TotalMix Teil 1: Der Hammerfall DSP Mixer - Hardware und Technik

Der DSP im FPGA

Die Hammerfall DSP Serie beinhaltet mehrere DSP-Funktionalitäten - ohne einen DSP zu besitzen. Seit der ersten Karte (unserer Digi24) setzt RME auf sogenannte FPGAs (Field Programable Gate Array). Statt mit fest-verdrahteten Chips zu arbeiten (wie z.B. Multimedia Codecs), die vom jeweiligen Hersteller vorgegebene Funktionen bereithalten, setzten wir unsere komplett selbst entwickelten Schaltungen ein. Dies ermöglicht das FPGA, welches im Gegensatz zum ASIC (ein nach Kundenvorgaben gefertigter Chip) sogar re-programmmierbar ist. In der Vergangenheit war dazu bei unseren Karten ein EPROM-Wechsel notwendig. Bei der Hammerfall DSP kann die Hardwareschaltung im FPGA sogar per Software/Treiberupdate aktualisiert werden.

FPGAs sind im Laufe der Jahre immer leistungsfähiger geworden. Die in der Hammerfall DSP verwendete neueste Generation (Xilinx Spartan 2) erlaubt, einen cleveren Entwickler vorausgesetzt, bisher DSPs vorbehaltene Rechenaufgaben nun auch im FPGA durchzuführen. Besser noch: Wieder ist es uns dank optimaler Anpassung möglich, die Leistung vor-konfigurierter Bausteine (Motorola, Sharc etc.) in den benötigten Funktionen deutlich zu übertreffen! So verarbeitet unser Mischer die bis zu 1456 Kanäle intern mit 100 MHz und nutzt dazu weit mehr als 500 MByte/s Speicherbandbreite - damit allein ist ein Motorola DSP voll ausgelastet. Unser FPGA dagegen berechnet gleichzeitig noch Peak- und RMS-Werte von 52 Kanälen! Auf die ebenfalls enthaltenen 3 ADAT Receiver und Sender sowie einen volldigitalen SPDIF Receiver und Sender sei nur so nebenbei hingewiesen ...

Im Folgenden wird zunächst die grundsätzliche Technik des Hammerfall DSP Mischers beschrieben, samt der Realisierung in Hardware mit Bits und Bytes. Infos zur Software-Oberfläche, welche die Funktionen Übersichtlich und leicht beherrschbar zur Verfügung stellt, enthält die Tech Info TotalMix: Software, Merkmale, Bedienung.

Wozu ...

... braucht man einen Mischer in einer I/O-Karte? Da gibt es gleich mehrere Anwendungsfälle:

• Erstellen von verzögerungsfreien Submixen (Kopfhörermischungen)
• Beliebiges Routen der Ein- und Ausgänge (freie Verwendbarkeit, Patchbay-Funktion)
• Verteilen eines Signales auf mehrere Ausgänge gleichzeitig
• Gleichzeitige Wiedergabe verschiedener Programme über nur einen Stereo-Kanal
• Mischen des Eingangssignales zum Playbacksignal (vollständiges ASIO Direct Monitoring)

Der letzte Punkt war für uns zunächst am wichtigsten. Unsere bisherige Hardware (DIGI96 und Hammerfall Serie) arbeitet mangels Mixer nur im Replace-Modus, d. h. auf der gerade durchgeschliffenen Spur ist nur das Eingangsignal, nicht jedoch das Playbacksignal zu hören. Dieser 'Bandmaschinenmodus' war seinerzeit zwar ein großer Schritt nach vorne, erfordert jedoch ein zusätzliches externes Mischpult. Dank immer höherer Rechenleistung und verbesserter Software möchten jedoch immer mehr Anwender das in der Software enthaltene 'Mischpult' nutzen. Um das Eingangssignal beim Monitoring zusammen mit dem Playbacksignal hören zu können, gibt es nur zwei Wege: entweder die Latenz/Puffergrösse der Karte ist so gering (ideal unter 6 ms) dass die Software die Daten vollständig berechnen kann, oder die Karte mischt Eingangs- und Playbacksignal selbstständig, so dass das Monitoring latenzfrei erfolgt (da das Signal in der Hardware direkt vom Eingang zurück zum Ausgang gelangt).

