligenten und gemäßigten Form. Der erste Schritt ist, den Multiplikator der P-Cores (P-Core-Ratio) je nach Einsatzzweck und Netzteil auf 40 bis maximal 44 einzustellen. Das entspricht einer Taktfrequenz von 4 GHz oder 4.4 GHz. Gleichzeitig stellt es die Obergrenze dar. Zum Vergleich: der Intel® Core™ i9-13900K Prozessor ermöglich eine Übertaktung bis 5,8 GHz. Manche gehen noch darüber hinaus.

Wer P-Core-Ratio stattdessen in der Standard-Einstellung „Auto“ belässt, erlebt beim ersten Programmstart sein blaues Wunder. Bei einem linearen Netzteil wird bei einer Taktfrequenz von > 5GHz in der Regel die Abschaltung ausgelöst.

Ich wurde schon oft gefragt, warum im fis Audio PC nicht eine leistungsschwächere CPU verbaut wird. Auch um das elektrische Rauschen zu vermindern. Nach meiner Erfahrung ist genau das Gegenteil der Fall. Eine leistungsstarke CPU arbeitet ruhiger und mit weniger Rauschen als eine schwache CPU, die immer bis zum Anschlag hochgefahren wird. Hinzu kommt noch die Silikon Lotterie, weshalb im fis Audio PC immer die Flaggschiff CPUs verbaut werden. Bei Interesse zum Nachlesen: Was gibt es Neues auf dem CPU Markt?

Nun kommt das Entscheidende: Die maximale Stromzufuhr muss begrenzt werden! Dabei stellen wir das Long Duration Power Limit, welches Intels PL1 entspricht, auf maximal 95W ein (je nach Einsatzzweck). Und das Short Duration Power Limit, welches Intels PL2 entspricht, auf maximal 125W. Damit lagen diese Werte für alle fis Audio PCs schon immer weit unterhalb der Intel Spezifikationen.

Zusätzlich wird die CPU Temperatur auf 95°C begrenzt. So hat man noch Reserven, bevor der Intel Core bei 100°C selbst anfängt die Leistung zu drosseln.

Alle unsere fis Audio PC Kunden erhalten ein Protokoll mit den Einstellungen und den durchlaufenen Tests für den stabilen und klangstarken Betrieb. Ein BIOS Update ist nicht erforderlich! Denn es gilt: „Never change a running system“!

Zusammenfassung

Dem Strommanagement im BIOS, bzw. UEFI kommt eine große Bedeutung zu. Die Motherboard Hersteller haben es mit ihren standardmäßig aktivierten PL1 und PL2 Limits übertrieben. Andererseits ist es kaum vorstellbar, dass Intel von dieser weit verbreiteten Praxis bisher nichts wusste.

Die Intel K-CPUs haben die Vorteile, dass die Taktfrequenz einstellbar und der IHS verlötet ist. Intel hat nun selbst die PL1 und PL2 Spezifikationen wieder in das Sinnvolle verändert. Nämlich die PL1 für den dauerhaften Betrieb mit niedrigeren Werten, als PL2. PL2 war schon immer nur für kurzfristige Leistungsspitzen gedacht.

Durch die hohen PL1- und PL2-Werte kam es zu instabilen Zuständen. Keine Probleme gibt es beim fis Audio PC, weil hier schon immer Strom- und Wärmebegrenzungen im BIOS eingestellt wurden. Das ermöglicht dir den störungsfreien und klangstarken Musikgenuss.

Einleitung

In audiophilen Kreisen hat sich herumgesprochen, dass die Stromversorgung für einen guten Klang elementar ist. Weniger bekannt ist, dass dies sogar für die digitale Ebene gilt.

In den Grundlagen schauen wir uns an, wie digitale Daten verarbeitet und übertragen werden und welche klangliche Auswirkungen Ripple Noise haben kann. Die Strom-Architektur von Motherboards spielt bei einem Audio PC eine große Rolle und deshalb schauen wir uns unterschiedliche Designs genauer an.

Grundlagen

Digitale Datenverarbeitung und Übertragung

Im Chip befinden sich die Transistoren, welche Binärcodes verarbeiten. Das sind zwei gegensätzliche Zustände, welchen in einer 0 und 1 dargestellt werden können.  Jeder dieser Transistoren wird dabei als eine Art elektronischer Schalter eingesetzt, um einen Teilstrom ein- oder auszuschalten.

