Audioworkstation Extreme64 Test mit verschiedenen Audio-Interfaces

Im Rahmen der Entwicklung unseres Spitzensystems, der Audioworkstation Extreme64, haben wir Audio-Interfaces verschiedener Hersteller auf ihre Latenzwerte hin überprüft. Dabei haben wir einen Demosong in Cubase 6 64 Bit geladen und gemessen, mit welcher minimalen Latenz gearbeitet werden kann. Der Demosong bestand aus 38 Spuren mit Cubase eigenen virtuellen Klangerzeugern. Auf jeder dieser Spuren wurden vier Effekte geladen. Damit haben wir eine hohe CPU-Auslastung erzeugt, die Treiberprobleme in Form von Dropouts ("Knacksern") schnell offenlegt.


Die obige Tabelle gibt an, bis zu welcher im ASIO-Treiber eingestellten Latenzzeit, der Demosong bei einer CPU-Auslastung von 50…60% ohne Dropouts abgespielt werden kann. Die Ergebnisse wurden mit einem spezifischen Demosong produziert. Je nach verwendeter Software kann es zu abweichenden Werten kommen.

Kaum verwunderlich hat die RME HDSPe PCIe-Karte die Nase vorn. Der direkte Zugriff auf den Systembus erlaubt einen schnelleren Datenaustausch, als über USB oder Firewire. Dass dies jedoch kein grundsätzlicher Vorteil sein muss, zeigen die Werte der Karten von EMU. Wichtiger als die theoretischen Vor- und Nachteile der verschiedenen Schnittstellen sind sauber programmierte Treiber. RME, Focusrite, Avid und Akai zeigen, dass auch USB-Interfaces bei guten Latenzwerten zu betreiben sind.

Lange Zeit galt Firewire als die Profischnittstelle schlecht hin. Die theoretisch mögliche Datenbandbreite von FW400 liegt mit 400 MBit/s zwar etwas unterhalb der von USB 2.0 mit 480 MBit/s, allerdings sollte Firewire wegen des netzwerkartigen Aufbaus effizienter arbeiten. Bei Kopiervorgängen zwischen Festplatten konnte Firewire diesen Vorteil auch ausspielen. Aber auch hier zeigt sich, bei Echtzeitanwendungen wie Audio- und Videoübertragung spielen die Hardwaretreiber eine zentrale Rolle. Es gibt USB-Interfaces, die mit besseren Latenzwerten arbeiten, als so manches Firewire-Interface. Motu zeigt mit dem Audio Express ein Interface, das beide Schnittstellen mit gleichen Latenzwerten unterstützt. Das RME Fireface 400 ist nicht mehr erhältlich und wurde durch das Fireface UCX ersetzt. Dieses bietet nun integrierte DSPs und verfügt wie das Motu-Interface über einen Firewire- und einen USB-Anschluss.

Die Audioworkstation Extreme64 hat ausreichende Reserven, um auch massive Produktionen zu stemmen. Um die Leistung auch wirklich nutzen zu können, sollte auf ein gutes Audio-Interface geachtet werden. Neben Ausstattungsmerkmalen und Klangeigenschaften sind gute Treiber ein wichtiges Auswahlkriterium. Die Ergebnisse unseres Versuchs können Sie dabei als Richtfaden heranziehen.

Unter dieser Rubrik möchten wir einige Testmöglichkeiten aufzeigen, um ein gutes Audio-Interfaces von einem Schlechteren unterscheiden zu können. Ein häufig angesprochenes Thema ist dabei die Latenz. Es ist sehr wichtig diesen Begriff genauer zu definieren. 

Dies sind die wichtigsten Latenzarten:

• Bearbeitungslatenz der DAW Software oder des Plug-in Host bzw. Standalone Plug-in
• I/O Latenz auf Audiotreiberebene (z.B. ASIO, WDM, Core Audio)
• I/O Latenz auf Schnittstellenebene (z.B. PCIe, FireWire, USB)
• I/O Latenz auf Prozessoreben auf der Audiokarte, wie DSP etc.
• Latenz bei der AD/DA Wandlung
• Gesamtlatenz (Roundloop): Sequenzer spielt ab und nimmt gleichzeitig die selbe Spur wieder auf

Das ganze muss teilweise im Rahmen der, der DAW zugewiesen Interface-Latenz (z.B. Asio) berechnet werden. Oft spielt es dabei kaum eine Rolle, dass es Audio-Interfaces gibt, die auch bei 32 Samples arbeiten können, da der Host in diesem Rahmen nicht hinterherkommt, besonders wenn komplexe Plug-ins ins Spiel kommen.

