Einleitung

Vielleicht rollst du jetzt die Augen und denkst: Ist doch egal, Hauptsache mir gefällt die Musik. Aber es kann nützlich sein zu wissen, wie Menschen hören und wie man selbst tickt.

Denn das ermöglicht die gezielte Suche nach deinen bevorzugten Stilrichtungen und hilft im Player sogar bei der Auswahl von Filtern.

Wir sehen uns folgend in den Grundlagen die Grund- und Obertöne und die Transienten an. Dann erörtern wir eine interessante Studie, die auch einen eigenen Test ermöglicht.

Grundlagen

Grundtöne und Obertöne*

Der Grundton ist der tiefste Ton oder die Grundfrequenz, die in einem Klang oder Ton erzeugt wird. Es ist der dominante Ton, den wir hören, wenn beispielsweise eine Saite gezupft, ein Instrument gespielt oder eine Stimme singt. Der Grundton bestimmt die Tonhöhe des Klangs. In der Regel hat jeder Klang einen charakteristischen Grundton, der ihm seine spezifische Klangfarbe verleiht. Der Grundton ist der erste und stärkste Ton in einem Klang und wird oft als das Hauptelement eines Klangs wahrgenommen.

Die Obertöne sind zusätzliche Töne, die über dem Grundton eines Klangs schwingen. Diese Obertöne sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz und haben eine höhere Frequenz als der Grundton. Obertöne bestimmen die Klangfarbe oder das Timbre eines Tons. Sie verleihen einem Klang seine einzigartige Charakteristik und helfen dabei, verschiedene Instrumente oder Stimmen voneinander zu unterscheiden. Obertöne tragen zur Klangqualität und -textur bei, indem sie dem Klang Reichtum, Wärme und Brillanz verleihen.

Die meisten natürlichen Klänge bestehen aus einem Gemisch aus Grundton und Obertönen. Die spezifischen Obertöne und ihre Intensitäten variieren je nach Klangquelle. Zum Beispiel kann die Art und Weise, wie eine Gitarrensaite gezupft wird oder wie ein Instrument gespielt wird, die Stärke und Anzahl der Obertöne beeinflussen.

In der Musik werden die Obertöne oft genutzt, um Klangfarben zu erzeugen, Harmonien zu erweitern oder Klänge zu formen. Sie spielen eine entscheidende Rolle in der Klangwahrnehmung und sind ein wichtiger Bestandteil der akustischen Eigenschaften von Musikinstrumenten und menschlichen Stimmen.

Transienten*

In der Akustik bezieht sich der Begriff „Transienten“ auf schnelle und vorübergehende Schallereignisse, die eine kurze Dauer haben und einen raschen Anstieg und Abfall der Schallenergie aufweisen. Transienten sind charakterisiert durch ihre schnelle Veränderung in der Schallintensität über einen kurzen Zeitraum. Der Anschlag eines Schlaginstruments wie einer Trommel oder eines Beckens erzeugt eine schnelle Schallwelle, die als Transient bezeichnet wird.

Das Hören von Transienten spielt eine wichtige Rolle in der Evolution des Menschen, insbesondere in Bezug auf die Überlebensfähigkeit und die Anpassung an die Umgebung. Transiente Geräusche können wichtige Informationen über Gefahren liefern. In der Natur könnten plötzliche Geräusche wie das Rascheln von Büschen, das Brechen von Ästen oder das plötzliche Knacken eines Zweigs auf die Anwesenheit von Raubtieren oder anderen potenziellen Bedrohungen hinweisen. Die Fähigkeit, diese Transienten wahrzunehmen und zu interpretieren, könnte dazu beigetragen haben, dass unsere Vorfahren frühzeitig auf Gefahren reagieren konnten, was ihre Überlebenschancen verbesserte.

Studie

Obertonhörer? Grundtonhörer? Hörtypen und ihre Instrumente.

Im Artikel „Obertonhörer? Grundtonhörer? Hörtypen und ihre Instrumente.“ von W.Gruhn, E.Hofmann, P.Schneider 2012 wurde eine Studie aus 2002 mit 2.000 Probanden beschrieben. Es wurde postuliert, dass zwei Möglichkeiten zur Tonhöhenwahrnehmung bestehen. Je nachdem, ob sich ein Hörer eher an der Grundfrequenz eines harmonischen Klangs (das heißt an dessen Grundton) oder an dessen Obertonstruktur orientiert.

Mit der Positronenemissionstomografie (PET) als bildgebendes Verfahren wurde die Aktivierung des auditorischen Cortex (Hörcortex) beim Hören von musikalischen Klängen in Abhängigkeit von spektralen und zeitlichen Aspekten zu untersucht.

Linker Hörcortex – Grundtonhörer

Die zeitlichen Verarbeitungsvorgänge (Tonlänge und Rhythmus) wurden im linken Hörcortex verortet. Die Gitarre spricht zum Beispiel verstärkt den Rhythmus an.

Welche Instrumente Grundtonhörer bevorzugen

Grundtonhörer bevorzugten oft Musikinstrumente, die kurze, scharfe oder impulsive Töne produzieren. Zum Beispiel Schlagzeug, Gitarre, Klavier, Trompete, Querflöte oder hohe Soloinstrumente.

Sie bevorzugten virtuose, impulsive und zeitlich synchrone Spielweisen. Dirigenten sind übrigens oft Grundtonhörer.

Rechter Hörcortex – Obertonhörer

Die spektralen sowie musikspezifischen Verarbeitungsvorgänge (Klangfarbe und Melodiekontur) wurden im Hörcortex der rechten Gehirnhälfte abgebildet. Ein Beispiel ist der Kontrabass.

Welche Instrumente Obertonhörer bevorzugen

Die Obertonhörer bevorzugten in der Regel Musikinstrumente, die länger ausgehaltene Töne mit charakteristischen Klangfarben produzieren. Zum Beispiel Streich-, Blech- oder Holzblasinstrumente in tieferen Lagen, Orgel oder Gesang.

Kurztest zur Grundton- und Obertonerkennung

Du kannst selbst testen, wo deine Schwerpunkte liegen: Kurztest  – Forschungsgruppe Musik und Gehirn-PD Dr. Peter Schneider,Heidelberg (musicandbrain.de). Der Testablauf ist recht einfach. Als erstes wirst du auf der Seite gebeten, die Lautstärke mit einem Testton einzustellen. Anschließend siehst du das Bild unten. Mit „Abspielen“ werden zwei Töne abgespielt. Du sollst beurteilen, ob die Tonfolge ansteigend (klicke auf die linke Schaltfläche _o ^o) oder absteigend (klicke auf die rechte Schaltfläche ^o _o) ist. Wenn du dir unsicher bist, wiederhole die Tonfolge. Die Töne hören sich synthetisch an und sind daher gewöhnungsbedürftig. Du kannst den kompletten Test jederzeit wiederholen.

Wenn alle Tonfolgen gespielt wurden, erhältst du eine kurze verbale Auswertung. Bei mir stand: „Sie sind ein leichter Obertonhörer.“ Also nicht ganz eindeutig, aber realistisch. Denn ich schätze Klangfarben und Gesang sehr. Ich bin aber den perkussiven Instrumenten und generell rhythmischer Musik ebenfalls sehr zugetan.

Die Wahl des richtigen Filters

Bei der Wiedergabe von digitalen Quellen kann die Auswahl des Filters deinen persönlichen Hörgeschmack unterstützen! Hier führt für mich kein Weg am HQPlayer vorbei, weil nur dieser die spezifischen Auswahlmöglichkeiten bietet.

Wenn ich Electronic, Jazz, Blues, Pop und Rock höre, bevorzuge ich aufgrund der Rhythmik einen transientenbezogenen Filter wie zum Beispiel „poly-sinc- gauss-short“. Es handelt sich um einen kurzen gaußschen Polyphasen-Sinc-Filter mit optimalen Zeit-/ und Frequenzgang. Der Filter spricht in erster Linie den Grundtonhörer an. Bei SDM-Ausgängen erfolgt die Verarbeitung in zwei Stufen mit 16-facher Zwischenrate und ist deshalb selbst bei DSD1024 noch gut zu betreiben.

Bei Classical, Jazz und Blues meist in HiRes höre ich gern den Filter „poly-sinc- gauss-xl“. Es handelt sich um einen extra langen gaußschen Polyphasen-Sinc-Filter mit extrem hoher Dämpfung. Optimaler Zeit-Frequenzgang. Bei SDM-Ausgängen erfolgt die Verarbeitung in zwei Stufen mit 16-facher Zwischenrate. Er eignent sich sehr gut für Transienten, Klangfarben und für die räumliche Darstellung. Also ein Allrounder für Grundton- und Obertonhörer.

Die Filterauswahl ist sehr individuell! Einen Überblick erhältst du hier: Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften – Grigg Audio Solutions.

Zusammenfassung

Wie schon im letzten Newsletter: Was bringt HiRes, wenn der Mensch nur bis 20 kHz hört? beschrieben, bietet die Hirnforschung einige Überraschungen. Nicht nur, dass der Mensch nachweislich auf Ultraschall reagiert, sondern auch dass die Grund- und Obertöne verschiedene Hirnareale unterschiedlich ansprechen. Und der Mensch sehr individuell entweder veranlagungs- oder/und lernbedingt mehr Grund- oder Obertonhörer ist.

Lieben Grundtonhörer schnelle, kurze Impulse, virtuose Fingerübungen und präzise Rhythmen, so schmeicheln dem Obertonhörer lange, getragene Melodien, Klangfarben und Harmonien. Kommen dem Grundtonhörer Instrumente wie Schlagzeug, Gitarre, Klavier und hohe Soloinstrumente entgegen, bevorzugen Obertonhörer dagegen Streich- sowie Blech- oder Holzblasinstrumente in tieferen Lagen, Orgel und Gesang.

Wenn du es genau wissen willst, was du bevorzugst, dann mache den Kurztest. Und wähle unterstützend zu deiner Hörausprägung bei digitalen Quellen die passenden Filter.

Einleitung

Es ist die stets wiederkehrende Frage, was High Resolution (HiRes) überhaupt bringt? In der digitalen Signalverarbeitung liegen die Vorteile zum Beispiel im Einsatz von flacheren Filtern, die deutlich weniger Pre-/ und Post-Ringing aufweisen. Siehe auch Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften.

Und Analog? Dazu gibt es mittlerweile gut erforschte und verblüffende Erkenntnisse. In den Grundlagen beleuchten wir das menschliche Hörvermögen und sehen uns dann die möglichen Vorteile von HiRes an.

Grundlagen

Menschliches Hörvermögen

Unser Hörvermögen basiert auf zwei Hauptmerkmalen: der Frequenz (Tonhöhe) und der Lautstärke (Schallintensität und Dynamik). Diese beiden Eigenschaften ermöglichen es uns, Klänge und Geräusche in unserer Umgebung zu erkennen und zu verstehen.

Frequenzbereich^*

Das menschliche Hörvermögen erstreckt sich in der Regel über einen Frequenzbereich von etwa 20 Hertz (Hz) bis 20.000 Hertz. Dieser Bereich wird als hörbares Spektrum bezeichnet. Innerhalb dieses Spektrums können wir eine Vielzahl von Tönen und Klängen wahrnehmen. Die Frequenz eines Tons wird in Hertz gemessen, wobei niedrige Frequenzen tiefe Töne und hohe Frequenzen hohe Töne erzeugen. Das menschliche Ohr ist empfindlich für eine breite Palette von Frequenzen, was es uns ermöglicht, Musik, Sprache, Tierlaute und andere Geräusche zu hören und zu unterscheiden.

Lautstärke^*

Das menschliche Hörvermögen umfasst einen beeindruckenden Dynamikbereich in Bezug auf die Lautstärke, der in Dezibel (dB) gemessen wird. Der Durchschnittsbereich, den die meisten Menschen wahrnehmen können, liegt etwa zwischen 0 dB (die Hörschwelle, bei der die leisesten hörbaren Töne wahrgenommen werden) und 120 dB (der Schmerzschwelle, bei der Schall als schmerzhaft laut empfunden wird). Dieser Bereich erstreckt sich über insgesamt 120 dB.

Hier ist eine grobe Aufteilung dieses Bereichs:

Frequenzabhängige Hörschwelle

Die Hörschwelle beginnt beim Menschen nicht linear mit 0 dB, sondern ist von der Frequenz abhängig. Die untere Linie zeigt Hörschwelle und der gestrichelte Anteil beschreibt die mögliche Hörkurvenveränderung durch übermäßige Hörbelastung. Die obere Linie ist die Schmerzgrenze. Die 0 dB-Hörschwelle wird zwischen 1kHz und 5kHz erreicht. Bei den niedrigen und sehr hohen Frequenzen muss der Schalldruck stattdessen deutlich höher sein.

Dynamikbereich

Wenn wir von maximal 110 dB Musik-Lautstärke ausgehen und die Musik ab 20 dB hörbar ist, dann hören wir in der Regel in einem Dynamikbereich von ca. 90 dB. Allerdings umgibt uns auch ein Grundlärmpegel. In einem ruhigen Schlafzimmer bei Nacht liegt das Grundgeräusch bei ca. 30 dB, in einer „leisen“ Bücherei liegt der Grundlärmpegel schon bei 40 dB.

Hinzu kommt der Maskierungseffekt. Dieser tritt auf, wenn mehr als nur ein Ton in Erscheinung tritt. Ist als Beispiel ein 1000-Hz-Ton im Raum vorhanden, bildet sich spektral gesehen um diesen herum eine akustische Maske. Das heisst, Töne in der Nähe (vor allem oberhalb) dieses Tones kann unser Gehör erst aber einer gewissen Lautstärke wahrnehmen. So schmilzt der Dynamikbereich zusammen.

Im Alter abnehmende Hörfähigkeit

Mit zunehmenden Alter nimmt deine Hörfähigkeit ab. Jedenfalls dann, wenn du nicht gerade einem Naturvolk angehörst, denn diese Völker kennen das Problem nicht. Die Schwerhörigkeit im Alter betrifft hauptsächlich die hohen Frequenzen.

Unten im Bild ist der Anstieg der Hörschwelle mit zunehmendem Lebensalter bei Frauen (links) und Männern (rechts) dargestellt. Männer sind stärker vom Hörverlust betroffen als Frauen.

Frequenzbereiche von Musikinstrumenten und Stimmen

Grundtöne und Obertöne

Die Grundtöne bestimmen die wahrgenommene Tonhöhe, während die Obertöne, die ein Vielfaches des Grundtons sind, die Klangfarbe erzeugen. Also beispielsweise, ob wir bei gleichem Grundton eine Geige oder eine Flöte hören. Der Grundton ist oft der lauteste und klarste Bestandteil eines Klangs, während die Obertöne in den höheren Frequenzen leiser werden.

Instrumenten Frequenz-Diagramm

Im Diagramm unten wird die jeweilige Bandbreite der Instrumente dargestellt. Die Grundtöne (Fundamentals) sind in dunkler Farbe dargestellt und die Obertöne (Harmonics) sind aufgehellt. Es ist gut zu erkennen, dass nur einzelne Instrumente mit ihren Grund- und Obertönen über 10kHz hinausgehen.

High Resolution (HiRes)

Definition*

Die HiRes Aufnahmen verwenden oft eine höhere Abtastrate als herkömmliche Audioformate. Während CDs in der Regel eine Abtastrate von 44,1 kHz haben, können HiRes-Dateien Abtastraten von 96 kHz, 192 kHz oder sogar höher aufweisen. Zu beachten ist die Nyquist Grenzfrequenz. Der hörbare Frequenzbereich liegt deshalb immer in der ersten Hälfte der Abtastrate. Bei 44,1 kHz sind maximal 22,05 kHz hörbar und bei 96 kHz sind maximal 48 kHz möglich.

High Resolution Audio bietet in der Regel mehr Bit-Tiefe. Während CDs eine Bit-Tiefe von 16 Bit haben, können HiRes-Dateien 24 Bit oder mehr aufweisen. Dabei steht 1 Bit für eine Lautsärke von 6dB. Bei CDs wird deshalb ein Dynamikumfang von 96 dB angedeckt. HiRes kann 144 dB umfassen.

Was für die CD spricht

Unser Hörvermögen geht maximal nur bis 20 kHz. Wenn du zur Babyboomer-Generation gehörst, dann kannst du froh sein, wenn du noch bis 10 kHz gut hörst. Sieht man sich den Frequenzbereich der Musikinstrumente an, dann gehen die meisten kaum über 10 kHz hinaus. Und unser hörbarer Dynamikbereich liegt bei rund 90 dB. All das spricht auf den ersten Blick für die CD als Medium.

Was für HiRes spricht

Im Bild unten wird eine Hüllkurve (die Summe aller Frequenzen) über einen weiten Frequenzbereich bis 48 kHz gezeigt. Diese bildet eine hohe Dynamik zwischen 3 dB und 144 dB ab. Im kleineren Kästchen (Blau) ist das CD-Format zu sehen. Diese Aufnahme kann in einer CD weder von der Bandbreite, noch von der Dynamik vollständig abgedeckt werden.

Laut dem oben gezeigten Instrumenten Frequenz-Diagramm ist die Bandbreite jedoch im Frequenzrahmen bis 20 kHz angegeben. Kann man das so stehen lassen?