Die Binärcodes müssen über die Leiterbahnen der Platine, auf dem der Chip sitzt, transportiert werden. Und von der Platine gehen die Daten über Schnittstellen rein oder raus. Zum Beispiel per USB oder Ethernet zu deinem DAC.

Bei Ethernet hast du vielleicht schon Bilder mit dem sogenannten Eye pattern oder Augenmusterdiagramm gesehen. Diese Messungen lassen Rückschlüsse auf die Qualität des Signals zu. Dabei wird mit einem Oszilloskop die Überlagerung aufeinanderfolgender Wellenformen zu einem zusammengesetzten Bild erstellt. Im Bild unten wird auf der Ordinate (y-Achse vertikal) der Spannungszustand definiert, ab der eine binäre 0 oder 1 anliegt. Auf der Abszisse (x-Achse horizontal) ist der Zeitverlauf angegeben. Über die Spannungszustände und dem Zeitverlauf ergibt sich so zum Beispiel eine Bitsequenz von 011 (Gelb).

Wenn sich über die verschiedenen Bitsequenzen auf dem Oszilloskop in der Mitte ein großes Auge erkennen lässt, ist die Signalqualität in Ordnung. Störungen in den Spannungsverläufen, zum Beispiel Verschiebungen durch Jitter oder eine zu geringe Steilheit in den Flanken können zu Fehlinterpretationen der Bitsequenzen führen. Durch die Prüfsummen wird das fehlerhafte Datenpaket zwar erkannt, aber wenn das zu oft passiert, stresst das die CPU und es gehen Datenpakete verloren.

Wir halten fest, dass die binären Daten in einer analogen Technik übertragen werden. Saubere Spannungszustände im Stromfluss sind entscheidend für die binäre 0 oder 1.

Ripple Noise (Welligkeitsrauschen)

Die Welligkeiten sind AC-Schwankungen (Wechselstrom periodisch) und das Rauschen (zufällig), die in den DC-Schienen (Gleichstrom) eines Netzteils zu finden sind. Die Welligkeit verringert die Lebensdauer von Kondensatoren erheblich, da sie ihre Temperatur erhöht. Auch spielt die Welligkeit eine wichtige Rolle bei der Stabilität des Gesamtsystems, insbesondere wenn die CPU übertaktet wird.

Am schlimmsten sind die hörbaren Auswirkungen der Welligkeit, weil die Brummfrequenz und ihre Harmonischen innerhalb des Audiobandes liegen! Die Welligkeitsgrenzen betragen laut ATX-Spezifikation 120 mV für die 12V-Schienen und 50 mV für den Rest (5V und 3,3V). Zuviel für die Audio Wiedergabe. Das lineare Netzteil OPTIMO S ATX – JCAT hat stattdessen ein Ripple Noise von weniger als 0,025 mV.

Mögliche klangliche Auswirkungen

In der Theorie kommen alle Daten bitperfekt an, weil es Prüfsummen gibt und bei Fehlern die Datenpakete neu angefordert werden. Außerdem sorgen Puffer in den Schnittstellen für eine asynchrone Datenübertragung. Daher behaupten viele, dass Digital gegen Klangveränderungen immun ist.

In der Praxis können Störungen in der Stromversorgung jedoch für hohen Jitter sorgen und die Wellen driften auseinander. Oder die notwendige Flankensteilheit ist nicht mehr gegeben. Kann der Controller die Spannungszustände nicht mehr zuverlässig zwischen einer 0 und einer 1 unterscheiden, erkennen Prüfsummenprotokolle den Fehler. Reicht bei Fehlern die Zeit für eine Neuanforderung der Daten jedoch nicht mehr aus, sind hörbare Kratzer wie von einer Schallplatte, sowie Drop Outs die Folge, weil Datenpakete verloren gegangen sind.

Ein weiterer Punkt ist das elektrische Rauschen (thermisches Rauschen), welches zunimmt, wenn die CPU gestresst wird. Es können zusätzlich Interrupts entstehen, welche andere Prozesse stoppen. Dies führt zu hohen Latenzen, die sich auf eine Musikwiedergabe sehr störend auswirken können.

Ein oft nicht bedachter Nebeneffekt ist die Weitergabe des Ripple Noise über die Masseleitung an angeschlossene Geräte. Das kann über die (ungefilterte) Stromversorgung geschehen, aber auch über kupfergebundene Datenkabel wie LAN, USB, S/P-DIF, etc. Wenn das Welligkeitsrauschen in den DAC oder/und in den Verstärker gelangt, bewegen wir uns im hörbaren analogen Bereich.