Prinzipiell hätte damit ein Mixer gereicht, der jeden Eingang ein Mal auf eine beliebige Playbackspur mischen kann - perfektes ASIO 2.0 Direct Monitoring. Nach einiger Überlegung war uns das aber entschieden zu wenig. Wenn schon dann sollte jeder Eingangskanal beliebig oft auf beliebige Playbackkanäle mischbar sein - ein Mehr an Flexibilität hat noch nie geschadet.

Von hier war es nicht weit bis zur nächsten Forderung: Auch die Playbackspuren sollten komplett per Mixer misch- und routbar sein. Das würde es erlauben, mehrere vollkommen unabhängige Submixes zu erstellen, und die Wiedergabekanäle frei zu routen. Schliesslich ergibt sich bei einem Zusammenfassen mehrerer Spuren auf eine einzelne schnell ein zu hoher Pegel: digitale Übersteuerung. Daher müssen die Pegel der physikalischen Ausgänge auch noch verringert werden können. Und da die Playbackspuren immer über den Mischer laufen muss zudem eine 'Unity Gain' Einstellung vorhanden sein, um Bit-genaues Abspielen zu garantieren. Sie sehen schon: Selbst ohne Effekte und EQ kann ein Mischer ganz schön anspruchsvoll werden ...

Interna

Bei der Leistungsfähigkeit eines digitalen Mischers geht es im Wesentlichen um die Anzahl der maximal verarbeitbaren Kanäle und die interne Auflösung. Beispiel Digiface: 26 Eingänge plus 26 Playbackspuren können beliebig auf 28 physikalische Ausgänge gemischt werden. Rein rechnerisch ergeben sich (26 + 26) x 28 = 1456 gleichzeitig mögliche Kombinationen. Der Mischer muss also in der Lage sein 1456 Kanäle zu verrechnen!

Solange es im Konzept nur um Monitoring ging hätte man ja mit einer Auflösung von 16-Bit leben können. Mit der Einbeziehung der Playbackspuren geht das nicht mehr. Da diese immer über den Mischer laufen muss dieser nicht nur eine höhere Auflösung als 24-Bit besitzen, um Rundungsfehler bei Pegeländerungen zu minimieren, sondern auch zusätzlichen Headroom für Pegelanhebungen und das Addieren mehrerer Kanäle bereitstellen.

Beliebig hohe Bit-Auflösungen machen keinen Sinn, und verursachen nur einen hohen Resourcenverbauch im FPGA. Wir haben uns daher für eine sinvoll festgelegte Festkommaarithmetik mit folgenden Grunddaten entschieden:

• Der Multiplizierer arbeitet mit 40 Bit. Dies ergibt sich durch eine maximale Audiowortbreite von 24-Bit, die per Fader mit einer Auflösung von 16-Bit (65563 Stufen) im Pegel verändert werden kann (24+16=40).
• Der Summierer arbeitet mit 36 Bit. Davon entfallen 7 Bit auf den benötigten Headroom (maximal 52 Kanäle mit jeweils 6 dB Gain können auf einen Kanal zusammengemischt werden). Das Audiosignal weist wieder 24-Bit auf, die restlichen 5 Bit dienen dem LSB als Nachkommastellen zur Verringerung von Rundungsfehlern.
• Das Ausgangssignal wird ohne Dither auf 24-Bit truncated ausgegeben.
• Pegelsteller (Fader): 16-Bit Auflösung, gleich 65536 Stufen, die nach einer speziellen Kennlinie gehörrichtig bereitgestellt werden. Pegeländerung Eingänge und Playbackkanäle: +6 dB bis maximale Dämpfung. Ausgänge: 0 dB bis maximale Dämpfung. Bedingt durch die Bildschirmdarstellung sind die per Maus einstellbaren Werte von der Anzahl der Pixel abhängig. Dies sind 137. Im Fein-Modus (Umschalttaste) verachtfacht sich dieser Wert auf 1096 verschiedene Lautstärkewerte.
• Panorama: Pan Law 6 dB. Das bedeutet bei Mittelstellung wird das Signal um 6 dB abgeschwächt. Von der Mitte (Center) nach Links und Rechts stehen jeweils 50 Schritte zur Verfügung. Funktion und Angabe linear, von L 1.00 über 0.50 (C) bis R 1.0.