Wir bitten an dieser Stelle zu entschuldigen, dass wir nicht an jeder Stelle ins Detail gehen werden. In diesem Blog stehen die Erfahrungen im Vordergrund, die wir im Laufe der letzten 10 Jahre durch "Trial and Error" gesammelt haben. Wer Treiber programmieren kann, wird sicher ein erweitertes Wissen haben.

In diesem Blog-Artikel geht vor allem es um die so genannte DPC Latenz, die maßgeblich von Prozessen abhängig ist, welche vom System nicht rechtzeitig ausgeführt werden können. Diese Prozesse ereignen sich in der Kernel-Ebene und verhindern einen reibungslosen Audio-Betrieb. In einigen Fällen kann durch die Erhöhung der Audio-Interface Treiberlatenz solche erheblich Fehler ausgleichen, in vielen Fällen hilft dieser Schritt nicht weiter.

Was passiert, wenn das Audiosignal "Knackser" hat? Ein schlecht programmierter Treiber kann in einem bestimmten Zeitrahmen einen Prozess nicht mehr ausführen, blockiert dabei alle weiteren Prozesse und so auch eine Echtzeitanwendung wie Cubase. Das führt ganz simpel zu einem Aussetzer, "Drop-Out" also einem Knackser. Das Gleiche passiert auch wenn der Fehlerkorrekturpuffer eines CD-Spielers überläuft.

Selbstverständlich sind die Treiber professioneller Audiointerfaces so programmiert, dass ein Puffer  nicht überläuft. Aber in einem komplexeren System wie einer DAW erzeugen die nicht echtzeitkritische Treiber wie Ethernet- oder Maustreiber oft erheblich Probleme. So ist das typische Durchschnitts- Notebook aus dem "Technik-Markt" für den Audio-Betrieb meist völlig ungeeignet. Mit etwas Glück kann man bei diesen Geräten durch Treiber Updates nachhelfen. Es gibt aber auch Computer, bei denen nur noch der Sondermüll hilft.

Um dieses Problem zu erkennen gibt es ein sehr einfaches Tool, den DPC Latency Checker

Hier ein Screenshot meines Macbook Air unter Windows 7:



Erzeugt ein Treiber auf Kernel-Ebene eine zeitliche Verzögerung, wird ein hoher Ausschlag angezeigt. Hier sehen Sie rote, gelbe und grüne Balken. Die Balken sind für den Leerlauf schon so hoch, dass dieses Gerät, zumindest in der Konfiguration für Audioanwendungen, nahezu unbrauchbar ist.

In vielen Fällen hat man Glück und kann durch simples Abschalten nicht benötigter Geräte im Geräte-Manager Abhilfe schaffen.



  Folgnde Geräte lassen sich nicht im Betrieb abschalten:

• Jedes Gerät, das im Geräte-Manager unter "Systemgeräte" oder "Computer"
• Die Festplatte, auf der das Betriebssystem installiert ist
• Die IDE/ATAPI- oder SATA-Controller, über den die Festplatte angeschlossen ist
• Benötigte Eingabegeräte wie Tastatur und Maus
• Der USB-Controller, über den die Eingabegeräte angeschlossen sind
• Die Grafikkarte, an dem der Bildschirm angeschlossen ist

Einige Geräte lassen sich ebenfalls direkt im BIOS abschalten. Kommt man mit dieser Methode nicht weiter, bleibt in den meisten Fällen nur die restlichen Treiber zu tauschen. Hilft das alles nicht, bleibt oft nur die Geräte auszutauschen. Testen wir ein Audio-Interface, so gehen wir sicher, dass die DPC Latenzwerte absolut identisch sind und vor allem gleichmäßig.

Was sind DPC Latenzen denn nun genau?

Die Verarbeitung von Daten in Echtzeit ist eine Herausforderung für Windows-basierte Anwendungen und Treiber. Windows ist von seiner Konstruktion her einfach nicht darauf ausgelegt Echtzeitanwendungen zu unterstützen und kann daher nicht garantieren, dass bestimmte periodische Aktionen zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt werden.