Motherboard

Stromphasendesign

Die CPU benötigt mit Abstand den meisten Strom, GPUs (Grafikkarten) ausgenommen. Deshalb kommt es gerade hier auf das Stromdesign an.

Phasen-Doppler-Design

Die Strom Architektur wird beim Gaming Mainboard ROG Maximus XIII Extreme | ASUS sehr gut erklärt. Die PWM-Controller steuern den Stromkreis, während die Leistungsstufen aus elektrischer und thermischer Sicht die Schwerstarbeit übernehmen. Im ROG Maximus XII Extreme kommen 20 Leistungsstufen mit 100A zum Einsatz. Festkörperpolymerkondensatoren fungieren als Ein- und Ausgangsfilter.

Im Bild unten ist die Arbeitsweise von Phasen-Dopplern zu sehen. Grundsätzlich werden je zwei Leistungsstufen zusammengeschaltet, welches einen höheren Spitzenstrom pro Phase ermöglicht. Der Nachteil ist, dass Phasen-Doppler eine Ausbreitungsverzögerung (hohe Latenzen) bewirken, die das transiente Verhalten behindern.

Im konventionellen Phasen-Doppler-Design werden die Leistungsstufen sequentiell, also nacheinander geschaltet. ASUS macht es besser, indem die Leistungsstufen parallelgeschaltet werden.

Direktes Phasen-Design

Das MSI MEG Z690 UNIFY-X Gaming Motherboard ATX geht hier einen anderen Weg. Dabei werden die insgesamt 19+2 digitalen Leistungsphasen mit je 105A direkt vom PWM-Controller angesteuert. Dadurch werden grundsätzlich geringere Latenzen erreicht.

Disclaimer: Ob das in der Realität wirklich so ist, hängt natürlich auch von anderen Kriterien ab. Mir sind bei den hier genannten Motherboards keine Messungen bekannt, welche die grundsätzlichen Erwägungen bestätigen. Insofern gibt es keine Kaufempfehlungen von mir!

Leiterbahnen und Kontakte

Wo Strom fließt, sollen die Wege möglichst kurz sein, was für ein mehrlagiges Platinen Layout spricht. Außerdem sollen die Leiterbahnen nicht zu knapp dimensioniert sein, um den Stromdurchfluss nicht zu bremsen.

Die Kontakte sollen von einer soliden Qualität sein, um Wackelkontakte und Kurzschlüsse zu vermeiden.

Im bereits erwähnten MSI MEG Z690 UNIFY-X Gaming Motherboard ATX werden diese Bedingungen sehr gut erfüllt. Die Leiterplatte besteht aus 8 Schichten PCB auf Serverniveau. Die Leitbahnen sind aus 2oz Kupfer. Zwei PCI-Sockets werden mit Stahl für einen besseren Halt verstärkt. Die Molex Steckkontakte sind sehr stabil und bieten Steckern einen sehr guten Halt. Die SMT-Technik wurde verbessert, um schadhafte Lötstellen zu vermeiden.

Aus diesen Gründen haben wir uns für hochwertige MSI-Motherboards und aufgrund deutlich reduziertem Ripple Noise für lineare Netzteile entschieden.

Zusammenfassung

Die digitale Datenübertragung findet analog im Stromfluss über verschiedene Spannungszustände statt. Deshalb ist ein geringer Ripple Noise (Welligkeitsrauschen) auf dem Motherboard so wichtig, damit die digitalen Daten zuverlässig zwischen 0 und 1 unterschieden werden können.

Klangliche Einbußen entstehen bei verlorenen Datenpaketen, Jitter, thermischen Rauschen und Interrupts. Ein Nebeneffekt ist, dass Ripple Noise in den analogen Bereich der angeschlossenen Geräte wandern kann.

Moderne Motherboards sollen über ein effizientes Stromphasendesign verfügen. Für geringe Latenzen eignet sich ein direktes Phasen-Design grundsätzlich besser als ein Phasen-Doppler-Design. Ein mehrlagiges Platinenlayout mit stromfesten Leiterbahnen und stabilen Kontakten ermöglicht einen störungsfreien Stromdurchfluss.

Achte beim Kauf eines Motherboards auf die oben genannten Kriterien.