Spektrogramm

Im HQPlayer besteht die Möglichkeit sich das Spektrogramm eines Titels in Echtzeit anzusehen.

Dabei wird Das Frequenzspektrum der Quelle bis zur möglichen Nyquist-Frequenz angezeigt. Die Spektrogramm-Anzeige wird mit der Zeit auf der horizontalen Achse und der Frequenz auf der vertikalen Achse dargestellt. Die Farbcodierung dient zur Anzeige des Signalpegels (in dB) im Zeit-/Frequenzraum.

Im Bild unten sind der HQPlayer Client mit Abbildung des Spektrums im linken und rechten Kanal, rechts daneben Roon und darunter in der Leiste das Programm htop für die CPU-Auslastung zu sehen. Die Bandbreite der HiRes Aufnahmen mit 96 kHz wird mit dem möglichen 48kHz voll ausgeschöpft. Das obere Band scheint sogar etwas beschnitten zu sein.

Unten ist ein Spektrogramm mit einer HiRes 192 kHz Aufnahme. Deutlich zu sehen sind Spitzen, die bis zu 96 kHz gehen! Diese Aufnahmen sind mit guten Mikrofonen möglich. Zum Beispiel mit einem 100 kHz Mikro: Sanken Chromatisch | CUX-100K 3-Wege-Niere (nah und fern) & Omini-Mikrofon (sankenchromatic.com). Nahmikrofonierte Drum-Kits / Percussions wie unten in der Aufnahme erreichen das 100 kHz Spektrum.

Ultraschallanteile verändern die hörbare Hüllkurve

Hier möchte ich auf ein kleines Experiment verweisen, wo dieselbe Aufnahme auf 15 kHz begrenzt wurde und mit der ursprünglichen HiRes-Aufnahme verglichen wurde:

Die Hüllkurve (das Summensignal aller Frequenzen, die in einem Musikstück vorhanden sind) eines auf 15 kHz begrenzten Musiksignal ist nicht identisch mit der Hüllkurve des HiRes-Musiksignals mit vollem Frequenzumfang. Die fehlende Energie der Frequenzanteile oberhalb von 15 kHz machen sich in einer leicht veränderten Hüllkurve bemerkbar, die notabene im Hörbereich liegt!

Ist HiRes-Audio Unsinn? – Musik-Wahrnehmung (avguide.ch)

Ultraschallanteile führen zur verstärkten Hinrnaktivität

Zur Frage, ob sich Schallanteile oberhalb der Hörschwelle im Hirn bemerkbar machen, gibt es eine interessante Studie aus 2000:

In dieser Studie haben wir nicht-invasive physiologische Messungen von Gehirnreaktionen verwendet, um den Nachweis zu erbringen, dass Klänge, die hochfrequente Komponenten (HFKW) oberhalb des hörbaren Bereichs enthalten, die Gehirnaktivität der Zuhörer signifikant beeinflussen. Als natürliche Schallquelle nutzten wir die Gamelan-Musik von Bali, die extrem reich an HFKW mit instationärer Struktur ist, und teilten sie in zwei Komponenten: eine hörbare niederfrequente Komponente (LFC) unterhalb von 22 kHz und eine HFKW-Komponente oberhalb von 22 kHz. …. Keiner der Probanden erkannte den HFC als Klang, wenn er allein präsentiert wurde. Nichtsdestotrotz stiegen die Leistungsspektren des Alpha-Frequenzbereichs des spontanen Elektroenzephalogramms (Alpha-EEG), die aus der Okzipitalregion aufgezeichnet wurden, mit statistischer Signifikanz an, wenn die Probanden einem Schall ausgesetzt wurden, der sowohl einen HFKW als auch einen LFC enthielt, verglichen mit einem ansonsten identischen Schall, aus dem der HFC entfernt wurde (d. h. LFC allein). … Wir nennen dieses Phänomen den „Hyperschalleffekt“ (orig.: hypersonic effect).

Unhörbare hochfrequente Töne beeinflussen die Gehirnaktivität: Hyperschalleffekt – PubMed (nih.gov)

Das Bild unten zeigt die Gehirnaktivitäten mit

• Baseline = keine Musik
• HCS / High Cut Sound = Musik ohne Ultraschallanteile
• FRS / Full Range Sound = ganzes Frequenzspektrum der HiRes-Aufnahme (96 kHz).

Bei FRS (HiRes) sind signifikant stärkere Gehirnaktivitäten nachweisbar!

Eine weitere Studie aus 2014 behandelte die Frage, ab welcher Frequenz die Hirnaktivitäten anstiegen:

Wenn ein HFC (High-Frequency Component) oberhalb von ca. 32 kHz angelegt wurde, stieg das Alpha-2-EEG signifikant an, verglichen mit einer ausschließlichen akustischen Beaufschlagung (positiver Hyperschalleffekt), während bei HFC unterhalb von ca. 32 kHz das Alpha-2-EEG abnahm (negativer Hyperschalleffekt). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Entstehung des Hyperschalleffekts von den Frequenzen des unhörbaren HFKW abhängt.

Frequenzen unhörbarer hochfrequenter Töne beeinflussen die Gehirnaktivität unterschiedlich: positive und negative Hyperschalleffekte – PubMed (nih.gov)

Im Bild unten wird der Versuchsaufbau dargestellt, wie mit einem Schalter die Superhochtöner zugeschaltet wurden.

Mit einer Clusterung von 8 kHz wurden die Gehirnaktivitäten in den jeweiligen Frequenzbereichen gemessen. Erst ab 32 kHz trat ein positiver Effekt auf. Am stärksten wirkte der Ultraschall zwischen 80 – 88 kHz.

Klangliche Auswirkungen von HiRes

Jussi Laako, der Schöpfer des HQPlayers, hat Experimente mit einem Glockenspiel durchgeführt und kommt zu folgendem Schluss:

Da die Mikrofone in der gleichen Entfernung vom Glockenspiel (im normalen Raum) wie meine Ohren platziert waren, konnte ich den direkten Klang des Instruments mit dem über Kopfhörer aufgenommenen Klang vergleichen. Sicherlich war die 192k-Version viel näher am Original als die 48k-Version.

Sampling- und Filterdiskussion – AudiophileStyle

Zusammenfassung

Das menschliches Hörvermögen ist zwar im Frequenzbereich zwischen 20 Hz bis 20 kHz beschränkt und nimmt im Alter sogar noch ab. Die Frequenzbereiche von Musikinstrumenten und Stimmen spielen sich mit ihren Grundtönen und Obertönen meist bis 10 kHz ab. Die wahrnehmbare Lautstärke ist frequenzabhängig und umfasst einen Dynamikbereich von rund 90 db. Das alles spricht für die CD, deren Abtastrate mit 44,1 kHz eine Frequenz bis 22,05 kHz abdeckt. Und auch die Auflösung mit 16 Bit ermöglicht einen ausreichenen Dynamikbereich von 96 dB.

Im Spektrogramm ist jedoch deutlich zu sehen, dass es auch HiRes-Aufnahmen mit Frequenzen bis 96 kHz gibt. Dies ist möglich, wenn für die Aufnahme sehr gute Mikrofone bis 100 kHz verwendet werden. Durch Messungen wurde belegt, dass nicht hörbare Ultraschallanteile die hörbare Hüllkurve verändern. In der Hirnforschung wurde bewiesen, dass nicht hörbare Ultraschallanteile (ab 32 kHz) zur verstärkten Hirnaktivität führen, wenn sie mit den hörbaren Schallanteilen kombiniert wurden. Die Zusammenhänge sind zwar noch unklar. Subjektive Klangvergleiche mit unterschiedlichen Aufnahmeformaten bestätigen jedoch den positiven Einfluss von HiRes.

Ich denke bei totkomprimierter Musik wie zum Beispiel Rock, Pop muss man sich keine Gedanken über HiRes machen. Gleiches gilt bei HiRes Mogelpackungen. Bei sehr guten Aufnahmen von Klassik und Jazz, aber auch bei Schlagzeug mit einem weiten Frequenz-/ und Dynamikbereich lohnt sich HiRes.

Einleitung

Puristen sagen, dass eine bitgerechte Wiedergabe im NOS (Non Oversampling) völlig ausreichend ist. Denn der Mensch hört nur bis max. 20kHz und ein Oversampling kann nichts hinzufügen, was auf der Quelle nicht drauf ist.

Hört sich erstmal logisch an. Bis man tiefer in die Signalverarbeitung einsteigt und feststellt, da können jede Menge Fehler passieren. Schon im Aufnahmeprozess.

In den Grundlagen sehen wir uns den Weg von der Aufnahme bis zur Wiedergabe einer CD in der heimischen Musikanlage an. Anschließend beschäftigen wir uns mit möglichen Verbesserungen von sogar verhunzten Aufnahmen.

Grundlagen

Von der Aufnahme zur Wiedergabe

Analog to Digital Conversion (ADC)

Oben im Bild ist der Aufnahmeprozess im Beispiel beschrieben. Es wird die Produktion und die Wiedergabe einer CD (RedBook) gezeigt. Bei der digitalen Signalverarbeitung kommt die Delta-Sigma-Modulation (DSD) zum Einsatz. Diese Technik 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 und deshalb findest du sie oft in ADC-/ oder DAC-Chips.

Aufgenommen wird mit einer DAW (Digital Audio Workstation) und einem guten Mikro mit einem Frequenzgang bis 50kHz. Die analogen Signale werden digitalisiert und vom Delta Sigma Modulator auf DSD128 (5,6MHz/1Bit) umgerechnet. Ein Dezimator reduziert dann die Samplingrate auf das gewünschte Format von 44.1kHz/16Bit. Anschließend kann ein Mastering erfolgen (im Bild nicht dargestellt) und das Musikstück wird auf einer CD oder einem anderen Datenträger gespeichert.

Digital to Analog Conversion (DAC)

Du nimmst die CD und spielst sie ab. Dabei muss der DAC den umgekehrten Weg gehen und das digitale Signal oversamplen, damit der Modulator DSD128 (5,6MHz/1Bit) im Ausgang die Rohdaten für die Umwandlung in Analog bereitstellen kann. Aufgrund der Nyquist Grenzfrequenz bleibt das Audioband auf die Hälfte der ursprünglichen Abtastrate begrenzt und ermöglicht einen Wiedergabebereich von 20Hz bis maximal 22,05Hz (1/2 von 44,1kHz).

Verbesserte Rekonstruktion

Fehler im Aufnahmestudio kompensieren

Hoffentlich liest das jetzt kein Toningenieur. 😄 Aber ja es ist nun mal Realität, dass sich nicht jeder Musiker ein Abbey Road Studio leisten kann. Manche Tonstudios müssen mit weniger werthaltigem Equipment auskommen. Und so manch Musiker produziert seine Aufnahmen selbst. Oder es passieren einfach Fehler beim Mastering. Jussi Laako, der Entwickler vom HQPlayer behauptet sogar, dass 90% von RedBook kein gutes Mastering ist! Gute und schlechte Qualitäten sind nicht nur hörbar, sondern auch messbar.

Nachfolgend stelle ich einige Beispiele vor. Dafür verwende ich das Spektrogramm vom HQPlayer.

Mogelpackungen

Im Titelbild siehst du eine Quelle mit eigentlich 44.1kHz, die aber nur ein Frequenzspektrum bis ca. 10kHz zur Verfügung stellt! Mogelpackungen kannte ich bisher nur von HiRes-Dateien, womit wir zum nächsten Beispiel kommen.

Kürzlich hörte ich den Titel Alone Together von Chet Baker in der HiRes Version mit 192kHz. Das ist eine Aufnahme von 1959. So richtig wollte das nicht zünden. Im Spektrogramm unten sieht man auch warum. Nur ein Bruchteil der Bandbreite (bis ca. 20kHz) wird genutzt. Möglich wären 96kHz (die Hälfte der ursprünglichen Quellfrequenz). Stattdessen sind im oberen Rand vermutlich Alias-Effekte (roter Bereich) zu sehen. Der Apodisierungszähler links schießt deshalb abartig in die Höhe.

Was machst du, wenn dir die Aufnahme sehr gut gefällt und die Tonqualität gut sein soll? Hier kommt eine Stärke von Roon hinzu. Wenn du auf „Versionen“ klickst, bekommst du alle vorhandenen Versionen angezeigt. Ich fand eine gute 44.1kHz Version. Hier sehen wir jetzt eine schöne Ausnutzung der möglichen Bandbreite bis 22,05kHz und eine gute Dynamik. Der Apodisierungszähler schlägt auch nicht an. 

Beispiel für Stromstörungen

Hier ist ein Titel in 44,1kHz mit einer sehr schönen Dynamik. Das Frequenzspektrum wird bis zur Nyquist-Frequenz von 22,05kHz voll ausgeschöpft. Bei genauerem Hinsehen ist eine horizontale Linie bei ca. 10kHz zu sehen. Die übliche Quelle dafür ist in der Regel ein Schaltnetzteil, das zur Stromversorgung des A/D-Wandlers verwendet wird. Es gibt auch SMPS-betriebene ADCs, die keine solchen Störungen aufweisen.

Beispiel für übertriebene Lautheit

Das Problem der heutigen Zeit sind totkomprimierte Musikstücke (Loudness War). Diese Komprimierung des Audiosignals führt zwar zu einer konstanteren „Hörbarkeit“ der Musik, hat aber auch einen hohen Verlust an Dynamik zur Folge. Es kommt vor, dass die oberen Bänder dadurch beschnitten werden. Im Bild unten sind im Spektogramm die abgeschnittenen Linien mit einem hohen Rot-Anteil gut zu erkennen. Links schießt in der Zeile „Limited / Apod.“ der Apodisierungszähler als Indikator für ein schlechtes Mixing auf über 8.000 nach oben. An den hohen Werten kann auch ein schlechter Dezimator im ADC verantwortlich sein.

Apodisierungsfilter als Problemlöser

Der Einsatzzweck des Apodisationsfilters ist es, die Impulsantwort des ursprünglichen Dezimationsfilters durch eine andere hochwertigere zu ersetzen. Dies ermöglicht das Ändern des Zeit- und Frequenzbereichsverhaltens des ursprünglichen Filters. Ein möglicherweise wichtigerer Punkt ist das Bereinigen des Aliasing-Bands bei den höchsten Frequenzen. Abhängig von den ADC / Mastering-Werkzeugen kann es zu einem gewissen Aliasing-Band am oberen Rand des Frequenzbands kommen.

Nicht apodisierende Filter lassen die (möglicherweise fehlerhaften) produktionsseitigen digitalen Filtereigenschaften durch. Apodisierende Filter sind für Samplingraten von 44.1/48kHz wegen der niedriger liegenden Nyquist-Raten am wichtigsten.

Der HQPlayer stellt eine große Anzahl von apodisierenden Filtern zur Verfügung. Siehe HQPlayer Tabelle mit den Filtereigenschaften.

Der Audio PC als Problemlöser

Mir ist kein DAC mit apodisierenden Filtern bekannt. Auch ist die Rechenleistung im DAC begrenzt. Bei den weit verbreiteten Delta Sigma Chips im DAC erfolgt vor der Wandlung in Analog ein Upsampling in DSD. Warum also nicht gleich dem DAC das Musikstück in DSD zuführen? Weitere Infos erhältst du hier: Wie arbeitet ein DAC und was kann Upsampling bewirken?

Zusammenfassung

Leider wird dem geneigten Musikhörer nicht immer die beste Quelle angeboten. Schlechtes Equipment des Tonstudios oder schlicht Digitalisierungsfehler können den Musikgenuss deutlich trüben. Mit dem HQPlayer Apodisierungszähler kanst du schlechte Quellen schnell erkennen. Und verwende einen apodisierenden Filter für Samplingraten von 44.1/48kHz, weil sich in diesem Bereich am ehesten Aufnahmefehler bemerkbar machen. Fall nicht auf Mogelpackungen herein und verwende bei neuen Aufnahmen zur Kontrolle das Spektrogramm vom HQPlayer. Im Zweifel ist eine andere Aufnahmeversion, sofern vorhanden, zu bevorzugen.

Im DAC wird oft ein Delta-Sigma-Chip eingesetzt. Hier kannst du von den hochwertigen Modulatoren des HQPlayers profitieren und dem DAC die Arbeit erleichtern. Führe ein Upsampling von PCM in DSD mit dem HQPlayer durch und du umgehst die einfachen Filter, Oversampling– und Modulatorenstufen im DAC (in Abhängigkeit des DAC-Designs). Den DAC betreibst du möglichst im NOS (Non Oversampling).

Einleitung

Im vergangenen Jahr hatte ich die identische Frage zur Vorgänger-CPU mit einem klaren Ja beantwortet: Wird es einen fis Audio PC Intel 13. Generation Core (Raptor Lake) geben? – Grigg Audio Solutions.

Bei der 14. Generation hatte ich hier schon meine Zweifel angemeldet: Was gibt es neues auf dem CPU Markt? – Grigg Audio Solutions. Nun ist die neue Flaggschiff CPU Intel® Core™ i9 Processor 14900K(F) verfügbar und erste Tests wurden gemacht.

Wie üblich gehe ich zum besseren Verständnis kurz auf technische Grundlagen ein und bewerte dann die vorliegenden Tests. In der Zusammenfassung werde ich die Frage in der Titelüberschrift beantworten.