Total Overload

Wie erwähnt zeichnen den Mixer zwei fundamentale Eigenschaften aus: Er kann nicht übersteuert werden, und bietet bei Unity Gain Bit-Genauigkeit, besteht also auch 24-Bit CRC-Tests.

Zur Vermeidung von internen Übersteuerungen bei der Zusammenmischung von - in diesem Fall maximal 52 Kanälen mit jeweils 6 dB Pegelanhebung - reichen die 24-Bit Wortbreite der Einzelsignale nicht aus. Das Zusammenmischen von Signalen hat additiven Charakter, das heisst das neue Signal hat im Allgemeinen einen höheren Pegel als die Einzelsignale. Der extremste Fall sind vollständig korrelierende, also identische Signale: bereits bei zwei Kanälen besitzt das Ausgangssignal doppelten Pegel (+6 dB), mit jeder weiteren Addition sinkt der Faktor jedoch ab.

Die Übersteuerungsfestigkeit von TotalMix lässt sich auch ohne aufwendige externe Hardware recht einfach demonstrieren. Für die folgenden Beispiele verwendeten wir die Software HpW Works (zur Generierung und Analyse des Testsignals), ein Digiface und eine DIGI96/8. Die Screenshots des Oszilloskops stammen von einem Tektronix TDS 210 am analogen Ausgang des Digiface.

Zunächst generierten wir rein digital ein interessantes Testsignal (ein bisschen Spass muss sein ...), bestehend aus mehreren Sinen mit insgesamt 0 dBFS, also maximalem digitalem Pegel. In einer Software wurde das aufgenommene Signal sodann auf alle 26 Ausgangsspuren der Hammerfall DSP kopiert und unverändert abgespielt. Beim im Test verwendeten Digiface wurden die Ausgänge mit den Eingängen verbunden, so dass das abgespielte Signal auch an allen 26 Eingängen anlag.

Mittels TotalMix wurden nun alle Playback-Kanäle und alle Eingänge auf den linken Kanal des ADAT 1 (1+2) geroutet. Damit summieren sich 52 Kanäle auf einen. Das Ausgangssignal ADAT1 wurde zwecks Analyse durch eine DIGI96/8 geschliffen. Wie in diesem Screenshot zu sehen ist der Ausgangskanal 1 natürlich vollkommen übersteuert, doch nach Absenkung des Ausgangspegels per Fader um rund 40 dB steht das Signal unverfälscht bereit.

Dieser Test ist einfach nachzuvollziehen, jedoch nicht ganz korrekt, denn die Signale an den Eingängen sind 2 Samples verzögert, weshalb sich keine perfekte Addition ergibt. Übrigens folgt die Addition identischer Signale simplen mathematischen Gesetzen: Logarithmus der Kanalzahl zur Basis 10 multipliziert mit 20 (wie bei anderen Umrechnungen im Audiobereich auch). Damit ergeben sich rund 34,3 dB, plus 6 dB maximaler Gain gleich 40,3 dB. Die Übersteuerungsreserve von TotalMix beträgt 7 Bit, entsprechend 7 x 6 dB = 42 dB, deckt also das theoretische Maximum ab. In der Praxis ist die Pegelerhöhung sehr viel niedriger, da die addierten Signale nur wenig Gemeinsamkeit besitzen (geringer Korrelationsgrad).

Signalqualität

Daneben ist natürlich auch die Signalqualität bei Veränderungen des Pegels sehr wichtig. Das ursprüngliche Signal sollte nach Möglichkeit keinerlei Veränderungen unterliegen, egal wie der Pegel verändert wird. Dies ist jedoch nur in begrenztem Rahmen möglich. Bei Pegelabsenkungen verschwinden leiseste Anteile ganz automatisch durch die begrenzte Auflösung an den Schnittstellen. In diesem Fall sprechen wir von 24-Bit, also Pegeln unter -144 dBFS.