Einleitung

Roons wichtigstes Update in der Architektur ist schon etwas länger her. Es erlaubt Einblicke, wie die Leistungsfähigkeit von Musikplayern verbessert werden kann.

Auch beim HQPlayer hat sich in der Architektur eine bedeutsame Änderung ergeben. Nämlich in der Kernzuordnung beim Upsampling.

Für ein besseres Verständnis gehe ich vorher in den Grundlagen auf die grundsätzliche Verarbeitung in Computern und auf die Leistungsanforderungen bei Filtern und Modulatoren ein.

Grundlagen

Computer Processing

Interrupts und andere Probleme

Ein Computer ist ständig damit beschäftigt, Daten zu lesen, zu berechnen und zu schreiben.

Bei der Wiedergabe von Musik müssen die Musikdateien von einer SSD gelesen oder vom Netzwerk gestreamt werden. Die Musik muss verwaltet werden, z.B. sortiert nach Musikgenre, Interpret und ggf. mit Informationen über die Musiker. Es muss auch möglich sein, die Musik zu steuern, einschließlich des Auswählens, Abspielens, Stoppens und ggf. Einstellens der Lautstärke.

Dies führt unweigerlich zu häufigen Unterbrechungen, die dem Audiobetrieb sehr abträglich sind. Dabei kann es sich um störende Latenzen handeln. Ein Interrupt tritt bei einem externen Ereignis auf, dass die normale Ausführung eines Programms unterbricht. Dieses Ereignis kann z.B. das Drücken einer Taste auf der Tastatur, das Eintreffen einer Netzwerknachricht oder der Ablauf eines Timers sein.

Sobald ein Interrupt ausgelöst wird, stoppt der Prozessor seine aktuelle Aufgabe und springt zu einem speziellen Interrupt-Handler, der das Ereignis behandelt. Der Task-Scheduler ordnet dann den Prozessen die CPU-Kerne neu zu und priorisiert die Aufgaben.

Leider neigen Betriebssysteme dazu, alle möglichen Interrupts zuzulassen. Die Musikwiedergabe kann beeinträchtigt werden, weil z.B. die internetfähige Waschmaschine meldet, dass die Wäsche fertig ist. Schuld daran ist Broadcast. In einem Computernetzwerk handelt es sich dabei um eine Nachricht, bei der Datenpakete von einem Punkt an alle Teilnehmer eines Kommunikationsnetzes übertragen werden.

Deshalb ist es allgemein besser, die Musikwiedergabe auf zwei Computer aufzutrennen. Ein Computer, nennen wir ihn Control PC, speichert und streamt die Musik und verwaltet und steuert sie. Das kann auch ein leistungsfähiges NAS (Network Attached Storage) sein, welches im Keller steht. Wichtig ist an dieser Stelle nach meiner Erfahrung eine galvanische Trennung z. B. mit Glasfaser und ein Reclocking mit einer hochwertigen OCXO-Clock.

Der andere Computer, nennen wir ihn Audio PC, hat nur eine Aufgabe: die Musikdateien bestmöglich für den DAC aufzubereiten und die Daten an ihn störungsfrei zu senden. Deshalb soll der Audio PC nur Prozesse ausführen, die im direkten Zusammenhang mit der Musikwiedergabe stehen. Hier soll möglichst ein sehr schlankes Betriebssystem mit geringsten Latenzen eingesetzt werden. So wie wir es mit dem HQPlayer OS anbieten.

Upsampling

Die Grundidee des Upsamplings außerhalb des DACs ist, dass Computer eine viel geeignetere Umgebung (Auflösung, Befehlssatz-Effizienz, Verarbeitungsgeschwindigkeit) für mathematische Operationen bieten als die begrenzte Rechenkapazität eines DAC.

Die meisten DACs haben einen Delta-Sigma-Chip wie ESS SABRE oder AKM, welche sowieso jedes eingehende Signal in DSD umrechnen. Unten im Bild wird im ersten Prozesspfad gezeigt, wie im DAC eine Musikdatei im Format PCM mit zwei Oversamplingstufen in den Megahertzbereich gebracht wird. Aus 44,1 kHz werden im Beispiel 11.289,6 kHz, bzw. 11,2896 MHz. Das entspricht DSD256! Einfache Anti-Aliasing-Filter vermeiden dabei die Spiegelfrequenzen, welche den hörbaren Bereich demodulieren können.