Audio- und Video-Datenströme, die von einem, oder zu einem externen Gerät übertragen werden, werden typischerweise von einem Kernel-Mode-Treiber verwaltet. Die externe Hardware löst in regelmäßigen Abständen einen "Interrupt" aus, also eine Unterbrechung des laufenden Prozesses, um den nächsten Datenblock vom Treiber anzufordern bzw. einen eigenen Datenblock ans System zu liefern. Diese Unterbrechung wird jedoch nicht sofort vom System angenommen. In Betriebssystemen, die auf Windows NT aufbauen, wie auch das heutzutage verwendete Windows 7, gibt es dazu eine spezifische Methode, um solche Interrupts zu handhaben. Diese sieht vor, dass der Treiber einen "Deferred Procedure Call" (DPC) beim System anmeldet.

Die DPCs der verschiedenen Gerätetreiber werden vom System in einer Art Warteschlange verwaltet. In regelmäßigen Abständen kontrolliert der Kernel die Warteschlange. Wird gerade kein anderer DPC verarbeitet, wird der nächste DPC-Aufruf angenommen und ausgeführt. Dieses Prinzip der Warteschlange führt dazu, dass ein sehr lange laufender DPC die Ausführung der anderen hinauszögert.

Man kann die Latenz eines spezifischen DPCs also definieren, als die Summe der Laufzeiten aller vor dem auszuführenden DPC liegenden DPCs.

Mit anderen Worten: Schlecht programmierte Treiber, die unnötig viel Zeit beanspruchen, stören sämtliche anderen Treiber. Wird bei einer Aufnahme das Abrufen der Audio-Daten am Interface zu lange verzögert, reicht der Pufferspeicher im Interface nicht mehr aus, um die Daten vorzuhalten und an das System zu übergeben. Eine Signalunterbrechung ist die Folge, ein Knacksen ist zu hören. Umgekehrt gilt dies natürlich auch. Wenn dem Interface nicht ermöglicht wird, schnell genug neue Daten vom Rechner abzufragen, wird die Wiedergabe gestört. So kann es passieren, dass ein simpler Maustreiber das Arbeiten unmöglich macht.

Mehr zum Thema Audio Interface: Link Audio Interface

Das Audio Interface

Als Herzstück des digitalen Tonstudios ist der Computer mit multiplen Aufgaben betreut und ersetzt dabei Bandmaschine, Mischpult, Effekte und Instrumente. Im tontechnischen Einsatz muss der Computer "auf den Punkt" funktionieren, denn immerhin sollen Aufnahme, Playback, interne und externe Instrumente sowie Effekte nicht irgendwann, sondern sofort und gleichzeitig ertönen. Neben einem zuverlässig konfigurierten, schnellen Rechner ist hier vor allem das Audio-Interface gefordert. Es stellt die Audioein und -ausgänge eines Computersystems - die Schnittstelle zu Aufnahme und Wiedergabe. Im Vergleich zu einer internen Lösung handelt es sich dabei um eine Entwicklung für den tontechnischen Bereich mit entsprechenden Chips, Treibern und musikspezifischer Ausstattung sowie dem Ziel, die Klangqualität zu steigern.
Den Überblick im Dschungel der verschiedenen Modelle und Typen zu wahren, fällt schwer. Konkurrenz belebt zwar das Geschäft, bringt aber auch durch Preisdruck handfeste Nachteile mit sich. Fest steht: Ihr Audio-Interface soll gut klingen, dazu zuverlässig und schnell mit der DAW und den aktuellen Betriebssystemen arbeiten. Hierfür sind herstellerseitig Investitionen in die Hardware und die Treiberentwicklung unumgänglich. Wenn an einer der beiden Stellen gespart wird, hakt das Gesamtsystem! Gnadenlos billig bedeutet, zumeist Abstriche in Qualität und/oder Ausstattung in Kauf zu nehmen.
Zwar ist die grundsätzliche Klangqualität der AD/DA-Wandler heute beachtlich, dennoch gibt es klare Unterschiede insbesondere im Bereich der analogen Preamps, der Treiber, der Schnittstellenadaption innerhalb des Gerätes und natürlich der mechanischen Ausführung.