Grundlagen

Intel® Core™ i9 Processor 14900K(F)

Hier kannst du die Grundlagen im letzten Artikel nachlesen, warum eine leistungsstarke CPU so wichtig ist:

• Upsamplingfähigkeiten
• Kühlleistung
• Silicon Lottery
• Störungsfreieres Hören
• Fertigungsarchitektur
• Prozessorsockel

Vergleichstabelle i9-14900KF zu i9-13900KF

Die Unterschiede vom i9-14900K zum Vorgänger i9-13900K sind sehr gering. Zu nennen sind:

• Steigerung des Basistakts um 0,2 GHz auf 3,2 GHz
• Der Turbo erhöht sich ebenfalls um 0,2 GHz auf 6 GHz

Im letzten Artikel hatte sich noch ein Fehler eingeschlichen.  Ich schrieb zum i9-14900K: „Der L2 Cache verdoppelt sich auf 32,0 MB“. Das war falsch, da der i9-13900K ebenfalls einen L2 Cache von 32,0 MB hat.

Ich habe einen Benchmarkvergleich zu den KF-Versionen gefunden. Diese sind mit den K-Versionen identisch, nur die Grafikeinheit fehlt. Der Leistungsunterschied beträgt noch nicht einmal 1%!

Testergebnisse

Testmethoden

Die vorliegenden Tests für Audio zu bewerten, ist nicht immer einfach. Denn die Tests werden meistens für Gamer gemacht und da kommt es vor allem auf die Grafik bei Spielen an. Manche veröffentlichen aber auch Tests mit mathematischen Verfahren, die unserem Anwendungsfall mit Upsampling und Convolution nahe kommen.

Interessant ist aber auch, welche Randnotizen es zu den Tests gibt. Insbesondere igor´sLAB | PC & Components | Reviews & News (igorslab.de) fällt mir immer wieder positiv auf.

Mathematisch-/wissenschaftliche Testverfahren

Ich habe exemplarisch zwei mathematisch-/wissenschaftliche Testverfahren herausgepickt.

Python

Bei Python wird in vielen Bereichen auf Intels Math Kernel Library (MKL) gesetzt. Hier liegt der Core i9-14900K vor dem Core i9-13900K leicht an der Spitze, während AMD aufgrund geringerer Taktfrequenz das Nachsehen hat.

Convolution

Convolution ist ein Benchmark für einen Teilbereich der Funktionsanalysis, bei dem als Produkt zweier Funktionen (Konvolution, Faltung) faktisch eine neue, dritte Funktion entsteht. Da Takt und Kernanzahl gleichermaßen wichtig sind, hat der Ryzen 9 7950X die Nase vorn. Der eigentliche Vergleich zwischen i9-14900K/13900K Cores ist wieder verschwindend gering.

Zwischenfazit

Das Bild wiederholt sich. Die Leistungsunterschiede zwischen den i9-14900K/13900K Cores sind gering. Wenn es auf die Taktfrequenz ankommt liegt grundsätzlich Intel vorn, während AMD bei Multicore-Anwendungen punkten kann.

Ein kleiner Exkurs: Für den HQPlayer und dem Upsampling auf DSD benötigen die hochwertigen Modulatoren eine möglichst hohe Taktfrequenz.

Energieverbrauch

Die Thermal Design Power (TDP) ist der Maximalwert für die thermische Verlustleistung des Prozessors, auf dessen Basis Kühlung und Stromversorgung ausgelegt werden. Es sind unveränderte 125W (253W Turbo). Die TDP kann im realen Betrieb höher oder niedriger sein. Mit dem i9-12900k benötige ich ca. 70W für DSD512 mit dem Modulator ASDM7ECv2 und dem Filter poly-sinc-gauss-xla. Mit dem i9-13900k und dem Modulator ASDM7EC-super 512+fs bin ich etwas höher.

Insofern sind die folgenden Aussagen mit Vorsicht zu bewerten, da die Kerne für die Tests meist bis zum Anschlag hochgefahren wurden.

Unter Volllast beim Compute oder Rendern ist er der unbestrittene Liebling jedes Energieversorgers.

Raptor Lake Refresh mit den Intel Core i9-14900K, Core i7-14700K und Core i5-14600K im Test – Heißer Drachenk(r)ampf im energetischen Endstadium | Seite 13 | igor´sLAB (igorslab.de)

Schaut man sich zugleich die Leistungsaufnahme in den Spielen an, so zeigt sich ein relativ klares Bild: Werden nicht alle zur Verfügung stehenden Kerne vollständig genutzt bzw. bewegt man sich nahe oder im GPU-Limit, sind die Raptor-Lake- und Raptor-Lake-Refresh-Prozessoren noch recht sparsam und kommen bei weitem nicht auf die Verbrauchswerte unter Volllast. 

Fazit – Seite 19 – Hardwareluxx

Die ersten drei CPUs der neuen „Generation“, die prestigeträchtigen K-CPUs, sind in Form von Core i9-14900K und Core i5-14600K nicht mehr als ein lauwarmer Aufguss, der in beiden Fällen bestenfalls niedrige einstellige Leistungszugewinne mit sich bringt, was mit einer gestiegenen Leistungsaufnahme einhergeht. 

Intel Core i9-14900K, i7-14700K & i5-14600K im Test: Fazit – ComputerBase

Heatspreader der CPU

Der Heatspreader der CPU ist für die Kühlung ein wichtiger Bestandteil, weil vom Kopf der CPU die Wärme abgeführt werden muss.

Intel Core i9-13900K

Auch bei einem hochwertigen Motherboard ist die Standard Sockelhalterung grenzwertig. Es gibt billige Blechteile mit einem Spannbügel. Beim Sockel FCLGA1700 kommt es zu allem Überfluss durch die Klemmvorrichtung zu einem leichten Verbiegen des ILM (Internal Loading Mechanism). Dies kostet einige Grad Kühlung. Siehe auch IgorsLAB: CPU-Temperaturen im Rahmen? Dafür gibt es als Ersatz zum Beispiel das Thermal Grizzly CPU Contact Frame (rechts im Bild). Leider kann die Verwendung zum Garantieverlust des Motherboards führen. Die Handhabung ist auch nicht so einfach, da die Schrauben nicht zu fest angezogen werden dürfen. Richtig montiert wird die CPU besser gekühlt.

Intel Core i9-14900K

Erfreulicherweise scheint sich das Problem des gebogenen ILMs erledigt zu haben. Das Höheprofil war auch nach dem Einsatz immer noch gerade und nicht gewölbt! Siehe: Interessante Details zum Heatspreader – igor´sLAB.

Langsamer als vor einem Jahr

Die Rede ist von einer Wiederholung der Tests der 13. Generation, welche unter gleichen Testbedingungen auf einmal eine schlechtere Leistung als vor einem Jahr zeigten. Davon hörte ich das erstemal. Siehe: Langsamer als vor einem Jahr: BIOS, Windows? Mitigations? – ComputerBase

Und ja, wenn man es sich überlegt, können Updates des BIOS oder des Betriebssystems dafür verantwortlich sein. Obwohl man sich von einem Update eigentlich eine Leistungssteigerung wünscht. Aber kürzlich las ich das: Windows 11: Neue Datenschutz-Optionen kommen exklusiv für Europa (pcgameshardware.de). Viele Updates resultieren aus regulatorischen Anforderungen und da ist die Effizienz egal.

Deshalb ist es keine schlechte Idee, im Laufe der Zeit das BIOS nur zu aktualisieren, wenn es Sicherheitsupdates oder Performance Verbesserungen gibt. Und als Betriebssystem soll für Audio spezialisierte Software wie HQPlayer OS oder Roon Rock verwendet werden.

Zusammenfassung

Bei bestimmten Hochleistungsanwendungen wie Spielen, kann der neue Intel Core i9-14900K punkten. Für unseren Anwendungsfall des hochwertigen Upsamplings und gegebenenfalls Convolution ergeben sich im Grunde genommen keine Leistungssteigerungen. Denn die Taktung kann wegen der Wäreentwicklung im passiv gekühlten fis Audio PC in der Regel nicht höher als 4,4GHz (P-Cores) gesetzt werden.

Der Energieverbrauch liegt bei „mäßigen Lasten“ sowohl in der 13. Generation, als auch in der 14. Generation im Rahmen. Wobei ich unter mäßiger Leistungsaufnahme zwischen 50W bis 90W verstehe, je nach HQPlayer Einstellung. Der fis Audio PC spielt also mit hohen Leistungsreserven, welches einen ruhigen audiophilen Betrieb ermöglicht.

Erfreulich ist die Entwicklung des Heatspreaders bei der CPU. Verbogene ILMs gehören wohl der Vergangenheit an. Allerdings sehe ich hier keinen Handlungsdruck, da die für den fis Audio PC hochwertige Halterung ein Verbiegen verhindert. Ich glaube nicht, dass ich diese billigen Klemmvorrichtungen in den Motherboards wieder nutzen möchte.

Wird der neue Intel Core i9-14900K nun für den fis Audio PC künftig angeboten? Immerhin sollen die Preise gegenüber der 13. Generation nicht angehoben werden und schlechter ist der Intel Core i9-14900K nicht geworden. Trotzdem lautet meine Antwort: nein! Zumindest vorerst. Ich möchte sehen, wie sich der neue Intel Core i9-14900K im Laufe der Zeit macht. Gerade bei neuen Produkten sind Bugs nie auszuschließen und der Intel Core i9-13900K funktioniert hervorragend.

Interessanter wird es voraussichtlich zum Ende 2024. Der „eche“ Nachfolger Arrow Lake wird für den Desktop mit einer wesentlich höheren Transistordichte angeboten. (vermutlicher Herstellungsprozess Intel 20A – 3 nm). Derzeit reden wir von Intel 7 (10 nm). Allerdings wird es dann auch einen neuen LGA 1851-Sockel geben, womit bestehende Motherboards nicht mehr genutzt werden können. In jedem Fall dürfte es zu einer deutlichen Leistungs- und hoffentlich auch Effizienzsteigerung kommen.

Einleitung

Manchmal ist es so, dass für den besten Klang einige Abstriche in der Bedienung gemacht werden müssen. Der HQPlayer hat für mich den besten Klang, besitzt aber immer noch eine sehr grenzwertige Benutzeroberfläche. Die Einbindung eines NAS ist ein Abenteuer. Roon hat dagegen für mich das beste Konzept für die Bedienung und die Einbindung von Quellen, egal ob von Festplatte oder per Internet-Streaming. Aber der Klang? Naja …

Natürlich gibt es eine große Vielfalt an Playern, teils sogar kostenlos. Ich habe einige ausprobiert und ich bin bei Roon und HQPlayer geblieben.

Dieser Beitrag geht in den Grundlagen auf die Vorteile einer dualen PC Konfiguration ein. Dann sehen wir uns den HQPlayer und Roon einzeln an. Zu guter Letzt kommt mein Vorschlag für das Dream Team. Alles wie immer ohne Gewähr.

Grundlagen

Control PC und Audio PC

Wer sich mit einem Audio PC beschäftigt, soll sich Gedanken über mögliche Steigerungen der SQ (Sound Quality) durch eine Aufteilung der Aufgaben machen. Es geht um die Dual-Computer-Konfiguration als Control PC (Audio Server) und Audio PC (Audio Endpunkt). 

Control PC (Audio Server) 

Im allgemeinen sind im Control PC alle Anwendungen und Dateien angesiedelt, welche der Musikwiedergabe dienen. Im einzelnen sind dies zum Beispiel die Musikdateien, die im NAS (Network Attached Storage) im Netzwerk zum abspielen zur Verfügung gestellt werden. Die Musik will verwaltet werden, zum Beispiel sortiert nach Musik Genres, Interpreten und gegebenenfalls mit Informationen zu den Musikern. Außerdem muss eine Kontrolle der Musik möglich sein, also unter anderem das Aussuchen, Abspielen, Stoppen und eventuell das Regeln der Lautstärke. Dies ermöglicht zum Beispiel die Software Roon. Leider gilt Roon als sehr geschwätzig und kommuniziert permanent mit dem Internet.

Weitere Zusatzfunktionen können das Rippen von CDs sein, zum Beispiel mit dBpoweramp. Oder auch Messungen für die Raumklangkorrektur wie zum Beispiel mit Acourate. Es sind im Zweifel viele Programme aktiv. In der Regel besteht eine Internetverbindung und damit sind auch eine Firewall und ein Virusscanner erforderlich. Das ist ein klassischer Zielkonflikt zur störungsfreien Musikwiedergabe. Es kommt zwangsläufig zu häufigen Interrupts, die für den Audio Betrieb sehr schädlich sind. Siehe auch: Warum Interrupts beim Audio PC den Klang massiv beeinflussen. Deshalb macht eine Auslagerung dieser Aktivitäten soviel Sinn.

Für diese Funktionen reicht ein NAS, auf dem Roon installiert werden kann oder ein kleiner lüfterloser Computer wie zum Beispiel cirrus7 – passiv gekühlte mini-PCs – made in Germany. Möglicherweise hast du einen älteren Computer, den du dafür bereitstellst. Diesen Control PC muss sich nicht zwangsläufig in der Nähe der Anlage befinden. Ausser einem Netzwerkanschluss (LAN, WLAN, LWL) benötigt dieser PC nichts.

Audio PC (Audio Endpunkt)

Damit kommen wir zu den Funktionen eines Audio PCs, der möglichst wenig laufende Prozesse haben sollte. Daher soll der Audio PC die Musik nur noch rendern. Dabei werden die Rohdaten, zum Beispiel eine Musikdatei im Format FLAC (Free Lossless Audio Codec) für das abspielen der Musik im DAC (Digital Anlaog Converter) vorbereitet.  FLAC  ist ein Codec zur verlustfreien Audiodatenkompression. FLAC muss vom Renderer also erst entpackt werden.

Dann ist es dem Nutzer überlassen, ob der DAC nativ oder mit Upsampling die Musikdaten empfängt. Ausserdem ist zu unterscheiden, ob der DAC die Daten im Format PCM (Puls Code Modulation) oder DSD (Direct Stream Digital) erhalten soll. All diese Funktionen können auch mit der Software Roon ausgeführt werden. Wer Wert auf allerhöchsten Klang legt, bindet den HQPlayer mit ein. 

Da die meisten DACs einen Delta Sigma Chip haben, erfolgt auch bei PCM vor der Wandlung in Analog eine interne Konvertierung in DSD. Siehe mein Beitrag: Wie arbeitet ein DAC und was kann Upsampling bewirken? – Grigg Audio Solutions.

Hier ist ein PC mit geringsten Latenzen und höchstmöglicher Rechenleistung erforderlich. Für die Ein- und Ausgänge bieten sich audiophile PCIe-Karten mit bester Clock, rauschfreier Stromversorgung und ggf. galvanischer Trennung an. Dafür wurde der fis Audio PC entwickelt.

Roon

Funktionsbeschreibung

Sämtliche Funktionen von Roon hier zu beschreiben ist ein Ding der Unmöglichkeit. Einige Infos erhältst du hier: Roon – Wie Roon funktioniert. Roon hat auch eine sehr aktives Forum, schau hier: Roon Labs Community. Folgend erläutere ich die aus meiner Sicht bestehenden Highlights.

Die Downloadseite findest du hier: Roon – Downloads. Roon kann für Windows oder macOS installiert werden. Dabei ist zu unterscheiden, ob Roon mit oder ohne graphischer Benutzeroberfläche genutzt werden soll. Wer sowieso per Smartphone oder Tablet auf Roon zugreift, fährt mit dem „headless“ Programm Roon Server am besten, weil dann keine Grafikkarte den Betrieb stört. Roon Server gibt es auch für Linux und NAS Anbieter wie QNAP und Synology.

Roon Core

Das wichtigste Bestandteil ist der Roon Core, auch Roon Server genannt. Das ist das Roon Rechenzentrum mit der Roon Datenbank und dem Roon DSP (Digital Signal Processor). Dieser Rechenkern kann in einem weit von der Anlage entfernten NAS oder PC installiert werden. Roon hat sogar sein eigenes schlankes Betriebssystem: Roon Rock.

Roon Control

Für die Musikverwaltung und Steuerung stehen kostenlose Roon Apps für Tablets, Smartphones, Laptops, etc. auf beliebigen Betriebssystemen zur Verfügung. Wer will kann die aktuell gespielten Songs auf dem TV mitverfolgen.

Roon Output

Für die Musikwiedergabe stehen bereits viele Geräte zur Verfügung, die Roon Ready sind: Roon Ready (roonlabs.com). Dazu hat Roon eine Liste mit Partnern veröffentlicht: Womit arbeitet Roon?

Wichtig ist hier die RAAT-Technologie, welche eine ausgesprochen robuste Verbindung herstellt und bei Roon Ready Geräten die besten Verbindungsparameter voreinstellt. Siehe auch Roon Advanced Audio Transport RAAT (roonlabs.com).

Aber auch kompatible Software wie der HQPlayer wird mit RAAT angesteuert und ermöglicht eine sehr unkomplizierte und störungsfreie Verbindung. HQPlayer selbst nutzt dann sein eigenes Protokoll NAA (Network Audio Adapter). Siehe auch: Was sind bessere Alternativen zu UPnP? – Grigg Audio Solutions.