Das nun vorliegende Musikmaterial in Megahertz wird durch einen einfach gehaltenen Modulator in den sogenannten Bitstream überführt, welcher letztendlich in ein analoges Signal gewandelt wird.

Wird das Hochrechnen in den Megahertzbereich von einem leistungsfähigen Computer und einer Software wie z. B. den HQPlayer übernommen, können Gleitkommaberechnungen statt Festkomma und viel bessere Filter verwendet werden (oben im Bild mittlerer Prozesspfad).

Im unteren Prozesspfad ist der Königsweg zu sehen: der einfache DAC Modulator (oft 3. Ordnung) wird durch einen leistungsfähigen Modulator 7. Ordnung ersetzt. Der DAC macht dann tatsächlich nur noch die Umwandlung von Digital (Bitstream) in Analog. Diese deutliche Arbeitsentlastung führt auch zu weniger elektronischem Rauschen im DAC.

Zur Vertiefung des Themas empfehle ich diesen Newsletter: Wie arbeitet ein DAC und was kann Upsampling bewirken?

Architekturänderungen

Roon Update

Im November 2023 wurde die neue Softwarearchitektur veröffentlicht:

Diese neue Architektur spiegelt unsere empfohlene Roon-Konfiguration wider – Roon Server und Roon separat laufen zu lassen In Zukunft werden wir Roon Server nicht mehr als eigenständigen Installer für Windows und Mac anbieten. Auf diesen Plattformen wird es einen einzigen Roon-Installer geben, der die Roon-Anwendung (zum Auswählen von Musik und Konfigurieren von Roon) und Roon Server für Benutzer enthält, die ihren Core unter Windows oder macOS ausführen.

Roon 2.0.25 is live! – Roon Software Discussion / Software Release Notes – Roon Labs Community

Einordnung des Updates

Eigentlich ist es ein Zusammenschluss des ursprünglichen Roon Desktops mit dem Roon Server. Beide enthielten den sogenannten Roon Core, also den Rechenknecht. Nur das der Roon Server Headless war und einer Fernsteuerung mit der App Roon Control bedurfte. Der Roon Server in Verbindung mit Roon Control war auch die von Roon empfohlene Konfiguration, um die Hintergrundaktivitäten von der Steuerung zu trennen.

Etwas lästig und verwirrend sind die Namensänderungen der unterschiedlichen Bestandteile. Eingeführt wurde Roon nämlich mit den Komponenten:

• Roon Core: Der Media Server mit DSP.
• Roon Control App: Das User Interface zur Steuerung.
• Roon Output: Der Media Renderer, der die Audiodateien (z. B. FLAC) vom Core empfängt und mit einem geeigneten digitalen Datenstrom (z. B. WAV) an den DAC weiterleitet.

Der Roon Core heißt heute Roon Server, das DSP heißt MUSE. Roon Control App heißt Roon Remote App und Roon Output heißt Audio Devices. Da gefielen mir die alten Bezeichnungen besser.

Es gibt User, die auch am PC Roon bedienen wollen und deshalb Roon Desktop installierten. Der Nachteil: wurde Roon Desktop beendet, war auch mit dem Roon Core Ende Gelände. Das kann mit „einer“ Installationsroutine, welche automatisch „zwei“ Applikationen installiert, nicht mehr passieren.

Der Roon Server wird (auf Wunsch) mit dem Hochfahren des PCs automatisch gestartet und steht sofort für Apps auf dem Smartphone oder Tablet zur Verfügung. Wer auf dem PC Roon steuern möchte, ruft manuell die zweite Applikation mit „Open Roon“ auf. Im Bild unten ist der neue Ordner „Roon“ zu sehen. Es sind 710 MB hinzugekommen.

Probleme bei Taiko Audio

Taiko Audio – High End Music Servers hatte dabei ein hausgemachtes Problem mit dem Roon Update. Hausgemacht deshalb, weil sie den Roon Start mit einem eigenen Dienst „TaikoRoon“ ausführten und hier passten die Variablen nicht mehr zur neuen Version.

Interessanter ist, dass die Taiko Extreme Hörer mit Roon eine Klangverschlechterung feststellten. Die Ursache lag vermutlich an der übermäßigen Menge an Trace- und Debug-Logging-Einträgen, welche Festplattenaktivitäten auslösen. Taiko Audio geht davon aus, dass diese zusätzliche Debug-Protokollierung und -Ablaufverfolgung von den Roon-Entwicklern aktiviert wurde, um Probleme diagnostizieren zu können. Taiko Audio hat sich entschieden einen eigenen Player zu entwickeln, der allerdings nur für eigene Musik Server angeboten wird: XDMS NSM User Feedback – Taiko Audio.