Wie im Bild zu sehen lassen sich in 24-Bit sehr wohl Pegel unterhalb -144 dBFS erzeugen und darstellen, die zweite Harmonische des Testsignals liegt beispielsweise bei -160 dBFS. Durch eine Pegeldämpfung von -10 dB lässt sich problemlos nachweisen, dass TotalMix das Originalsignal vollständig unverändert lässt (keine erkennbaren Verzerrungen, keine Änderungen der Pegel untereinander). Selbst die zweite Harmonische liegt nun sauber bei -170 dBFS.

Eine Absenkung um 30 dB lässt das Signal in die Messgrenze der FFT, also den unteren Rauschteppich, eintauchen. Der 'Rauschteppich', in Wirklichkeit Quantisierungsverzerrungen, wird durch Truncation bei 24-Bit erzeugt, die in diesem Fall bereits bei der Ausgabe des Testsignals über eine ADAT Schnittstelle erfolgte.

Zusammengefasst lässt sich sagen: TotalMix verursacht dank einfacher Festkommaarithmetik praktisch keine Signalveränderungen. Rauschabstand (SNR) und Klirrfaktor (THD) des ursprünglichen Signales bleiben praktisch unverändert.

Was aber passiert, wenn der Anwender die Over-Anzeige geflissentlich ignoriert (übersieht), und das Signal trotz des vielen Headrooms am Ausgang übersteuert wird? Hier kann es bei unsauberem Design zu Rechenfehlern kommen, die sich als Umklappen der ursprünglichen Signalform in die gegenphasige Richtung bemerkbar machen, und zwar für die Länge der Übersteuerung. Schon kürzeste Impulse, die sonst unhörbar geclicppt werden, verursachen dann grässliche und laute Verzerrungen.

TotalMix arbeitet auch in diesem Fall vorbildlich und begrenzt das Signal sauber wie ein Präzisions Brickwall Limiter, ohne weitere Störungen zu verursachen. Im linken Bild wurde ein Sinus mit vollem Pegel von mehreren Eingängen auf einen Ausgang gemischt. Im rechten Bild begrenzt TotalMix wie ein digitaler Peak-Clipper einzelne Impulsspitzen in dynamischem Material.

Software

Alle weiteren für einfache Bedienung und praxis-gerechten Einsatz benötigten Funktionen sind nicht Sache der Hardware, sondern der Software, welche den Zugriff auf die Hardwarefunktionen erlaubt und kontrolliert. Dazu zählen:

• Speicherung aller Einstellungen
• Sonderfunktionen per Tastenkombination: Fader auf 0, paarweise Konfiguration, Fein-Modus etc.
• Mute und Solo-Funktionen
• Verschiedene Darstellungsmodi

Näheres dazu enthält die Tech Info TotalMix: Software, Merkmale, Bedienung.

Glossar

16-Bit: Ergibt eine Auflösung von 65.536 Pegelstufen oder theoretischen 96 dB Dynamik

24-Bit: Ergibt eine Auflösung von 16.777.200 Pegelstufen oder theoretischen 144 dB Dynamik

ADAT optical: TOSLINK-Schnittstelle nach einem Protokoll der Firma Alesis. Erlaubt maximal 8 Kanäle bei 24-Bit Auflösung und 48 kHz Samplerate.

Audiowortbreite: Auflösung des digitalen Signales in Bit

Bit: Kleinste digitale Einheit. Bezogen auf die Auflösung ergeben sich pro Bit knapp 6 dB Dynamik

dB: dezi Bel, logarithmischer Wert zur vereinfachten Darstellung von Verhältnissen

dBFS: dB Full Scale. Logarithmischer Pegelwert bezogen auf digitale Vollaussteuerung

DR: Dynamic Range, Dynamik. Verhältnis von maximalem Pegel zu Grundrauschen bei Anregung durch ein Signal bei -60 dB

FFT Analyse: Fast Fourier Transform. Spektrale Zerlegung eines beliebigen Signales

LSB: Least Significant Bit - niederwertigstes Bit

Samplefrequenz: Anzahl der Abtastungen des Audiosignales pro Sekunde

SNR: Signal to Noise Ratio, Rauschabstand. Verhältnis maximaler Pegel zu Grundrauschen

Truncation: Beschneidung eines Digitalsignales durch einfaches Entfernen niederwertiger Bits

Copyright © Matthias Carstens.

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