Keine Trennung zwischen Offline- und Online-Musik

Die für mich faszinierenste Funktion ist die Verschmelzung von lokal gespeicherter Musik (Offline) und Streaminginhalten (Online) zum Beispiel von Qobuz. Zu allen Künstlern und Alben werden vielfältige Informationen angezeigt.

Tags – Kennzeichnung von Alben oder Songs

Die Alben können mit eigenen Tags gekennzeichnet werden. Ein Tag steht für ein Etikett und kennzeichnet den Datenbestand mit zusätzlichen Informationen. Im Beispiel unten habe ich das Album unten mit „Space“ (gute Räumlichkeit), „Spectrogram +“ (gutes Mastering) und „+ HiRes“ (echte High Resolution) gekennzeichnet. Die Bezeichnungen sind frei wählbar und werden in der Roon Datenbank gespeichert. Die Originaldatei bleibt unverändert.

Schöne Benutzeroberfläche

Das Auge hört mit. Ich kenne keine andere Benutzeroberfäche, welche eine intuitive Bedienung mit dieser schönen Ansicht verbindet. Unten ist die Titel-Ansicht im Dark Modus. Unten links unterhalb des Album Covers wird mit einem kleinen Qobuz Symbol dargestellt, dass die Quelldatei von Qobuz gestreamt wird.

Oben rechts sind weitere Informationen abrufbar. Wer will mitsingen?

Roon Radio

Anders als der Name Roon Radio suggeriert, handelt es sich nicht um einen Radio Empfang, sondern um eine automatische Wiedergabefunktion. Diese Anwendung wurde mit künstlicher Intelligenz entwickelt und kann eine Mischung aus deinen Favoriten zusammen mit Musik von außerhalb deiner lokalen Bibliothek abspielen, wobei der umfangreiche Musikkatalog von TIDAL oder Qobuz verwendet wird.

Roon Radio gibt Empfehlungen, die nicht nur auf deinen eigenen Musikvorlieben basieren, sondern auch auf denen anderer Roon-Abonnenten mit ähnlichem Musikgeschmack. Es startet automatisch, wenn das ausgewählte Album zu Ende ist und hilft mir bis heute neue Musik nach meinem Geschmack zu entdecken.

Du kannst die Auswahl auch bewerten. Desto genauer werden die Vorschläge auf dich zugeschnitten. Mehr Infos findest du hier: FAQ: What’s Radio and how does it work? (roonlabs.com).

Deine Lieblingsradiosender kannst du natürlich auch in Roon genießen, schau hier: Live-Radio in Roon (roonlabs.com).

Roon ARC

ARC steht für „Audio Return Channel“ und ermöglicht dir außerhalb deines Netzwerks, zum Beispiel im Auto, Verbindung mit deinem Roon Core aufzunehmen und Musik abzuspielen. Im Router muss dafür ein Port freigeschaltet werden, was ein wenig fummelig werden kann. Mehr Infos findest du hier: ARC FAQ (roonlabs.com).

Systemeinstellungen für eine rauscharme Wiedergabe

Wie schon oben beschrieben ist Roon sehr geschwätzig. Leider kann man das nur teilweise abschalten. Ich empfehle die Background und On-demand Audio Analyse komplett auf „off“ zu stellen. Wenn du neue Alben speicherst, dann aktiviere die Background Analyse kurzzeitig. Das Ergebnis wird gespeichert und du kannst die Audio Analyse wieder abstellen.

HQPlayer als Roon Output einrichten

Die Ansteuerung des HQPlayers ist denkbar einfach. Gib einfach die IP-Adresse (ohne https://) ein und das wars. Also zum Beispiel „192.168.XXX.XX“.

HQPlayer

Funktionsbeschreibung

Anders als Roon ist der HQPlayer nicht intuitiv bedienbar. Aber das macht auch nichts, wenn du als Player Roon wie oben beschrieben einsetzt. Die Ersteinrichtung ist leider recht komplex. Aber wenn es einmal erledigt ist, musst du dich nicht mehr darum kümmern. Beim Kauf eines fis Audio PCs mache ich das natürlich für dich.

Das HQPlayer Handbuch ist in den sogenannten Desktop Versionen als PDF-Datei enthalten. Siehe: Signalyst – HQPlayer 5 Desktop. Das Handbuch empfehle ich dir parat zu haben, damit du schnell was nachschlagen kannst. Unten sind die Dateien für Apples macOS abgebildet.

Der HQPlayer wurde ursprünglich für die Konvertierung von PCM zu DSD entwickelt. Aber er wird auch gern für das Upsampling bis PCM 1536kHz verwendet. Der Grundgedanke ist, hochentwickelte Filter und Modulatoren in leistungsfähigen Computern zu verwenden, um den DAC von dieser Rechenlast zu befreien und vor allem in seinen Sweet Spot zu betreiben. Siehe ergänzend: 

• Audio PC Upsampling
• Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften

HQPlayer Core

Der Rechenkern vom HQPlayer wird vom Hersteller selbst als HQPlayer Desktop bezeichnet. Etwas verwirrend, aber gemeint ist die Rechenmaschine und die Konfigurationsoberfläche, welche unter Windows (keine Server Editions), Apple (MacOS) oder Linux installiert werden kann. Diese Anwendung erfordert eine kostenpflichtige Registrierung.

Der Kern kann aber auch als HQPlayer Embedded Anwendung (ausschließlich unter Linux) installiert werden. Es werden verschiedene Linux Versionen unterstützt. Am einfachsten und schlanksten ist das HQPlayer OS. siehe auch mein Newsletter: Signalyst HQPlayer 4 Embedded – schlanker und audiophiler geht’s nicht. Ursprünglich war die HQP Embedded Version für Businesspartner gedacht, die ihre Streamer, DACs, Computer oder andere Geräte damit ausstatten. Daher ist die Konfigurationsoberfläche sehr technisch gehalten und die Lizenz ist an das jeweilige Gerät gebunden. Diese Anwendung macht eine eigene kostenpflichtige Registrierung notwendig.

Die Lizenzen von HQPlayer Desktop und HQPlayer Embedded können nicht untereinander getauscht werden. Du musst dich für eine Variante entscheiden.

HQPlayer Control

Die Bedienung kann mit dem eigenen HQPlayer Client oder auch mit Fremdprogrammen wie Roon erfolgen. Siehe ergänzend: HQPlayer Circle – eine Funktionsübersicht. Auch wenn ich die Bedienung über Roon bevorzuge, hat der HQPlayer folgende Vorteile:

• Das integrierte Spektrogramm zeigt zum Beispiel, ob es sich um echtes HiRes handelt. Dazu später mehr.
• Außerdem wird ein Clipping angezeigt.
• Der Apodisierungszähler schlägt bei schlecht gemasterten Quellen an. Ich verwende für Quellen bis 41,1/48kHz generell apodisierende Filter, siehe Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften – Grigg Audio Solutions.
• Es sind einige Einstellungen zum Filter-/ und Modulatorenwechsel und anderes verfügbar.

HQPlayer Output

Der HQPlayer als Endpunkt, also die letzte Schnittstelle vor der Übergabe an den DAC, benötigt natürlich einen entsprechenden Ausgang. Meist wird dies USB oder LAN sein. Wenn andere Datenübertragungsformate verwendet werden sollen, musst du prüfen, ob zum Beispiel DSD (falls gewünscht) damit geht und die Bandbreite ausreicht.

Hier ist eine Übersicht aus dem Newsletter: Welche neuen Datenübertragungsstandards sind für Audio im Gespräch? – Grigg Audio Solutions.

Spektrogramm

Ein Spektrogramm ist die bildliche Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Frequenzspektrums eines Signals. Diese Funktion ist neu im HQPlayer, siehe auch: HQPlayer 5 Desktop und HQPlayer 5 Embedded 5.0.0 veröffentlicht! – Grigg Audio Solutions.

Unten im Bild wird die Quelle (Hide From the Drama von Dominique Fils-Aimé) mit 88,2kHz angezeigt. Man sieht sehr schön, dass bis zur Nyquist Grenzfrequenz (hier 44,1kHz) die Bandbreite voll ausgenutzt wird. Es handelt sich also um echtes HiRes. Auch zeigt der Spektralverlauf eine sehr schöne Dynamik. Der grüne Schleier ist Dither. Bei Loudness War würde das Spektrogramm wie eine Wand aussehen.

Kürzlich spielte mir ein Kunde den Titel Alone Together von Chet Baker in der HiRes Version mit 192kHz vor. Das ist eine Aufnahme von 1959. So richtig wollte das nicht zünden. Im Spektrogramm unten sieht man auch warum. Nur ein Bruchteil der Bandbreite (bis ca. 20kHz) wird genutzt. Möglich wären 96kHz (die Hälfte der ursprünglichen Quellfrequenz). Stattdessen sind im oberen Rand vermutlich Alias-Effekte (roter Bereich) zu sehen. Der Apodisierungszähler schießt abartig in die Höhe. Ein starkes Indiz für ein sehr schlechtes Remastering.

Was machst du, wenn dir die Aufnahme sehr gut gefällt und die Tonqualität gut sein soll? Hier kommt eine Stärke von Roon hinzu. Wenn du auf „Versionen“ klickst, bekommst du alle vorhandenen Versionen (hier von Qobuz) angezeigt. Natürlich auch deine lokal gespeicherte Version, wenn vorhanden.

Ich habe mir als nächstes die Version mit 96kHz angesehen. Nicht wirklich gut. Auch hier geht die Bandbreite nur bis rund 20kHz. Also kein echtes HiRes. Wenigstens bleibt der Apodisierungszähler bei null.

Möglicherweise geben die Masterbänder nicht mehr her. Also habe ich mir die 41,1kHz Version vorgeknöpft. Hier sehen wir jetzt eine schöne Ausnutzung der möglichen Bandbreite bis 22,05kHz und eine gute Dynamik. Der Apodisierungszähler schlägt auch nicht an. In Roon habe ich dieses Album als bevorzugte Version abgespeichert. Ab sofort spielt Roon nur noch diese Version.

Zusammenfassung

Dream Team Roon mit HQPlayer

Wenn du wirklich das Beste willst, trenne deine digitale Strecke in einen Control PC (Roon) und in einen Audio PC (HQPlayer) auf. Der Control PC muss nicht besonders leistungsstark sein. Es kann sich auch um ein NAS handeln. Der Audio PC soll in jederlei Hinsicht audiophil und mit geringsten Latenzen sehr leistungsstark sein. Wie zum Beispiel der fis Audio PC.

Verwende dann Roon nur für die Musikverwaltung und Steuerung. Schalte die Hintergrundanalysen aus und lasse DSP (Digital Signal Processor) deaktiviert. Als schlankes Betriebssystem eignet sich Roon Rock.

Der HQPlayer übernimmt das Rendering und Upsampling in bester Klangqualität. Installiere dafür das HQPlayer OS mit dem Linux Echtzeitkernel. Die Benutzeroberfläche des HQPlayers wird durch die von Roon ersetzt. Du kannst aber parallel einige nützliche Funktionen vom HQPlayer abrufen. Zum Beispiel findest du mit dem HQPlayer Client im Spektrogramm heraus, ob HiRes eine Mogelpackung ist oder nicht.

In Roon kannst du mit einem Klick auf das Sternchen den Signalpfad verfolgen. Unten im Beispiel muss Roon nicht viel tun, außer die Musik bitperfekt an den HQPlayer weiterzuleiten.

Einleitung

Anlässlich neuer PCIe-Karten von JCAT und Pink Faun lohnt es sich von Fortschritten zu berichten und eine Übersicht der für den fis Audio PC in Frage kommenden Karten zu erstellen.

Nicht jedem ist klar, was das bringen soll. Deshalb sehen wir uns vorab die möglichen Vorteile in den Grundlagen an.

Grundlagen

PCI Express

Flexibilität

PCI Express („Peripheral Component Interconnect Express“, abgekürzt PCIe oder PCI-E) ist ein Standard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz des Motherboards oder idealerweise direkt mit der CPU. Der Standard wurde 2003 eingeführt. Nach ca. 2010 wurden vielfach keine anderen Steckplätze mehr verbaut und die Vorgänger PCI(-X) und AGP schließlich vollständig abgelöst. Die Bandbreite wird stetig weiter entwickelt und das Angebot an PCIe-Karten ist sehr vielfältig.

Es gibt Hersteller, die hervorragende USB und NET Cards mit externer Stromversorgung und OCXO Clocks anbieten. Oder nimm Hochgeschwindigkeitsnetzwerkarten mit Glasfaser wie zum Beispiel Solarflare (AMD-XILINX) von der X2-Serie für die perfekte galvanische Trennung und niedrigstem Jitter. Damit werden die USB-und LAN Schnittstellen auf dem Motherboard umgangen, die nicht für den audiophilen Betrieb ausgelegt sind. 

Halterungen stabilisieren

Leider sind die Halterungen der PCIe-Karten generell ziemlich vorsintflutlich gestaltet. Seit Jahrzehnten leider unverändert als Low Profile Slot-Blech (Low Profile Bracket) oder High Profile Slot-Blech (High Profile Bracket). Gängige Maßangaben:

• High Profile Bracket: 4.725″ (120mm)
• Low Profile Bracket: 3.118″ (79,2mm – für den fis Audio PC geeignet)

Das Material besteht meist aus Blech, Alu oder Kupfer und lässt sich leicht verbiegen. Die Brackets sind oben um 90° geknickt und haben ein Loch für die Verschraubung. Aufgrund der unpräzisen Verarbeitung ist die Passgenauigkeit meist eine Zumutung. Probleme bei der Befestigung treten oft vertikal auf. Die PCIe-Karte sitzt zum Beispiel schräg im Steckplatz und die Pins haben nicht alle Kontakt. Einwandfreie Steckverbindungen und passive Kühlungslösungen sind extrem wichtig, weshalb die fis Audio PC Alu Rückblende für HDPLEX H5 Chassis sehr zu empfehlen ist. Die maximal drei Low Profile PCIe-Karten werden ohne direkte Verschraubung mit einer Klemme von oben fixiert. Durch die präzise Fertigungstechnik verklemmt sich keine Karte mehr. Alle Pins werden dadurch in die korrekte Position gebracht und arretiert.

Keine Riser-Kabel*

Ein Riser-Kabel besteht in der Regel aus einem flachen oder flexiblen Kabel, welche die PCIe-Karte mit dem Motherboard verbindet.

Riser-Kabel werden verwendet, um eine PCIe-Erweiterungskarte an einem anderen Ort im Gehäuse zu installieren, als der herkömmliche PCIe-Steckplatz auf dem Motherboard es zulassen würde. Dies ermöglicht es, die Erweiterungskarte in einer besseren Position für Kühlung, Platz oder ästhetische Gründe zu platzieren.

Riser-Kabel können die elektrischen Eigenschaften der PCIe-Schnittstelle beeinflussen. Falsche Verbindungen oder minderwertige Kabel können zu Leistungsproblemen führen. Im fis Audio PC wird deshalb sowas nicht verwendet. Mein Grundsatz lautet: Kein Kabel ist das beste Kabel. Verwende also nie Riser-Kabel!

lineare Stromversorgung

Die meisten audiophilen PCIe-Karten bieten die Möglichkeit einer externen Stromversorgung an. Eine durch Schaltnetzteile verursachte Stromversorgung mit hohem Ripple kann das angeschlossene Gerät verunreinigen. Deshalb bietet es sich an ein lineares Netzteil für die externe Stromversorgung zu verwenden.

Siehe auch: Lineare Netzteile (LPS) vs. Schaltnetzteile (SMPS).

Reclocking

Das Thema Reclocking ist sehr umstritten, da es sich bei den hautsächlich genutzten Schnittstellen mit USB und LAN um asynchrone (USB ähnlich mit Isochron) Datenübertragungen handelt. In diesem Fall wird das Datenpaket aus dem internen Speicher entnommen und mit der Clock im DAC neu getaktet. Siehe auch: Die Taktung bei der Datenübertragung.

Allerdings berichten viele über Klangsteigerungen mit externen Clocks. Die Theorie dahinter ist, dass Clocks einen niederfrequenten Jitter (genannt Wander) sogar über Lichtwellenleiter an den DAC Chip weitergeben können und diesen in seiner Leistung beeinträchtigen.

Deshalb kommt es bei den Clocks auf niedrigstes Phasenrauschen im Bereich zwischen 1Hz und 10Hz an. Nemen wir als Beispiel Mutec REF10. Bei 10 Hz liegt das Phasenrauschen bei sehr guten -145 dBc/Hz. Gute Clocks sind extrem teuer, deshalb Vorsicht bei preiswerten OCXO Clocks! Siehe auch: Neue Thesen zum Reclocking.

Überblick audiophile PCIe-Karten

Vergleichskriterien

In der Tabelle wurden nur Karten mit direkten Anschluss an die PCIe-Slots (x1-x16) des Motherboards aufgenommen. Es gibt außerdem Karten mit einem kabelgebundenen Umweg über USB oder m.2 Slot von z. B. SOtM, welche für den fis Audio PC aufgrund vorhandener PCIe-Slots nicht erforderlich sind. Karten mit  I²S-Schnittstelle oder S/PDIF-Schnittstelle von z. B. Pink Faun sind ebenfalls nicht in der Liste enthalten, da die Anschlüsse technischen Einschränkungen unterliegen.