HQPlayer Update

Dieses Update beinhaltete eine wesentliche Neuerung in der Auslastung von CPU Kernen:

Einordnung des Updates

Wir verwenden für den fis Audio PC die Flaggship-CPU Intel® Core™ i9-13900K Prozessor. Das ist eine Hybrid CPU mit P-Cores (Performance) und E-Cores (Efficient).

Neben den Performance-Kernen (P-Cores) kommen Effiziente Prozessorkerne (E-Cores) zum Einsatz. Die 24 Kerne verteilen sich auf 8 P-Cores und 16 E-Cores. Mit Hyperthreading der P-Cores, also der Verteilung der Last auf zwei virtuelle Cores, sind insgesamt 32 Threads möglich.

Vor dem Update war es so, dass der HQPlayer die E-Cores nicht nutzte. Deshalb schalteten wir die E-Cores bis auf zwei Kerne ab. Nun können mehr E-Cores für die Filterberechnung herangezogenwerden. Die Anzahl der E-Cores hängt von der Stromversorgung ab. Das ist eine deutliche Verbesserung der CPU-Auslastung.

HQPlayer mit Filter poly-sinc- gauss-halfband

Unten im Bild wird ein 96kHz Titel zu DSD512x48 hochgerechnet. Der Filter poly-sinc- gauss-halfband hat folgende Eigenschaften:

Per Definition leiten Halbbandfilter die Originaldaten unverändert durch und fügen nur dazwischen neue Samples hinzu. Dies bedeutet auch, dass es keine Fehler in den Quelldaten beheben kann und somit auch alle Fehler originalgetreu reproduziert. Deshalb ist es für 95% der RedBook-Inhalte (44,1kHz/16Bit) nicht geeignet!

Die P-Cores für die Modulatoren (Nr. 1 und 3) müssen die größte Last stemmen. Die Rechenlast der E-Cores (Nr. 17 bis 32) für die Filter ist sehr gering und verteilt sich sehr gleichmäßig auf alle Kerne.

HQPlayer mit Filter sinc-MG

Der Filter sinc-MG hat folgende Eigenschaften:

Hier werden aufgrund der 1 Million Taps pro Kanal (Stereo) zwei E-Cores deutlich höher belastet als die anderen.

HQPlayer mit Filter poly-sinc- gauss-xl

Der Filter poly-sinc- gauss-xl ist sehr anspruchsvoll:

Hier werden die E-Cores ordentlich in die Mangel genommen. Die Lastverteilung ist dafür sehr gleichmäßig.

Zu den Filtern findest du hier weitere Informationen: Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften.

Zusammenfassung

Im Computer Processing sorgen Interrupts für Unterbrechungen in der Verarbeitung und führen eventuell zu hohen Latenzen. Der Klang verschlechtert sich. Deshalb ist es eine gute Idee die Aufgaben in einen Control PC (z. B. Roon) und einen Audio PC (z. B. HQPlayer) aufzuteilen. Siehe auch unseren Newsletter: Komfortable Bedienung und bester Klang – geht das?

Das externe Upsampling verbessert zum Teil ganz erheblich den Klang. Das liegt an der deutlich besseren Rechenleistung von Computern, die hochwertige Algorithmen mit Gleitkommaberechnungen ausführen können. Der DAC hat weniger Rauschen, weil er in seiner Arbeit entlastet wird.

Das Roon Update trennt den Roon Core konsequent von Roon Control, also der Steuerung. Allerdings war das mit dem Roon Server, der Headless (ohne Grafikelemente) war, auch vorher schon möglich. Die neue Philosophie bestätigt den Kurs der Aufteilung von Aufgaben. Die Klangverschlechterung bei Taiko Audio aufgrund erhöhter Festplattenaktivitäten zeigt, was es bedeutet, die Speicherung von Daten nicht von der eigentlichen Musikverarbeitung zu trennen.

Das HQPlayer Update brachte eine Verbesserung der Filterverarbeitung durch E-Cores, eine geeignete CPU vorausgesetzt.

Ich kann jedem nur empfehlen das Beste aus zwei Welten zu verwenden: Roon als sehr moderne bedienerfreundliche Benutzeroberfläche und den HQPlayer für das Upsampling.