Das Sollten Sie wissen. Tipps und Trick zum störungsfreien Betrieb eines digitalen Audiostudios.

Die Notwendigkeit der Clock-Synchronisation bei der Übertragung von digitalen
Audiodaten

Ein digitales Audio Wort besteht aus einer festgelegten Anzahl von Nullen und Einsen, deren Wertigkeit vom LSB (Least Segnifivant Bit = das Bit mit dem niedrigsten Wert) zum MSB zunimmt (Most Segnifivant Bit = das Bit mit dem höchsten Wert), so wie die Stellen einer Dezimalzahl zunächst die Anzahl Einer, dann die Anzahl der Zehner, der Hunderter u.s.w. darstellen.
Die Werte für die einzelnen Digitalworte werden gewonnen, indem das analoge Signal in regelmäßigen Abständen gemessen wird. Die Takt, in dem dies geschieht, wird im Gerät von einem zentralen Taktgenerator erzeugt.
Sollen die so gewonnenen digitalen Daten von einem anderen Gerät weiterverarbeitet werden, muß dies mit dem exakt gleichen Takt erfolgen. Dabei genügt es nicht, nur die Taktfrequenz zu kennen. Die Angabe, daß beim Erstellen der Samples mit 44,1 kHz getaktet wurde, sagt zwar aus, daß 44.100 Messungen pro Sekunde vorgenommen wurden, nicht jedoch, wie lange eine Sekunde tatsächlich gedauert hat. Dieses Intervall jedoch könnte auf Grund von Bauteiltoleranzen bei verschiedenen Geräten durchaus unterschiedlich sein. Das Verwenden von unterschiedlichen langen Zeitintervallen würde aber verhindern, daß die Audiodaten fehlerfrei interpretiert werden können.
Zusätzlich zur Notwendigkeit der absolut gleichen Länge der Zeitintervalle muss das Gerät, das die Daten empfängt und weiterverarbeiten soll auch wissen, wo ein Datenwort anfängt. Nur so kann die Wertigkeit der entsprechenden Bits richtig beurteilt werden.
In den folgenden Grafiken wird am Beispiel eines 16 Bit Wortes mit 44,1 kHz Samplefrequenz gezeigt, wie sich unterschiedliche Zeitintervalle oder die Nicht-Kenntnis des Wortanfanges auswirken.

Beispiel für ein 16 Bit Datenwort

In obigen Bild ist der zeitliche Verlauf eines aus 16 Bit bestehenden Datenwortes dargestellt. Der geräte-interne Taktgenerator erzeugte einen Takt, der dafür sorgte, dass alle Bits gleich lang sind und dass bei 44,1 kHz Samplefrequenz ein Datenwort 22,6 µs "dauert". Dies ist die absolut exakte Taktfrequenz.

Die Folgen eines ungenauen Taktes

In dieser Abbildung wird dargestellt, was geschieht, wenn das Signal aus Abbildung 1 von einem anderen Gerät verarbeitet werden soll, dessen Takt nicht mit dem von Gerät 1 übereinstimmt, dessen "interne Uhr" also falsch geht. Die hier angenommene Ungenauigkeit beträgt 1,41 µs pro Wort, die entspräche der Dauer eines Bit bei exaktem Takt. Es ergibt sich dann die gezeigte Dauer eines Wortes von 24,1 µs statt 22,7 µs.
Das Taktsignal ist an Anfang der Übertragung synchron, verschiebt sich aber wegen der unterschiedlichen Zeitreferenz immer mehr.

Dies sind die Folgen:

• Das gelesene Wort besteht aus 17 Bit des Originalsignals, da das Zeitintervall für ein Wort (Wordtakt, Wordclock) nun länger ist, als dies bei der Erzeugung des Datenstromes der Fall war. Im auf diese Weise falsch interpretierten Datenstrom wird das LSB des nächsten Wortes des ursprünglichen Signals das MSB des ersten gelesenen Wortes interpretiert. Dass dies zu hörbar anderen Ergebnissen führt, ist klar. Im nächsten interpretierten Wort beträgt dieser Versatz bereits 2 Bit, dies setzt sich fort, bis nach einiger Zeit wieder zumindest das LSB wieder wie beim ersten gelesenen Wort richtig ist. So würde ein sich rhythmisch veränderndes Geräusch entstehen, das in der Praxis tatsächlich zu beobachten ist, wenn zwei digitale Geräte nicht taktsynchron sind. (Hier wird übrigens angenommen, dass das LSB als erstes gesendet wird, was nicht immer der fall ist und ebenfalls einer Vereinbarung bedarf.)
• Der Bittakt in Gerät 2 ist wie der Wordtakt etwas länger als bei der Entstehung des Signals. Es ist eine Frage der Zeit, wann die sich immer mehr verschiebende Taktflanke (der Pegelsprung von "0" zu "1" des Takt-Rechtecksignales) in der Mitte eines zu lesenden Bit sitzt. Das Nächste Bit wird dann übersprungen, da die Flanke nun näher zum Anfang des folgenden Bit sitzt. Die Folge ist ein hörbares Knacken.

Gleich langes Zeitintervall, aber versetzter Taktanfang

Abbildung 3 schliesslich zeigt den Fall, dass der Taktgenerator in Gerät 2 zwar exakt die gleiche Frequenz hat wie der in Gerät 1, der Anfang der Taktes aber verschoben ist und in Gerät 2 deshalb völlig falsche Werte interpretiert werden. Die Folge ist ein (metallisch klingendes) Geräusch, das nichts mehr mit den ursprünglichen Audiodaten gemein hat.
Die hier dargestellten Fälle machen deutlich, dass die Übertragung digitaler Audiosignale von einem zum anderen Gerät oder sogar innerhalb eines Gerätes von einer zu anderen Verarbeitungsstufe nicht ohne weitere Vorkehrungen durch einfaches Verbinden möglich ist, wie dies in der analoge Technik problemlos funktioniert. Vielmehr wird klar, daß alle verarbeitenden Stufen oder Geräte mit dem gleichen und zusätzlich synchronen Takt arbeiten müssen, um eine einwandfreie Funktion zu garantieren. Innerhalb eines Gerätes wird dies dadurch erreicht, daß alle Verarbeitungsstufen von einem zentralen Taktgenerator gesteuert werden. Die Taktgleichheit und Synchronität vieler digitaler Audiogeräte untereinander zu erreichen, stellt eine der großen Herausforderungen bei der Planung und dem Aufbau eines digitalen Studios dar. Mehr darüber können Sie auf den nächsten Seiten erfahren.