Tabelle

Das Phasenrauschen der Clocks wird nur angegeben, wenn bekannt. Neu hinzugekommen sind JCATs Master-OCXO-Clock-Upgrade für die JCAT USB Card XE, Pink Faun USB bridge V2 und SOtM tX-USBx10G.

Zusammenfassung

Mit den PCIe-Karten bist du sehr flexibel und kannst die nicht audiophilen Computeranschlüsse umgehen.

Die fis Audio PC Alu Rückblende für HDPLEX H5 Chassis sichert deiner PCIe-Karte einen stabilen Halt. Vermeide Riser Kabel, denn kein Kabel ist das beste Kabel. Den Ripple vom Computer umgehst du entweder mit einer galvanischen Trennung per LWL (Lichtwellenleiter) oder mit einer externen Stromversorgung durch ein lineares Netzteil. Beim Reclocking achte auf Clocks mit geringstem Phasenrauschen.

Einleitung

Viele fragen sich was der ganze Hype um Upsampling und DSD soll? Was viele nicht wissen ist, dass der eigene DAC oft ein Oversampling intern durchführt. Bei den weit verbreiteten Delta Sigma Chips im DAC erfolgt dann sogar vor der Wandlung in Analog eine Konvertierung in DSD.

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.

In diesem Newsletter wollen wir uns die typische Arbeitsweise eines DACs anschauen. Mit diesem Wissen erörtern wir die möglichen Vorteile des Upsamplings am Beispiel des HQPlayers. Und weil die Theorie ohne Praxis nichts wert ist, sehen wir uns zum Abschluss einige Messungen an.

Delta-Sigma-DAC

Beispiel ohne externes Upsampling (DAC OS PCM 44.1k)

Im Eingangsbild oben habe ich drei verschiedene Workflows von der typischen Signalverarbeitung in Delta-Sigma-DACs erstellt, auf die ich nachfolgend eingehe. Aus den Workflows ist zu erkennen, wie einzelne Bearbeitungsstufen des DACs umgangen werden und diesen in seiner Arbeit entlasten können.

Nehmen wir als Quellmaterial eine Red Book Datei mit einer Samplingrate von 44,1 kHz. Diese 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). Oft kann der Anwender zwischen verschiedenen (einfachen) Filtern wählen.

II DAC-Chip 2. Oversampling-Stufe

Je nach DAC Design erfolgt eine zweite sehr vereinfachte Abtastratenberechnung zum Beispiel mit dem 16fachen der 1. Oversamplingstufe, um für den Modulator in den Megahertzbereich zu kommen. Dies geschieht meist durch einfache Interpolation oder durch das Kopieren von Samples. Die Hochrechnung erfolgt ohne Filterung.

III DAC-Delta-Sigma-Modulator 

Das Prinzip der Delta-Sigma-Modulation beruht auf einer zunächst groben Messung des Signals (Quantisierer). Der dabei entstehende Messfehler wird integriert und über eine Gegenkopplung schrittweise kompensiert. Die Schritte werden sehr häufig durchgeführt, beispielsweise mit der 128-fachen Rate (Überabtastung) der Abtastrate der PCM-Daten, mit denen üblicherweise auf der digitalen Seite gearbeitet wird. Das Quantisierungsrauschen wird zu höheren Frequenzen verschoben (auch als Rauschformung oder engl. Noise Shaping bezeichnet). Heraus kommt ein Datenstrom namens DSD (Direct Stream Digital).

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. Im DAC werden oft Modulatoren niedriger Ordnung (3. Ordnung) eingesetzt.

Exkurs DSD

DSD (Direct Stream Digital) ist eine Methode der digitalen Audiosignalspeicherung und eine eingetragene Marke der Sony Corporation.

Erstmalig angewendet wurde das DSD-Verfahren hauptsächlich bei der Super-Audio-CD (SACD). Gespeichert wird dabei der direkte Datenstrom eines Delta-Sigma-Modulators (genauer das Ausgangssignal der Rückkopplungsschleife des Modulators), der mit 2,8224 MHz arbeitet. Das entspricht dem 64-fachen (DSD64) der Abtastrate von 44,1 kHz, die auch bei der Audio-CD (Red-Book-CDDA) verwendet wird, welche mit linearer 16-bit-Puls-Code-Modulation (PCM) arbeitet. Höher auflösende DSD-Versionen verwenden heutzutage eine bis zu 1024-fache Abtastung (DSD1024).

IV DAC-Chip D/A-Wandlungsstufe

Höhere Frequenzen mit dem Rauschen werden durch ein analoges Filter für den Analogausgang entfernt. Dieser analoge Filter ist immer vorhanden, auch bei NOS-DACs. Als Ergebnis wird ein analoges Signal erzeugt. Du kannst jetzt Musik hören.

Upsampling mit HQPlayer

Beispiel mit externen Upsampling (DAC OS PCM 705,6k)

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 oder eine externe Software. Bei letzterem denkt der DAC dann, dass es sich um eine HiRes-Aufnahme handelt.

In unserem Beispiel schicken wir dem DAC 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 führt ein Upsampling auf 16fs (705,6 kHz) durch. Der DAC Eingang muss natürlich dafür geeignet sein. Das Ziel ist, mit der richtigen Samplingrate das DAC interne Oversampling zu umgehen.

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 modernen DACs werden typischerweise mit 32 Bit und in älteren DACs 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, die sie verwenden können.

Das Filterdesign im HQPlayer ist deutlich umfangreicher und ist von sehr hoher Qualität, siehe Grundlagen Audio PC: HQPlayer Filtereigenschaften.

II DAC-Chip 2. Oversampling-Stufe

Je nach DAC Design erfolgt nun wieder eine zweite sehr vereinfachte Abtastratenerhöhung ohne Filterung, um in den Megahertzbereich zu kommen.

Aufgrund der sehr hochwertigen ersten Upsamplingstufe durch den HQPlayer kann die oft sehr einfache filterlose DAC-Chip Interpolation der zweiten Stufe keinen großen Schaden mehr anrichten.

III DAC-Delta-Sigma-Modulator 

Hier erfolgt die Umwandlung in DSD wie oben beschrieben.

IV DAC-Chip D/A-Wandlungsstufe

Auch dieser Vorgang erfolgt unverändert wie oben beschrieben,

Beispiel mit externen Upsampling (DAC NOS DSD256)

Wer das externe Upsampling 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: Audio PC Upsampling – unverbindliche Liste von NOS-DACs.

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

I Audio PC HQPlayer Upsampling DSD

Der HQPlayer erledigt drei Stufen auf einmal. Es erfolgt ein Upsampling auf die gewünschte DSD Rate mit den hochwertigen vom Anwender ausgewählten Filter, gegebenenfalls ergänzt um Faltungsfilter für die Raumkorrektur oder andere Einstellungen. Wer zum Beispiel die Signale vom Plattenspieler digitalisiert, spart sich die Phono Vorstufe und setzt im HQPlayer den RIAA Filter.

Die Begrenzungen im DAC-Chip mit seiner Abtastrate von oft 11,2 MHz (DSD128) und einem Modulator 3. Ordnung wird ersetzt durch den HQPlayer mit einer Abtastrate bis zu 49 MHz (DSD1024) und hochpräzisen EC-Modulatoren 7. Ordnung.

Der Schöpfer vom HQPlayer sagt, nur 50% der Leistung kommt von den digitalen Filtern. Die anderen 50 % stammen aus dem Modulatordesign.

II DAC-Chip D/A-Wandlungsstufe

Der DAC wird von viel Arbeit entlastet und führt nur noch seine Haupaufgabe durch. Nämlich die Digital zu Analog Wandlung. Das Ergebnis kann sich oft im wahrsten Sinne des Wortes Hören lassen. Hier folgt ein Zitat (übersetzt) eines HQPlayer Nutzers:

Mein Verständnis, das auf Hörerfahrung basiert, ist, dass ein präziseres Verarbeitungsergebnis zu
– 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,
führen.

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

Dem habe ich nichts hinzuzufügen.

Messungen

Beispiel 44,1k PCM-Eingang vs. DSD256-Eingang (ASDM7ECv2) iFi NEO iDSD

Interessant ist, ob sich die theoretischen Vorteile und die Hörberichte mit den Messergebnissen decken. Ergänzend möchte ich festhalten, dass die Messungen von Signalyst stammen.

Als DAC dient NEO iDSD (ifi-audio.com) und die Quelle ist der HQPlayer. Es handelt sich um einen 1-kHz-THD-Test.

44,1k PCM Eingang

Hier erfolgt ausschließlich die interne DAC Verarbeitung. Gut zu erkennen sind die zahlreichen Ausfransungen.

DSD256 Eingang

Das Upsampling und die Delta-Sigma-Modulation werden vom HQPlayer übernommen. Die Ausfransungen sind deutlich minimiert.

Beispiel 44,1k PCM-Eingang vs. DSD256-Eingang Marantz SA-12SE

Hier schließt sich ein Test mit dem DAC Marantz SA-12SE (marantz.com) an.

44,1k PCM Eingang

Die interne DAC Verarbeitung führt wieder zu zahlreichen Ausfransungen und zu einem leichten Anstieg zu den höheren Frequenzen.

DSD256 Eingang

Das Upsampling und die Delta-Sigma-Modulationvom HQPlayer führen zu deutlich verminderten Ausfransungen und zum linearen Rauschpegel.

Beispiel R2R DAC HoloAudio NOS DAC

Bisher hatten wir uns Delta-Sigma-DACs angesehen. Hier folgt ein R2R Ladder DAC. Ich weiß nicht genau, ob es dieser DAC ist: HoloAudio – Spring 3 DAC Level 2 (R2R – DSD1024) • Magna Hifi. Das Design ist jedoch bei den HoloAudio DAC-Varianten ähnlich.

Es ist ein vollständig diskreter R2R-Audiodecoder und hat keinen handelsüblichen DAC-Chip! Holo Audio unterstützt DSD nativ als R2R DAC, PCM davon getrennt. Dabei handelt es sich nicht um die DSD, die vor dem Digital-Analog-Wandler in PCM umgewandelt wurde, sondern direkt durch die diskreten Komponenten des DSD-Digital-Analog-Wandlers. Ich selbst hatte einen ARMATURE Asterion (Holo Spring) R2R Balanced XLR DAC (24bit/384khz DSD512) und war begeistert.

44,1 kHz PCM Eingang, 0 – 22,05 kHz Sweep-Ausgabe ohne Digitalfilter

Die Sweep-Ausgabe mit 0 – 22,05 kHz (Nyqist Grenzfrequenz) ohne Digitalfilter präsentiert eine große Streuung. Die Rekonstruktionsgenauigkeit liegt bei etwa 4 Bit.

705,6k PCM Eingang

Gleiche Quelle, aber mit Upsampling auf 705,6 kHz mit deutlich besserer Rekonstruktionsgenauigkeit ca. 13 Bit.

DSD32 Eingang

Und mit Upsampling auf 1,4112 MHz liegt die Rekonstruktionsgenauigkeit bereits bei etwa 18 Bit.

705,6k PCM Eingang mit 24 Bit

Es sind noch einige Ausfransungen zu erkennen.

705,6k PCM Eingang mit 20 Bit und TPDF-Dithering

Besser wird es, wenn im HQPlayer durch die Kombination von Upsampling mit geeigneter Wortlänge und Noise-Shaper zur Linearisierung der Konvertierungsstufe die Low-Level-Linearitätsfehler korrigiert werden, die für R2R inhärent sind. Hier wurde TPDF-Dithering als Rauschformer verwendet und die Wortlänge auf 20 Bit reduziert. Die Verzerrungskomponenten sind bei diesem DAC verschwunden!

Zusammenfassung

Die digitale Audiosignalverarbeitung besteht nicht nur aus 0/1 Bits. Es kommt wie so oft auf die Umsetzung an. 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.

Das funktioniert am besten mit NOS DACs. Der deutsche Hersteller T+A empfiehlt sogar ein externes Upsampling mit einem leistungsstarken Audio PC. Der T+A SD(V) 3100 HV DAC hat dafür sogar extra eine Schnittstelle für den HQPlayer (NAA – Network Audio Adapter) eingebaut bekommen.

Die Messergebnisse unterlegen mit niedrigeren Störpegel und höherer Dynamik die klanglichen Vorteile.

Einleitung

Oft werde ich gefragt, warum im fis Audio PC die teure Flaggschiff CPU Intel® Core™ i9-13900K verwendet wird. Die Gründe sind vielfältig. Zu nennen sind unter anderem die ultimativen Upsamplingfähigkeiten, bessere Kühlleistung, Silicon Lottery und einfach ein störungsfreieres Hören, siehe nächstes Kapitel Grundlagen.

Es gibt meines Wissens keinen anderen lüfterlosen Audio PC, welcher mit der höchsten CPU Produktreihe angeboten wird. Die meisten halten sich mit genauen Angaben sehr bedeckt. Ich lege immer alles offen.

Und nun steht ein Intel Core i9-14900K in den Startlöchern. Lass dich überraschen, was ich herausgefunden habe und ob dieser Core demnächst für den fis Audio PC angeboten wird.

Der Vollständigkeit halber möchte ich erwähnen, dass ich auch einen Vergleich Intel vs. AMD Prozessoren durchgeführt habe. Mein Fazit war für AMD nicht berauschend.

Grundlagen

Upsamplingfähigkeiten

Viele sind gegenüber dem Upsampling skeptisch eingestellt und bringen als Argument, dass das Hochrechnen der Samplingraten keine neuen Informationen aufdecken kann, die in der Quelle nicht vorhanden sind. Darum geht es auch nicht, sondern das Original soll bestmöglich reproduziert werden. Denn die von den Musikern analog gespielte Musik, welche in digitaler Form umgewandelt wurde, muss dich als Musikhörer wieder analog erreichen. Und da gibt es durchaus Verbesserungspotenzial.

Moderne Aufnahmen sind häufig von Loudness War und fehlerhafter Analog zu Digital Konvertierung (ADC) gekennzeichnet. Hier können apodisierende Filter helfen. Außerdem kann das Upsampling den DAC in seiner Arbeit entlasten und ihn in seinem Sweet Spot betreiben. Die Umwandlung von PCM (Puls-Code-Modulation – Wikipedia) in DSD (Direct Stream Digital – Wikipedia) kann digitale Schärfen deutlich vermindern. Es gibt sogar DAC Hersteller wie T+A, welche einen leistungsstarken Computer ausdrücklich empfehlen. Mehr Infos findest du in den Grundlagen: Audio PC Upsampling.

Während das Usampling von PCM für moderne CPUs leicht bewältigt werden kann, ist es bei der Konvertierung von PCM zu DSD schon anders. Nicht nur die Samplingraten im Megahertzbereich fordern die CPU, sondern vor allem die Modulatoren (Deltamodulation – Wikipedia). Der HQPlayer ist führend im Design hochentwickelter Modulatoren, die oft (je nach Quellrate und Filter) eine Taktfrequenz von 4GHz je Kanal erfordern.

Kühlleistung

Die Kühlung von Chips ist immer ein Problem, besonders wenn die Kühlung passiv erfolgen soll. Siehe auch mein Beitrag: Welche Nachteile haben Lüfter in Audio PCs?

Gegen Hochleistungsprozessoren wie dem Intel® Core™ i9-13900K wird oft die hohe TDP (Thermal Design Power) von 125W (Turbo bis 253W) angeführt. TDP ist die maximale thermische Verlustleistung generiert von einem Chip (wie einer CPU), auf deren Grundlage eine Kühllösung konzipiert wird. Wichtig: Dabei handelt es sich um einen nominellen Wert. Die TDP sagt jedoch nichts über den tatsächlichen Energieverbrauch aus!

Bei einem Upsampling von PCM auf DSD1024 liegt die Stromaufnahme beim fis Audio PC bei durchschnittlich 60W-70W. Siehe mein Newsletter: Erfahrungsbericht fis Audio Server mit FARAD Super10. Es wird somit nicht das ganze Potenzial der CPU genutzt, was auch beabsichtigt ist. Stell dir vor du fährst bei Tempo 130 mit einem Vierzylindermotor über die Autobahn. Und steigst dann um auf einen Sechszylinder und fährst mit der gleichen Geschwindigkeit. In welchem Fahrzeug sind Laufruhe und Beschleunigungsreserven besser?

Trotzdem ist bei Werten von 70W die passive Kühlung immer noch eine Herausforderung. Auch hier hilft eine bessere CPU-Qualität. Bei Intel Prozessoren mit dem Zusatz „K“ ist der Prozessor (CPU-Die) mit dem Heatspreader verlötet und kann daher besser gekühlt werden.

Silicon Lottery^*

Die Silicon Lottery bezieht sie sich darauf, dass innerhalb derselben Modellreihe von CPUs aufgrund natürlicher Variationen in den Fertigungsprozessen einige Prozessoren bessere Eigenschaften aufweisen können als andere.