Die Schnittstellen

• PCI
• PCIe
• ExpressCard
• Firewire 400
• Firewire 800
• USB 1/2/3
• Ethernet

Mac, PC oder Unix?
Die relevanten Plattformen sind heute Mac OS X und Windows 7 sowie, auf älteren Systemen Windows XP und Vista. Ältere Systeme laufen trotz neuer Plattformen sicher nicht weniger stabil, allerdings sollte man nicht damit rechnen, dass Neuentwicklung auch wirklich explizit mit alten Betriebssystemen und Komponenten getestet wird. Bei einem Neukauf sollten Sie sich für ein Windows 7 System mit 64 Bit entscheiden, während aktuelle Macs ohnehin mit dem jeweils aktuellsten OS X ausgeliefert werden. Wer seinen Rechner in dieser Hinsicht Up-to-Date bringen möchte, sollte eine Kompatibilität seiner Werkzeuge zunächst überprüfen. Das gilt für Sequencer, Plug-ins und alle Treiber. Sich für ein 32 Bit Betriebssystem zu entscheiden ist unvernünftig, denn es kann bisher stets auch in einem 32 Bit Modus arbeiten (Win 7/64, Snow Leopard, Lion). Allerdings vergeben Sie sich durch den Verzicht auf 64 Bit die Option die aktuelle, rasante Adaptierung auf den größeren Speicherbereich mitzunehmen. Unix-Derivate, abgesehen von OS X selbst, sind im professionellen Audiobereich wenig verbreitet. Entsprechend werden wir dieses Thema an dieser Stelle auch nicht weiter verfolgen.

Die Frage nach der Rechnerplattform müssen Sie selbst treffen. Dabei können Ihnen folgende Tipps eventuell von Nutzen sein:

• Welche DAW kenne Sie bzw. möchten Sie nutzen?
• Welche DAW nutzen Ihre Bekannten und Partner?
• Legen Sie Wert auf modulare Erweiterung?

Windows- und Applerechner nehmen sich hinsichtlich der Geschwindigkeit nichts, es gibt aber mehrere Quellen die belegen das AU-Plug-ins weniger performant als VST-Plug-ins sind. Allerdings ist der "PC" aufgrund seines uneinheitlichen Aufbaus das erheblich fehleranfälligere System. Stabilität setzt hier Sachkenntnis voraus und wir unterstützen Sie als marktführender Hersteller professioneller Audio-PC-Systeme, indem wir Ihnen ein schlüsselfertiges System anbieten.
Der modulare Aufbau stationärer Windows-Systeme ist der Apple-Plattform deutlich überlegen. Das Angebot an internen Steckplätzen, möglicher Schnittstellenvielfalt und Erweiterbarkeit ist in der Regel deutlich größer. Allenfalls der Mac Pro kann hier konkurrieren, kostet allerdings auch signifikant mehr als vergleichbare PCs.
Geht es um fest konfigurierte oder gar Mobilsysteme ist deren Leistung von den eingesetzten Komponenten abhängig. Hier erweist sich der PC als größere Fallgrube. Auch hier bietet wir Ihnen ein durch und durch getestetes, fertiges System an.
Bei Apple Rechnern gilt es allerdings ebenfalls Fallstricke zu beachten: So gibt es Modelle außerhalb der Mac Pro Serie, die Firewire-Chip von Agere verbauen, die mit vielen Audio-Interfaces nicht kompatibel sind.
Technisch betrachtet ist Apples Audioarchitektur Core Audio der Windows-Spezifikation überlegen. Es ist ein modernes Treibermodell das niedrige Latenz und Multi-Client-Betrieb ermöglicht, ebenso wie ein Verschmelzen mehrere Audio-Interfaces zu einer kombinierten virtuellen Einheit (Aggregate Device).
Demgegenüber steht die veraltete MME/Direct X Basis von Windows, die für den Einsatz in der Musikproduktion untauglich ist. Modernere Treibersysteme wie WDM-KS setzen sich nicht einheitlich durch. Stattdessen greift eine Minderheit der anbietet zu proprietären Lösungen (Avid), die Mehrheit zum ASIO-Treibermodell der Firma Steinberg - hier sind ebenso überzeugende Ergebnisse möglich.


Monitoring und Latenz
Das ideale Audio-Interface transferiert alle Daten verzögerungsfrei vom Eingang zum Ausgang. So einfach ist das aber nicht. Neben der "gleichzeitigen Berechnung" mehrere Mischpultkanäle, ist die CPU auch noch an mehreren Orten tätig, etwa bei einer Kopieraktion, der Grafikaufbereitung usw. Wenn am Eingang ununterbrochen Audiosignale eingespeist werden, sollen diese Sprünge der CPU aber unhörbar bleiben. Diese Aufgabe ist nur durch Puffer umsetzbar, die die Daten vorhalten, bis die CPU Zeit zur Bearbeitung findet. Puffer gibt es an etlichen Stellen im Rechner und auch im Treiber für das Audio-Interface. Der Nachteil: Puffer bedeuten Zeitverzögerung mit folgenden Problemen:

• Eingangssignale und Ausgang sind zeitlich gegeneinander versetzt.
• Steuersignale (z.B. Keyboard) für rechnerinterne Signale sind verzögert.