Auswirkungen auf die Prozessoren

Diese Unterschiede können sich auf verschiedene Aspekte beziehen, wie zum Beispiel:

• Leistung
  Einige CPUs innerhalb einer Modellreihe können bessere Leistungseigenschaften aufweisen als andere.
• Energieeffizienz
  Einige CPUs können effizienter arbeiten und weniger Energie verbrauchen als andere, selbst wenn sie dasselbe Modell sind.
• Übertaktbarkeit
  Einige CPUs lassen sich besser übertakten als andere, was bedeutet, dass sie höhere Taktraten erreichen können.
• Funktionseinschränkungen
  Einige CPUs weisen nicht alle erforderlichen Eigenschaften der Top-Reihe aus. So könnte einer der Kerne oder die integrierte Grafikeinheit fehlerhaft sein.

Auswertungen zur Silicon Prediction (SP)

Zu diesem Thema passt eine Auswertung von igor’s LAB zur sogenannten Silicon Prediction (SP) – also Silizium-Prognose. Im Bild unten wurden für 132 Intel i9-13900K Cores die SP-Werte ermittelt. Der Durchschnitt liegt bei 99,6. Die Spreizung ist mit dem schlechtesten Wert von 81 bis zum besten Wert von 114 sehr hoch!

Immerhin hinterlegt Intel für jeden einzelnen Chip eine spezielle V/F Kurve. Diese Kurve definiert, wie viel Spannung bei welchem Takt beim Mainboard angefordert wird (SVID). Damit werden die fertigungsbedingen Toleranzen ausgeglichen und sichergestellt, dass jede CPU stets stabil und zugleich möglichst kühl und effizient betrieben wird. Eine höhere Spannung bedeutet jedoch auch, dass mehr Kühlleistung erforderlich wird und das Netzteil mehr leisten muss.

Als kleine Manufaktur können wir schlecht hunderte CPUs kaufen und die Besten im fis Audio PC einsetzen. Jedoch prüfen wir jede CPU auf eine unbeschädigte Versiegelung und auf einwandfreie Kontakte. Und wir stellen mit umfangreichen (Hör-)Tests sicher, dass der verwendete Prozessor die geforderten Upsamplingraten ausführen kann.

Werden fehlerhafte höhere Produktreihen für niedrigere Produktreihen eingesetzt?

Möglicherweise können Prozessoren, die nicht die Anforderungen für ein bestimmtes Top-Modell erfüllen, neu konfiguriert werden, um in niedrigeren Produktlinien verwendet zu werden. Dies könnte bedeuten, dass ein Prozessor, der aufgrund eines defekten E-Cores zum Beispiel nicht die Anforderungen für einen i9-13900 Prozessor erfüllt, stattdessen in einer i7-13700 Produktlinie eingesetzt wird, weil hier weniger Kerne erforderlich sind.

Es sind Spekulationen und es ist im Grunde nicht verwerflich, wenn die Spezifikationen der unteren Produktreihe erfüllt werden. Aber sicher ist es besser mit der obersten Produktreihe zu arbeiten, da diese Durchreichung nach unten (sofern es wirklich so gemacht wird) nicht möglich ist.

Störungsfreieres Hören

Von Gegnern moderner Hochleistungs-CPUs wird oft das elektrische Rauschen angeführt, welches den Klang beeinträchtigt. Das ist bis zu einem gewissen Grad richtig. In der Tat werden sogenannte Einplatinen Computer wie Raspberry Pi – Wikipedia als Endpunkte vor dem DAC eingesetzt. Der HQPlayer stellt zum Beispiel für sein Übertragungsprotokoll NAA (Network Audio Adapter) ein kostenfreies Programm zur Verfügung.

Nur kannst du mit diesen einfachen Computern schlecht umfangreiche Musikbibliotheken verwalten oder ein Upsampling durchführen. Außerdem mehren sich Berichte, dass leistungsfähigere Computer einfach einen besseren Klang ermöglichen. Siehe zum Beispiel ein Bericht von Nenon:

Ich werde keine Namen nennen, aber jedes Mal, wenn ich heute einen Server höre, auf dem Roon ausgeführt wird und der von schwachem Celeron oder Pentium angetrieben wird, kann die Präsentation, die ich höre, sauber klingen, klingt aber auch dünn und steril. Für mich gibt es einfach kein Zurück und ich vermute, dass diese Unternehmen, sobald sie ihre eigenen Tests durchgeführt haben, anfangen werden, CPUs mit höherer Leistung einzubauen.

A novel way to massively improve the SQ of computer audio streaming – Page 616 – Music Servers – Audiophile Style

Oder ein Bericht von Topk

Hochleistungs-CPUs klingen voller, schwerer, entspannter, analoger und detaillierter als CPUs mit weniger Leistung (ich persönlich habe 3700x vs 3900x ausprobiert). Dies ist ein sehr klarer, sehr starker Unterschied. Ich würde die CPU mit der höchsten Leistung für Audio-PCs nur nach persönlichen Tests verschiedener CPUs mit unterschiedlichen Leistungsstufen empfehlen. Geringere Leistung = dünnerer Klang. Einfach.

Building a DIY Music Server – Page 81 – Music Servers – Audiophile Style

Die mögliche technische Erklärung liegt darin, dass kleinere Prozessoren schnell gestresst sind. Wenn sie bis zum Anschlag arbeiten, werden sie aufgrund der Wärmeentwicklung gedrosselt. Geringste Latenzen sind nicht mehr umsetzbar.

Die Kunst liegt in der Auftrennung in einen Control PC (für die Speicherung, Verwaltung und Steuerung der Musik) und in einen Audio PC (für das Upsampling und Rendern). Der Control PC kann auch ein NAS sein, während der Audio PC die Hochleistungs-CPU beinhaltet. Siehe Grundlagen: Audio PC & Control PC.

Damit das elektrische Rauschen nicht zum DAC durchschlägt, empfehle ich PCIe-Karten mit zum Beispiel galvanischer Trennung (Solarflare Glasfaser Kit) oder rauschfreier Stromversorgung wie die JCAT USB/NET Karten.

Fertigungsarchitektur

 Nach Moore’s law verdoppeln sich die Transistoren alle 2 Jahre.

Fertigungsprozesse

Damit das umsetzbar ist, wird die Transistordichte auf den Prozessoren immer weiter erhöht. 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.

Intel Raptor Lake

Raptor Lake ist Intels Codename für die 13. Generation von Intel-Core-i-Prozessoren, die mit der Intel-7-Fertigungstechnologie hergestellt wurden. Der Nachfolger ist Raptor-Lake-Refresh und wird noch dieses Jahr als 14. CPU-Generation angeboten. Arrow Lake (vermutlicher Herstellungsprozess Intel 20A – 3 nm) für den Desktop und Meteor Lake für Notebooks kommen frühestens im Jahr 2024.

Prozessorsockel

Der Sockel 1700 (auch als LGA1700 bezeichnet) ist ein Prozessorsockel für Intel-Desktop-Prozessoren mit Alder-Lake- und Raptor-Lake-Mikroarchitektur (die 12. und 13. Generation der Intel-Core-Prozessoren).

Er ersetzte die Sockel 1151/1200 und besitzt 1700 hervorstehende Pins für die Kontaktflächen des Prozessors. Im Vergleich zu seinem Vorgänger besitzt er 500 Anschlusspins mehr, sodass sich die Abmessungen von Sockel und Prozessor vergrößerten. Auch der Nachfolger Raptor-Lake-Refresh wird den Sockel 1700 haben, so dass bestehende Motherboards weiter genutzt werden können.

Erst bei Arrow Lake Prozessoren wird es einen neuen LGA 1851-Sockel geben. Mit der Einführung ist frühestens im Jahr 2024 zu rechnen. Damit wird die Anschaffung neuer Motherboards unumgänglich.

Intel Raptor-Lake-Refresh

In der Tabelle unten habe ich die bisher im fis Audio PC eingesetzten CPUs mit Intels neuen i9-14900K verglichen.

Technische Unterschiede zwischen i9-14900K und i9-13900K

Wie schnell zu erkennen ist, sind die Unterschiede vom i9-14900K zum Vorgänger i9-13900K sehr gering. Zu nennen sind

• Steigerung des Basistakts um 0,2 GHz auf 3,2 GHz
• Der Turbo erhöht sich ebenfalls um 0,2 GHz auf 6 GHz

CPU-Benchmarks

In der Tabelle sind unten die Benchmarks bei der Rechenleistung angegeben. Während es von der 9. Generation zur 12. Generation einen sehr großen Sprung gab und sich anschließend mit der 13. Generation mit rund 30% mehr Leistung fortsetzte, fällt die Leistungssteigerung zur 14. Generation doch sehr bescheiden aus.

Die Angaben schwanken. Einmal hier: Core i9-14900K: Intels neues Flaggschiff ist in CPU-Z nur bis zu 9 Prozent schneller (pcgameshardware.de)

Und hier: Intels interne Performance Projektion für Raptor Lake S Refresh und Arrow Lake S – So schnell könnten CPU und iGP werden | Exklusiv | igor´sLAB (igorslab.de). Da werden für Raptor Lake Refresh intern zwischen ein und zwei Prozent mehr Performance zugestanden, die maximal aus der Taktsteigerung resultieren. Die Taktsteigerungen im Turbo sind für den fis Audio PC nicht wichtig, da die Taktrate sowieso bis max. 4,4 GHz beschränkt bleibt. Sonst werden der Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung zu hoch.

Vergleichstabelle i9-14900K zu i9-13900K zu i9-12900K zu i9-9900K

Zusammenfassung

Den fis Audio PC zeichnen ultimative Upsamplingfähigkeiten, eine hervorragende Kühlleistung und störungsfreies Hören aus. Damit das so bleibt, werden CPUs der obersten Produktreihe eingesetzt. Auch um das Risiko der Silicon Lottery zu minimieren.

Bei Intels Raptor-Lake-Refresh haben wir uns die technischen Unterschiede zwischen i9-14900K und i9-13900K angesehen, die sehr gering ausfallen. Auch der Leistungszuwachs ist bescheiden. Wenn mit der Produkteinführung im Oktober 2023 nicht noch etwas entscheidendes passiert, bleibt es beim bewährten i9-13900K für den fis Audio PC.

Erst bei den Arrow Lake Prozessoren wird es mit den neuen LGA 1851-Sockel und dem verbesserten Fertigungsprozess (höhere Transistordichte) interessant. Da dürfte sich ein Wechsel lohnen, aber bis dahin wird noch einige Zeit vergehen.

Einleitung

Beim fis Audio PC legen wir größten Wert auf eine rauschfreie und stabile Stromversorgung. Jedoch ist die Stromversorgung immer nur so gut, wie die anderen Geräte mit dem Potenzialausgleich zusammen harmonieren.

Eine kostenlose Lösung den Potenzialausgleich zu optimieren, besteht im sogenannten Ausphasen. Damit wird die richtige Steckerstellung bestimmt.

Das Ausphasen als alleinige Maßnahme ist nur dann zielführend, wenn die Anschlussnormen von den Herstellern eingehalten werden. Manchmal ist das nicht der Fall. Dann hilft nur das Messen. Die hier vorgestellte Multimetermethode darf nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden, da Menschen zu Schaden kommen können!

Grundlagen

Sinn und Zweck des Potenzialausgleichs^*

Elektrische Geräte können aufgrund unterschiedlicher elektrischer Spannungen Potenzialunterschiede aufweisen. Wenn diese Unterschiede groß genug sind, kann es zu gefährlichen Stromflüssen kommen, insbesondere in fehlerhaften Situationen.

Der Potenzialausgleich, auch bekannt als Erdung oder Erdungssystem, bezieht sich auf eine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen elektrischen Geräten, um sicherzustellen, dass sie auf dem gleichen elektrischen Potenzial liegen. Das Hauptziel des Potenzialausgleichs ist es, Gefahren durch unerwünschte elektrische Spannungen zu minimieren und ein sicheres Umfeld für Personen und elektrische Systeme zu schaffen. Im Stromkabel gibt es dafür den sogenannten Schutzleiter (PE).

Mögliche Auswirkungen auf das Nutzsignal

Eine potenzielle Störgröße mit klanglichen Auswirkungen stellt die Potenzialdifferenz zwischen dem Gehäuse und dem Schutzleiter dar. In der Regel ist die Signalmasse mit dem Gehäuse verbunden. Werden verschiedene Geräte mit jeweils unterschiedlichen Potenzialdifferenzen miteinander verbunden, fließen über die Signalmasseleitungen Ausgleichströme, die das Nutzsignal modulieren können. Es geht also darum die Potenzialdifferenz klein zu halten. 

Wechselstrom (AC – Alternating Current)

Bei einem Wechselstromsystem fließt der Strom periodisch in zwei Richtungen, hin und zurück, und ändert kontinuierlich seine Polarität. Die Bewegung des Stroms erfolgt aufgrund der Wechselspannung, die in der Regel in einer sinusförmigen Wellenform vorliegt. In einem solchen System spielen die Außenleiter, der Neutralleiter und der Schutzleiter unterschiedliche Rollen. Übliche Nennwerte der Netzfrequenz sind je nach Region verschieden und betragen 50 Hz (Europa, Teile von Asien) und 60 Hz (Nordamerika).

Stromkabelaufbau für Wechselstrom^*

Der Außenleiter (auch Phase genannt, L1 – Kabelfarbe Braun), ist der stromführende Leiter. In einem Wechselstromsystem gibt es normalerweise mehrere Außenleiter, welche die Energie vom Stromerzeuger zu den Verbrauchern transportieren. Diese Außenleiter sind normalerweise in einer Phase verschoben, was bedeutet, dass der Strom in jedem Leiter zu unterschiedlichen Zeiten seinen Höchst- und Nulldurchgang erreicht. Der Strom fließt abwechselnd in positive und negative Richtungen, je nachdem, wie sich die Polarität der Spannung ändert.

Der Neutralleiter/Nullleiter (N – Kabelfarbe Blau) führt den Strom vom Verbraucher zur Stromquelle zurück.Der Neutralleiter trägt dazu bei, eine stabile und gleichmäßige Spannungsversorgung in elektrischen Schaltungen sicherzustellen. Er ermöglicht es, dass die Spannung in einem Wechselstromsystem konstant bleibt, indem er den Rückfluss des Stroms sicherstellt.

Die Aufgabe des Schutzleiters (PE – Kabelfarbe Gelb/Grün) ist es die gefährliche Berührungsspannung am leitfähigen Gehäuse gegen Erde abzuleiten. Im Normalbetrieb sollte kein Strom im Schutzleiter fließen. Er wird nur im Falle eines Fehlers verwendet, wenn ein Gerät oder Gehäuse unter Spannung steht. In solchen Fällen fließt der Strom über den Schutzleiter zur Erde, was die Gefahr eines elektrischen Schlags für die Benutzer reduziert.

Die Gerätestecker

Steckverbinder sind international durch die IEC genormt. Einphasige Ausführungen sind in der Norm IEC 60320 festgelegt. Als Gerätestecker werden Steckverbinder mit Kontaktstiften bezeichnet, die direkt in die Endgeräte eingebaut werden. Daran passen die Netzleitungen mit der Gerätekupplung auf der einen Seite und einem Schutzkontaktstecker (Schukostecker) auf der anderen Seite.

Während die Gerätekupplung nur in eine Richtung in den Gerätestecker passt, kann der Schutzkontaktstecker gedreht werden. Dadurch wird dann auch die Phase vertauscht. Und genau diese Zufälligkeit, wo die Phase aktuell anliegt, ist das Problem!

Kaltgerätestecker (IEC-60320 C13/C14)

Kaltgerätestecker nach der Norm IEC 60320 C14 (DIN VDE 0625) werden für den Stromanschluss von Geräten verwendet, welche im Betrieb keine nennenswerte Wärme entwickeln. Die maximale Temperatur an den Verbindungsstiften des Steckers darf 70 °C nicht überschreiten. Der maximale Stromdurchfluss ist auf 10 A festgelegt. Bei HiFi-Geräten und Netzteilen ist der Kaltgerätestecker C14 sehr verbreitet. C13 ist die passende Gerätekupplung.

Ob ein Class A Verstärker keine nennenswerten Temperaturen entwickelt, darf natürlich bezweifelt werden. Aber hier geht es um die Verbindungsstifte.

Die Kaltgerätekupplungen/-stecker sind dreipolig, mit Außenleiter (Phase, L1 – Kabelfarbe Braun), Neutralleiter (N – Kabelfarbe Blau) und Schutzleiter (PE – Kabelfarbe Gelb/Grün). Blickt man von vorne auf den Gerätestecker, Schutzleiter PE oben, so ist gemäß Anschlussnorm der Außenleiter L (Phase) links. 

Kaltgerätestecker (IEC-60320 C19/C20)

Für mehr Strombedarf gibt es eine Kaltgerätesteckervariante für 16 A. Sie ist etwas größer und die Kontakte sind um 90° gedreht. Die Bezeichnung C19 beschreibt die Kupplung am Stromkabel, C20 den Einbaustecker am Gerät. Leistungsstarke Amplifier und Power Conditioners werden oft damit ausgestattet.

Exkurs: die Qualität von Netzleitungen

Wo hohe Ströme fließen, solltest du an der Qualität der Netzleitung nicht sparen. Es geht mir hier vor allem um die Stromleitfähigkeit und um die Minimierung der Übergangswiderstände bei Stecker und Kupplung.

Ich nutze natürlich die Netzleitungen von meinem Geschäftspartner Bernd von fis Audio. Besonders die fis BF Blackmagic Netzleitung > fis-audio.de haben es mir angetan. Die Ausführung mit Furutech FI-50 NCF (R)  Anschlüssen ist besonders gut.

Ausphasen

Warum das eigentliche Ausphasen oft nicht reicht

Wenn sich jeder Gerätehersteller an die Norm der C14/C20 Gerätestecker halten würde, dann ist die Phase immer links (du blickst von vorn auf den Gerätestecker und der PE Leiter ist oben). Leider ist das nicht immer so. Wer es richtig machen möchte, kommt um die Multimeter-Methode nicht herum.

Die Phase an der Steckdose bestimmen

Fangen wir mit dem einfachen Thema an. Mit einem handelsüblichen Phasenprüfer kannst du schnell feststellen, wo die Phase anliegt. Die Spitze des Phasenprüfers wird zur Messung an einen zu prüfenden Leiter in der Steckdose gehalten. Das andere Ende des Phasenprüfers wird mit einem Finger berührt. Ist der Steckdosenkontakt der ungeerdete Außenleiter L (Phase) leuchtet die Glimmlampe auf. Markiere die Phase an der Steckdose mit einem roten Punkt.

Die Phase an den verwendeten Netzleitungen bestimmen

Stecke dann das Netzkabel in die Steckdose und drehe den Schutzkontaktstecker entsprechend, bis an der Kupplung die Phase rechts leuchtet (du blickst von vorn auf die Kupplung und der PE Leiter ist oben). Das ist jetzt spiegelverkehrt zum Gerätestecker und führt gelegentlich zur Verwirrung. Wenn du die Kupplung von dir wegdrehst und in den Gerätestecker steckst, dann ist die Phase richtigerweise wieder links am Gerät. Markiere die Phase am Schutzkontaktstecker mit einem roten Punkt.

Multimetermethode

Wenn du dir sicher bist, dass sich deine Gerätehersteller an die Anschlussnormen halten, dann musst du nur noch die gekennzeichneten Schutzkontaktstecker mit der richtigen Phase in die Steckdosen stecken. An den Kupplungen kannst du nichts mehr falsch machen.

Wenn du Zweifel hast, dann besorge dir einen Multimeter und ein Isolierklebeband und folge den weiteren Schritten.

Am Netzkabel den Schutzleiter PE isolieren

Ab hier ist die geschulte Fachkraft gefragt, weil für die Dauer der Messung die Schutzklasse des Gerätes verändert wird und bei einem möglichen Gerätedefekt Lebensgefahr besteht!

Klebe beim Schukostecker die Schutzleiter sorgfältig und solide ab. Mit Tesafilm ist da nichts zu machen. Verwendete dafür ein dehnfähiges Isolierband. Wichtig ist, den Schutzkontakt an den Seiten einzukerben, z. B. mit einem Schraubendreher. Sonst reißt das Band beim einstecken ab.

Alternativ kannst du im Schukostecker vorübergehend den Schutzleiter (PE – Kabelfarbe Gelb/Grün) abschrauben und isolieren.

Kontrolliere mit einem Stromprüfer, ob Strom zwischen PE und Phase bzw. Neutralleiter fließt. Wenn nicht ist das Netzkabel für die Messung in Ordnung.

Geräte entkabeln

Mache die zu messenden Geräte stromlos, also entferne die Netzkabel!

Entferne alle Verbindungskabel (xlr-Kabel, USB-Kabel, LAN-Kabel, etc.), da du sonst die angeschlossenen Geräte mitmisst.

Multimeter einstellen

Verwende am besten ein Multimeter mit einer automatischen Einstellung des Messbereiches. Drehe den Schalter auf „V“ (Volt). Anschließend muss der Messbereich mit der roten Funktionstaste von „DC“ (Gleichstrom) auf „AC“ (Wechselstrom) gestellt werden. Die Bedienung kann bei anderen Multimetern abweichen.

Messung durchführen

Schließe jetzt das zu messende Gerät mit dem päparierten Netzkabel an den Strom an. Sei vorsichtig, denn der Schutzleiter ist ab. Beachte dabei die angebrachten roten Punkte. Diese müssen bei der ersten Messung deckungsgleich sein.

Ein Messkabel legst du an eine geerdete Stelle des Geräts, zum Beispiel an eine Geräteschraube.

Das andere Messkabel geht an den Schutzkontaktleiter einer freien Steckdose. Hier musst du natürlich eine Steckdose verwenden, die an der gleichen Stromleitung wie das zu messende Gerät hängt.

Notiere den Messwert. Drehe dann den Schukostecker, so dass die Phase wechselt und notiere diesen Wert.

Auswertung der Messergebnisse

Wenn du mehrere Geräte durchmisst, lohnt sich die Anlage einer Tabelle. In der Tabelle unten ist zu entnehmen, dass bis auf ein Gerät alle die Phase am Gerätestecker links haben, wie es der Norm entspricht. Denn dort wurde jeweils die geringste Spannung gemessen.

Beim letzten Gerät in der Liste ist es genau anders herum, was verwundert, da sonst bei den Geräten desselben Herstellers die Phase richtig ist.

Nun ist das kein Beinbruch. Die Phase wird bei den Geräten jeweils gekennzeichnet und die Netzkabel werden phasenrichtig angeschlossen.

Klangliche Auswirkungen

Teststellungen

Mein Geschäftspartner Bernd und ich wollten natürlich wissen, ob sich die ganze Mühe gelohnt hat. Dafür führten wir mehrere Tests durch.

Hörtest mit Geräten am jeweils niedrigsten Phasenwert 

Das war das Ziel der Operation und es hörte sich alles großartig und störungsfrei an.

Hörtest mit Geräten alle an Phase Links ausgerichtet

Diese Teststellung entsprach der Anschlussnorm.

Dabei musste ich zum Glück nur den Stecker vom letzten Keces P8 Single drehen. 

Bernd sagte sofort „Das Klangbild fällt ja zusammen“. Ich hatte da schon wesentlich mehr Mühe einen Unterschied zu hören. Aber in der Tat, es gefiel mir auch nicht. 

Hörtest mit der geringsten Spannungsdifferenz der Geräte zueinander

Wir haben auch eine andere These ausprobiert. Wenn die Geräte mit einer Netzleiste alle an derselben Steckdose hängen, dann könnte die Spannungsdifferenz zueinander wichtiger sein. Das Ziel ist ja, den Potenzialausgleich gering zu halten.

Beim Vergleich der Messwerte in der Tabelle liegen die geringeren Werte mit 53,2V (niedrigste Messung) bis 99,1V (höchste Messung) weit auseinander. Die maximale Differenz der Geräte zueinander beträgt 45,9V.

Werden die höchsten Messwerte gegenübergestellt, ist die Spreizung zwischen 112,2V bis 119,7V mit einer Differenz von maximal 7,5V sehr viel geringer. Entsprechend haben wir die Phase nach den höchsten Werten ausgerichtet.

Was sich in der Theorie als schlüssig anhörte war klanglich eine Katastrophe!

Zusammenfassung

Über die Erdung (Schutzleiter PE) fließen Ausgleichströme, die das Nutzsignal verändern können. Daher soll die Potenzialdifferenz bei den Geräten klein gehalten werden. 

Wenn sich alle an die Anschlussnorm nach IEC-60320 halten, ist das schnell gemacht. Mit einem handelsüblichen Phasenprüfer ermittelst du an der Steckdose die Phase und markierst sie. Drehe dann den Schukostecker so, dass an der Kupplung die Phase rechts anliegt (du blickst von vorn auf die Kupplung und der PE Leiter ist oben). Wenn du die Kupplung mit dem Gerätestecker verbindest ist die Phase am Gerät spiegelverkehrt links (du blickst direkt auf den Einbaustecker und der PE Leiter ist oben).

Wer sichergehen will, kann die Multimetermethode verwenden. Diese Methode darf nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden, da Menschen zu Schaden kommen können!

Die klanglichen Auswirkungen reichen bei richtiger Phase von störungsfrei oder bei falscher Phase bis subtil oder katastrophal schlechter. Und schlechten Klang will keiner haben.

Einleitung

Im Computerzeitalter der digitalen Datenübertragungen gibt es viele Möglichkeiten die Musikfiles zu transportieren. Das gelingt leider nicht immer störungsfrei. Manchmal ist die Bandbreite nicht ausreichend. Oder das elektrische Rauschen dringt bis zum DAC durch.

Mit diesem Newsletter möchte ich einen kurzen Überblick der heute gängigen Verfahren geben, aber vor allem den Blick auf die Zukunft richten.

Aktuelle Standards für den Audio Datentransport^*

Die Taktung bei der Datenübertragung

Synchrone Audiodatenübertragung

Bei der synchronen Übertragung werden Daten in einem festen Zeitintervall übertragen. Dies bedeutet, dass das Sender- und Empfängergerät zuvor synchronisiert werden müssen, damit die Daten korrekt empfangen werden können. Synchrone Übertragungen sind in der Regel sehr genau und eignen sich gut für Echtzeitanwendungen, bei denen ein konstantes Timing erforderlich ist, wie zum Beispiel bei Telefonanrufen.

Einer der größten Nachteile der synchronen Audiodatenübertragung ist die potenzielle Latenzzeit oder Verzögerung. Wenn die Übertragung nicht in Echtzeit erfolgt, kann dies dazu führen, dass Audioverzögerungen auftreten. Dies ist besonders problematisch in Anwendungen wie Echtzeit-Audioverarbeitung, Musikproduktion oder Videokonferenzen, wo eine geringe Latenzzeit entscheidend ist. Jitter bezieht sich auf unregelmäßige Schwankungen in der Ankunftszeit von Datenpaketen. Dies kann bei synchronen Übertragungen auftreten und zu Störungen im empfangenen Audiosignal führen. Jitter kann die Klangqualität beeinträchtigen und erschwert die Synchronisierung von Audioströmen.

Asynchrone Audiodatenübertragung

Bei der asynchronen Übertragung werden Daten ohne ein striktes Timing übertragen. Dies bedeutet, dass Sender und Empfänger nicht in einem festen Rhythmus agieren müssen. Asynchrone Übertragungen sind flexibler und können variable Wartezeiten zwischen den Datenübertragungen aufweisen.

Ein Beispiel für asynchrone Audiodatenübertragung ist die Verwendung von Dateiübertragungen über das Internet. Hier werden Audiodateien ohne regelmäßige Intervalle übertragen. Die Übertragung kann je nach Netzwerkbedingungen variieren, und es können Puffer verwendet werden, um Schwankungen in der Übertragungsgeschwindigkeit auszugleichen.

Der Empfänger taktet die Daten neu aus dem Puffer. Deshalb wird bei der asynchronen Datenübertragung häufig argumentiert, dass Jitter keine Rolle spielt. Dieser Meinung bin ich nicht, weil ein Reclocking deutliche Klangsteigerungen bringen kann. Siehe auch der Newsletter: Neue Thesen zum Reclocking.

Fehlerhafte Datenpakete werden über CRC-Prüfsummen erkannt und korrigiert. Reicht die Zeit dafür nicht mehr aus, kommt es zu Drop Outs.

Isochrone Audiodatenübertragung

Der isochrone Transfer ist für Daten geeignet, die eine konstante Datenrate benötigen. Der Unterschied zur asynchronen Übertragung liegt in einem Signal mit konstanten Intervallen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei übertragenen Frames ist stets gleich groß.

Bei USB ist die Übertragung mit einer CRC-Prüfsumme gesichert, wird aber bei einem Übertragungsfehler durch die Hardware nicht wiederholt. Daher kommt es bei fehlerhaften Datenübertragungen zum Knistern wie von einer Schallplatte. Isochrone Übertragungen werden zum Beispiel von der USB-Audio-Class benutzt, die bei externen USB-Soundkarten Verwendung findet.

Die Schnittstellen bei der Datenübertragung

USB (Universal Serial Bus)

USB-Anschlüsse werden häufig verwendet, um Audioinformationen zwischen Computern, digitalen Audiogeräten und Peripheriegeräten zu übertragen. Ein USB-Anschluss kann dazu verwendet werden, digitale Audiosignale von einem Computer an externe USB-DACs (Digital-Analog-Wandler) oder andere Audiogeräte zu senden.

Die erforderliche Datenrate ergibt sich aus dem Produkt des Abfrageintervalls und der Größe des Datenpuffers. Hi-Speed-Geräte können bis zu drei Übertragungen je Micro-Frame (125 µs) mit bis zu 1024 Byte ausführen (24.576 kB/s). USB 2.0 bietet eine maximale theoretische Bandbreite von 480 Mbit/s. Die Abtastraten können je nach DAC (Digital-Analog-Wandler) bis zu PCM 1536 und DSD 1024 gehen.

Bei USB-DACs (Digital-Analog-Wandler) ist die Datenübertragung isochron. Hierbei bestimmt der DAC die Taktrate und fordert Daten vom Quellgerät an.

LAN (Local Area Network)

Ein LAN ist ein Netzwerk, das Geräte in einem festgelegten Bereich miteinander verbindet. In Bezug auf Audio kann ein LAN verwendet werden, um Audiodaten zwischen verschiedenen Computern, Audiogeräten und Medienservern zu übertragen. Streaming von Audio über ein LAN ermöglicht es, Musik oder andere Audiodaten von einem zentralen Server oder einer Quelle an verschiedene Abspielgeräte im Netzwerk zu senden.

Bei herkömmlichen Gigabit-Ethernet-Verbindungen beträgt die Bandbreite bis 1 Gbit/s. Die Abtastraten können je nach DAC (Digital-Analog-Wandler) bis zu PCM 1536 und DSD 1024 gehen.

In Ethernet-Netzwerken erfolgt die Datenübertragung asynchron unter Verwendung der Empfängeruhren (Receiver Clocks). In einem Ethernet-Framesignal sind normalerweise Taktinformationen enthalten, die der Empfänger verwenden kann, um die Datenbits zu synchronisieren und sie korrekt zu interpretieren.

WLAN (Wireless Local Area Network)

WLAN bezieht sich auf drahtlose Netzwerke, die auf Funktechnologien basieren und Geräte über kurze Entfernungen miteinander verbinden. WLAN wird oft verwendet, um drahtlosen Internetzugang bereitzustellen, kann aber auch für drahtlose Audioübertragungen genutzt werden. Mit WLAN können drahtlose Audiogeräte, wie Lautsprecher oder Kopfhörer, Audiosignale von einem Sender (z. B. einem Smartphone, Computer oder einem zentralen Audioserver) empfangen.

Typischerweise kann Wi-Fi 6 theoretische Bandbreiten von mehreren Gigabit pro Sekunde erreichen, abhängig von den Geräten und den Umgebungsbedingungen. Die Abtastraten können je nach DAC (Digital-Analog-Wandler) bis zu PCM 1536 und DSD 1024 gehen.

S/P-DIF (Sony/Philips Digital Interface)

S/P-DIF steht für „Sony/Philips Digital Interface“ und bezieht sich auf eine Schnittstelle zur Übertragung von digitalen Audiosignalen zwischen verschiedenen Geräten. Dieses Format wird oft verwendet, um digitale Audiosignale von Quellgeräten wie CD-Playern, DVD-Playern oder Computern an Empfänger wie Verstärker oder AV-Receiver zu übertragen. S/P-DIF kann über verschiedene physische Verbindungstypen übertragen werden, darunter koaxiale Kabel, optische Kabel und BNC-Anschlüsse.

Die Bandbreite von S/P-DIF beträgt in der Regel 2 Kanäle mit 16 oder 24 Bit pro Abtastung und Abtastraten von bis zu 192 kHz. Dies ergibt eine maximale theoretische Bandbreite von 6,144 Mbit/s für einen Stereokanal mit 24 Bit und 192 kHz.

Die Wahl des Masters und Slaves hängt von der Gerätekonfiguration ab. In einem typischen Szenario ist das Gerät, das das Audiosignal sendet, der Master, während das Gerät, das das Signal empfängt, der Slave ist. Der Master bestimmt die Taktquelle für die Übertragung. Die Datenübertragung wäre dann synchron.

Coaxial (Koaxial)

Die koaxiale Verbindung ist eine der Möglichkeiten, S/P-DIF-Signale zu übertragen. Hierbei handelt es sich um eine elektrische Verbindung, bei der das digitale Audiosignal über ein koaxiales Kabel mit einem RCA-Stecker (Cinch) übertragen wird.

Koaxialkabel haben einen zentralen Leiter, der von einem Isolator umgeben ist. Um den Isolator herum befindet sich ein metallisches Geflecht (Schirmung), das wiederum von einer äußeren Isolationsschicht umgeben ist. Koaxialkabel haben eine bestimmte Impedanz, die in Ohm gemessen wird. Die Impedanz ist wichtig, um eine effiziente Signalübertragung zu gewährleisten und Reflexionen von Signalen zu minimieren. Die beiden häufigsten Impedanzwerte für Koaxialkabel sind 50 Ohm und 75 Ohm, die Kabelhersteller manchmal nicht einhalten. Koaxialverbindungen gelten als besonders empfindlich.

BNC (Bayonet Neill-Concelman)

BNC ist ein Steckertyp, der häufig für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen, einschließlich digitaler Audiosignale, verwendet wird. Er bietet eine sichere Verbindung und wird oft in professionellen Audio- und Videoanwendungen eingesetzt.