Während sich das Audiosignal in einem analogen Mischpult quasi verzögerungsfrei vom Ein- und Ausgang bewegt, stellt die digitale Verzögerung - die sogenannte Latenz - ein Problem dar. Im ungünstigsten Falle hört man die eigene Performance spürbar zeitverzögert zum Playback.

Zur Lösung bzw. Minderung des Problems gibt es drei Wege:

1. das Monitoring außerhalb des Computers, etwa über ein Mischpult
2. das Heruntersetzen der Treiberpuffer
3. der Einsatz von Direktmonitoring-Verfahren

Variante 1.  ist sinnvoll, aber an die Verfügbarkeit externer Geräte gebunden. Variante 2. liefert bei kleinen Treibergrößen gute Ergebnisse. Allerdings geht mit kleinen Puffergrößen auch ein Anstieg der Rechnerbelastung einher. Typischerweise werden Sie deshalb auf Variante c zurückgreifen. Die Ausnahme: Wenn Sie etwa einen virtuellen Synthesizer oder einen virtuellen Gitarrenverstärker spielen, also Effekte und Instrumente aus dem Rechner nutzen, kommen Sie um kleine Puffer nicht herum.

Bei Direktmonitoring wird das Eingangssignal während der Aufnahme "direkt" an die Ausgänge weitergeleitet. Dieses Direktmonitoring ist entweder über den Treiber spezifiziert oder aber Teil der Hardware in Form eines regelbaren Mischungsverhältnisses von Playback und Eingang.
Komplexer arbeiten autarke Monitorsysteme, die über einen Signalprozessor im Audio-Interface organisiert werden. Hier lassen sich mehrere Eingänge als Monitormischung auf spezifische Ausgänge zusammenführen. Solche Monitormischpulte in Audio-Interfaces sind unterschiedlich komplex aufgebaut. Vollkommene Freiheit bieten Systeme, die unabhängige Mischungen von Eingangs- und Playbacksignale an beliebige Ausgänge erzeugen können, wie etwa bei RME. Diese Unabhängigkeit erfordert natürlich auch zusätzliche Ausgänge bzw. Kopfhörerverstärker.
Weiteren Komfort bieten Effekte, die den Monitormix aufwerten, etwa in Form eines Nachhalls für den Sänger. Da diese Effekte quasi verzögerungsfrei für die Eingangssignale zur Verfügung stehen müssen, müssen also durch den Signalprozessor berechnet werden. Dafür liefert dieser oft gleichzeitig noch schnelle Pegelanzeigen, Werkzeuge zur Signalanalyse und weitere Vorteile. Entsprechende Lösungen findet man bei RME, Motu. Nahezu echtzeitfähige Signalprozessoren sind auch der Grund, warum im Bereich der gängigen Audio-Interfaces bis heute nur DSP-Systeme wie Pro Tools HD eine konzeptionelle Umgehung des Problems Latenz bieten: DSPs und ein direktes Kommunikationssystem zwischen den Wandlereinheiten und Steckkarten ermöglichen eine Signalbearbeitung, die in vielen Fällen einem analogen Mischpult nahekommt - allerdings nur solange native Elemente nicht im Signalfluss beteiligt sind.

Tipp: Latenz-Kontrolle
Der Treiber eines Audio-Interfaces übermittelt der Software seine Verarbeitungszeit. Mittels dieser Latenzangaben stellt der Sequenzer sicher, dass eine Audioaufnahme synchron zum Arrangement auf der Spur landet. Dabei werden die Wandler und eventuelle Systempuffer kompensiert. Falsch übermittelte Latenzwerte sind deshalb problematisch! Sie suggerieren gute Werte, bringen aber den Sequenzer in Bedrängnis.
Sie können die Treiberwerte mit einer Rundummessung hinterfragen. Das Prinzip ist einfach: Sie geben einen klaren Impuls an einer definierten Zeitposition aus. Dabei verbinden Sie den Analogausgang des Audio-Interfaces mit einem Eingang. Auf einer weiteren Spur nehmen Sie den abgespielten Impuls wieder auf. Das aufgezeichnete Signal kommt um die Gesamtlatenz des Systems verzögert an (Ausgangslatenz, Eingangslatenz, alle Puffer, Wandler). Der Versatz gegenüber der Originalposition auf der Ausgangspur müsste sich mit der gemeldeten Gesamtlatenz decken. Übrigens: Weder ASIO noch Core Audio berücksichtigen die unterschiedliche Laufzeit analoger und digitaler Anschlüsse an Audio-Interfaces.

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