Optical TOS-Link (Toslink)

TOS-Link ist eine optische Verbindung für die Übertragung von digitalen Audiosignalen. Hierbei wird Licht durch ein optisches Kabel geschickt, um die Audiodaten zwischen den Geräten zu übertragen. Dieser Ansatz minimiert elektromagnetische Interferenzen und bietet eine saubere Signalübertragung.

AES-EBU (Audio Engineering Society – European Broadcasting Union)

AES-EBU bezeichnet einen Standard für die Übertragung von digitalen Audiosignalen über symmetrische XLR-Kabel. Diese Schnittstelle wird oft in professionellen Audioanwendungen verwendet und bietet eine höhere Störfestigkeit und bessere Signalqualität im Vergleich zu S/P-DIF.

Die Bandbreite hängt von der Auflösung (Bit-Tiefe) und der Abtastrate ab. Typischerweise kann AES-EBU eine Bandbreite von bis zu 192 kHz bei 24 Bit bieten.

Im Gegensatz zu S/PDIF ist AES/EBU oft für die synchrone Datenübertragung ausgelegt, was bedeutet, dass die Taktinformationen in den Datenstrom integriert sind, um eine präzise Synchronisation zwischen Sender und Empfänger sicherzustellen.

I²S (Inter-IC Sound)

Die I²S-Schnittstelle wurde von Philips für serielle digitale Audiodaten bei der Kommunikation zwischen ICs entwickelt. Die I²S-Schnittstelle wird typischerweise zur Übertragung digitaler Audiodaten im DAC verwendet. Zum Beispiel empfängt der USB-Audioprozessor im DAC die Daten und überträgt diese an die interne I²S-Schnittstelle. Die Schnittstelle besteht aus drei Signalleitungen, der Takt- (SCK), Daten- (SD) und der Word-Select-Leitung (WS). 

Manche DAC-Hersteller bieten einen I²S Input an. Bei der Belegung gibt es leider keine Standards! Oft werden HDMI- oder RJ-45 LAN-Anschlüsse verwendet. Die Abtastraten können je nach DAC (Digital-Analog-Wandler) bis zu PCM 1536 und DSD 1024 gehen.

Eine wesentliche Eigenschaft ist, dass diese Schnittstelle synchron ist. Dabei kann sowohl die Quelle, als auch der Empfänger den Takt erzeugen. Durch die vorhandenen Steuerleitungen wird auch die genaue zeitliche Ausrichtung der einzelnen abgetasteten Audiowerte festgelegt.

Bewertung heutiger Audio Übertragungs-Standards

Hier kommt es auf dein Zielbild an. Wenn du zum Beispiel gern Upsampling im Audio PC mit Roon oder dem HQPlayer machst, dann sind USB, LAN, WLAN oder I²S die erste Wahl. Bei den anderen Schnittstellen könnte die Bandbreite nicht ausreichen.

DSD wirst du bei S/P-DIF und AES-EBU nicht hören können, weil diese Schnittstellen nur PCM akzeptieren.

Grundsätzlich ist die asynchrone Datenübertragung robuster, weil aus dem Puffer die Daten wieder neu getaktet werden. Die asynchronen Schnittstellen sind USB (Besonderheit Isochron), LAN oder WLAN. S/P-DIF und AES-EBU übertragen in der Regel synchron. I²S-Schnittstellen übertragen das Taktsignal synchron auf einer eigenen Steuerleitung, während die Audiosignale auf anderen Leitungen übertragen werden. Deshalb sollen I²S-Kabel besonders kurz sein, weil sonst die Taktsignale verschmieren.

Wer eine galvanische Trennung möchte, kann TOS-Link, WLAN oder LAN mit LWL (Lichtwellenleiter) verwenden, wobei diese Übertragungsarten bei der Umwandlung in leitungsbasierte elektrische Signale selbst Störungen produzieren können.

Es gibt also nicht „den“ ultimativen Übertragungsstandard, sondern jede Schnittstelle hat ihre Stärken und Schwächen. Deshalb sind die Audio Industrie und auch der Audiophile nicht wirklich zufrieden und forschen weiter. Womit wir zum eigentlichen Thema kommen: Was gibt es neues bei der Audiodatenübertragung?

Neue Standards für den Audio Datentransport

Allgemeine Ziele

Eines der großen Probleme ist das elektrische Rauschen, welches verringert werden soll. Die Hauptursache ist die thermische Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Leiter. Diese thermische Bewegung erzeugt kleine, zufällige Spannungs- und Stromschwankungen, die als thermisches Rauschen bezeichnet werden. Dieses Rauschen tritt unabhängig von äußeren Einflüssen auf und ist ein inhärenter Aspekt elektrischer Systeme.

Weniger Jitter und Biterrors sind ebenfalls willkommene Ziele.

Geringe Bandbreite vs. hohe Bandbreite

100 MBit/s

Bisher versuchte man durch eine geringere Bandbreite (bei LAN z. B. 100 MBit/s) des Rauschen zu minimieren. Es gibt andere Meinungen dazu, dass eine geringe Bandbreite zu unregelmäßigen hohen Datenbursts führt. In der amerikanischen audiophilen Szene hat sich aus mehreren Gründen die Bevorzugung einer hoher Bandbreite durchgesetzt.

Ungeachtet dessen ist normalerweise eine Bandbreite von 100 MBit/s ausreichend. Bei einer CD sind es 1,41 MBit/s (44.100 Abtastrate x 16 Bit x 2 Kanäle = 1.411.200 Bits). Bei DSD1024 ist die Bandbreite jedoch am Limit: 90,32 MBit/s (44.100 x 1 Bit x 1024 x 2 Kanäle = 90.316.800 Bits). Da auch noch andere Daten (z. B. Steuerdaten) über die Leitung fließen, muss bei DSD1024 eine 1 Gigabit Leitung genutzt werden.

Der EtherREGEN Switch – UpTone Audio hat auf der B-Seite einen LAN-Port mit 100 MBit/s. Die meisten Nutzer vermuteten eine Absicht zur Verminderung des elektrischen Rauschens dahinter. UpTone Audio verneinte dies und verwies auf die damals mangelnde Teileverfügbarkeit, siehe Optical Network Configurations – Audiophilestyle.com. Der kommende EtherREGEN Gen2 wird dagegen auf beiden Seiten (A und B) 1 Gigabit haben.

1 GBit/s und 10 GBit/s

Aber es geht noch weiter. Und zwar von 1 GBit/s auf 10 GBit/s. Der Entwickler von UpTone Audio John Swenson verweist hier auf die besseren technischen Spezifikationen von SFP+ (Small Form-Factor Pluggable Plus) Transceivern, siehe Optical Network Configurations – Audiophilestyle.com. Geringerer Jitter und mutmaßlich weniger Rauschen wird eben auch erreicht, wenn diese 10G Transceiver nur mit 1G arbeiten!

Hier haben wir mit unserem XILINX (Solarflare) XtremeScale X2522 Glasfaser Kit, welches sogar bis zu 25 GBit/s ermöglicht, beste Erfahrungen gesammelt.

USB4

Erste Diskussionen finden in audiophilen Kreisen zum Thema USB4 statt, siehe Building a DIY Music Server – Audiophilestyle.com. USB4 ist die vierte Generation des Universal Serial Bus (USB) -Standards, der entwickelt wurde, um eine schnellere Datenübertragung und eine verbesserte Konnektivität zwischen verschiedenen Geräten zu ermöglichen.

USB4 bietet deutlich höhere Datenübertragungsraten im Vergleich zu früheren Versionen. Es unterstützt eine maximale theoretische Datenrate von bis zu 40 Gbit/s, was eine doppelte Steigerung gegenüber USB 3.2 Gen 2×2 (20 Gbit/s) darstellt.

USB 4 2.0 bietet sogar bis zu 80 Gbit/s oder asymmetrisch mit bis zu 120 Gbit/s in eine Richtung bei noch 40 Gbit/s in die andere Richtung.

Der Windows USB4-Verbindungs-Manager unterstützt das Ethernet-über-USB4-Interdomain-Protokoll, das auch als USB4NET bezeichnet wird. Auf diese Weise können zwei USB4-PCs eine Netzwerkverbindung untereinander herstellen, wenn sie mit einem USB4-Kabel verbunden sind, ähnlich wie beim Anschließen eines Ethernet-Kabels zwischen Netzwerkkarten auf zwei PCs. 

Es liegen jedoch noch keine Erfahrungen zur Audio Datenübertragung mit USB4 vor, zumal es bisher keinen DAC mit dieser Schnittstelle gibt.

kleinere Datenpakete / mehr Intervalle vs. große Datenpakete / weniger Intervalle

USB und LAN Puffereinstellungen

Im letzten Newsletter habe ich Tipps zu den Puffereinstellungen von USB und des Netzwerkadapters gegeben. Siehe: Wie stellst du die Datenpuffer bei USB und LAN richtig ein?

Die Botschaft war den geringstmöglichen funktionierenden Puffer einzustellen, da kleinere Datenpakete mit mehr Intervallen die Latenzen und Jitter, Packet loss und mutmaßlich das elektrische Rauschen vermindern.

TACD (Taiko Audio CPU Direct)

HIer kommen wir zu einer Innovation von Taiko Audio. Es wird eine neue PCIe-Card mit der Bezeichnung TACD (Taiko Audio CPU Direct) entwickelt. Diese Karte wird es meines Wissens nur für Taiko Audio Kunden geben, aber gewisse Informationen machen neugierig.

Bitte beachte, dass es sich um einen vorläufigen Informationsstand handelt und eventuell nicht alles so von Taiko Audio umgesetzt wird.

Auf der Downloadseite von Taiko Audio sind unter TACDA DAC & TACDD Interface Product Summary Beschreibungen verfügbar. Im What’s Best Forum hat der Geschäftsführer von Taiko Audio (Emile Bok) folgendes geschrieben (Auszug übersetzt):

Wir eliminieren „lediglich“ USB als Schnittstelle, da wir jetzt auf Einschränkungen dieser Schnittstelle stoßen. Es handelt sich also eher um eine Weiterentwicklung von USB-Audio.

Was derzeit passiert, ist folgendes (vereinfacht):

CPU-/Speicherdaten -> werden in USB-Datenblöcke übersetzt -> von einem USB-Sender ausgegeben -> über ein USB-Kabel transportiert -> von einem USB-Empfänger empfangen -> von einem USB-Audioprozessor im DAC in I²S umgewandelt

Was sich ändert, ist das:

CPU-/Speicherdaten -> werden unverändert über unsere Verbindung transportiert > von unserem Audioprozessor im DAC empfangen und in I²S umgewandelt

Die Einschränkungen, auf die wir bei USB-Audio stoßen, sind folgende:

USB sendet Datenpakete in einem Intervall von 125 Mikrosekunden, was einer Übertragungsrate von 8 kHz entspricht.

Im Extremfall sind wir mit all seiner Rechenleistung und unserem benutzerdefinierten USB-Treiber, der zu einer Einschränkung geworden ist, in der Lage, Daten in viel kleineren Intervallen zu senden, z. B. zwischen 500 und 1000 Mal kleiner. Warum ist das wichtig? Jedes Datenpaket erzeugt Rauschen, wenn es verarbeitet wird, so dass wir Rauschspitzen in Intervallen von 125 Mikrosekunden (bei 8 kHz) haben, Sie können dies tatsächlich deutlich hören, wenn Sie ein ungeschirmtes USB-Kabel in der Nähe von (ungeschirmten) Röhren verlegen. Wenn Sie dieses Intervall viel kleiner machen, einen kontinuierlichen Datenstrom mit einer sehr hohen Frequenz erzeugen, weit außerhalb des Audiobereichs, verwandelt er sich im Grunde in ein kontinuierliches Rauschen mit niedrigem Pegel bei sehr hohen Frequenzen, das leicht herausgefiltert werden kann. Und wir eliminieren 2 relativ laute USB-Controller. Die größten hörbaren Vorteile sind ein viel besserer Fluss in der Musikwiedergabe, viel schwärzere Hintergründe mit all den damit verbundenen Vorteilen, ein viel weicherer und weniger „abgehackter“ Klang, der sich vor allem in den oberen Mitten und hohen Frequenzen bemerkbar macht.

Taiko Audio SGM Extreme : the Crème de la Crème – What’s Best Forum

Hier sind die ersten Erfahrungswerte von Emile Bok (Auszug übersetzt):

 Ich führe derzeit 16-Bit-Aufnahmen etwa 250-mal „schneller“ aus (kleinere Datenpakete / Intervalle zwischen den Paketen) als USB (aufgrund seines 125uS-Paketintervalls) und arbeite etwa 1250-mal schneller.

… es klingt einfach expansiver, mit besserem Fluss, weniger kantig und ganz sicher weniger von allem, was die Leute mit „digitalem Sound“ assoziieren. 

Taiko Audio SGM Extreme : the Crème de la Crème – What’s Best Forum

Diese Lösung bedeutet, dass auch die DAC Hersteller den neuen Taiko Audioprozessor verbauen müssen. Solche Kooperationen gibt es auch in anders gelagerten Fällen. Zum Beispiel bei T+A, die im SDV 3100 HV den NAA (Netzwerk-Audio-Adapter) vom HQPlayer implementiert haben.

Alternativ wird voraussichtlich TACDA DAC + mit einem integrierten DAC (768 kHz, 24 Bit) und zwei RCA (Cinch) Ausgängen angeboten.

Meine Meinung zu TACD

Taiko Audio wird seinem Ruf als innovatives Unternehmen wieder gerecht. Emile Bok hat einen wichtigen Aspekt der Datenübertragung neu in den Fokus gerückt. Das es nämlich besser ist den Audiodatentransfer in sehr kleinen Paketen mit sehr vielen Intervallen (hohe Frequenzen) zur Rauschreduzierung durchzuführen.

Ob es dazu eines neuen Übertragungsstandards bedarf kann man kritisch hinterfragen. Denn die Möglichkeit kleine Datenpakete in hoher Frequenz zu versenden besteht ja heute schon. Und zwar mit LAN. Der Netzwerkkartenadapter ermöglicht dies durch die Einstellung des Puffers: je kleiner dieser ist, desto kleiner werden die Datenpakete. Cat6 mit 1G arbeitet mit einer sehr hohen Übertragungsfrequenz von bis zu 250MHz! Siehe unsere Grundlagen zum Audio PC Netzwerk.

Dazu dann die passende Netzwerkkarte wie XILINX (Solarflare) XtremeScale X2522 Network Adapter mit geringsten Latenzen und Jitter und dem guten Klang steht nichts mehr im Wege.

Bei USB können die Datenpakete durch die Puffereinstellungen ebenfalls verkleinert werden. Freilich bleibt die Frequenz wegen des 125uS-Paketintervalls bei 8kHz gleich. Bei dieser Verbindungsart kann TACD in der Tat eine Menge bringen. Andererseits kann USB4 eventuell auch dieses Problem lösen.

Was mir bei TACD nicht gefällt ist der proprietäre Lösungsansatz von Taiko Audio. Wer es nutzen will, wird wohl oder übel in den Taiko Audio Kosmos eintreten müssen. Der fis Audio PC vertritt eine andere Philosophie: die verwendete Hardware und die angebotene Software sind für jeden auf dem Markt frei erhältlich! Die genutzten Standards sind weltweit üblich und können jederzeit erneuert oder ausgetauscht werden.

Überblick über die neuen Trends

Zusammenfassung

Die heutigen digitalen Schnittstellen sind sehr vielfältig und haben ihre Stärken und Schwächen. In amerikanischen Foren hat sich die Erkenntnis mehrheitlich durchgesetzt, dass Schnittstellen mit hohen Bandbreiten wie 10G aufgrund besserer technischer Spezifikationen den Klang steigern. Auch wenn nur 1G genutzt wird. USB4 steckt für Audio noch in den Kinderschuhen

Kleinere Puffer in den USB- und LAN-Treibern reduzieren unter anderem das elektrische Rauschen. Diesen Punkt greift Taiko Audio mit seiner neuen Schnittstelle TACD (Taiko Audio CPU Direct) auf. Wird das Intervall viel kleiner gemacht, wird ein linearer Datenstrom mit einer sehr hohen Frequenz weit außerhalb des Audiobereichs erzeugt. Das bedeutet ein kontinuierliches Rauschen mit niedrigem Pegel bei sehr hohen Frequenzen.

TACD ist noch in der Entwicklung und wird nicht jeder nutzen können, weil es den passenden Taiko Server und DAC voraussetzt. Aber du kannst bereits heute von diesen neuen Erkenntnissen profitieren. Besorge dir PCIe-Karten mit 10G LAN wie zum Beispiel den  XILINX (Solarflare) XtremeScale X2522 Network Adapter oder USB Karten mit eigener (linearer) Stromversorgung und hochwertiger Clock zum Beispiel von JCAT. Stelle diese Schnittstellen auf den geringsmöglichen funktionierenden Puffer ein wie im letzten Newsletter beschrieben: Wie stellst du die Datenpuffer bei USB und LAN richtig ein?

Dann profitierst du von dem sprichwörtlich schwarzen Hintergrund, einer sensationellen Instrumententrennung und von einem analogen Klang.