Word Clock und PTP

Sobald mehr als ein Gerät digitales Audio verarbeitet, müssen sich alle auf dieselbe Zeitbasis einigen. Word Clock und PTP leisten das, aber auf verschiedenen Wegen: Word Clock verteilt eine Frequenz über eigene Koaxleitungen, PTP verteilt eine Uhrzeit als Datenpakete über das Netzwerk, über das ohnehin schon das Audio läuft.

Ausführliche Erklärung

Ein Wandler tastet das Signal in festen Zeitabständen ab — 44.100-mal, 48.000-mal oder öfter pro Sekunde. Diese Taktrate kommt aus einem Quarz, und zwei Quarze in zwei Geräten laufen nie exakt gleich schnell; wenige Millionstel Abweichung reichen. Schickt Gerät A seine Samples an Gerät B, das minimal langsamer abtastet, staut sich der Puffer bei B, bis er überläuft. Läuft B schneller, fällt er leer. Beides hört man: als Knacken, als kurzen Aussetzer, in Mehrzonen-Systemen als Auseinanderlaufen zwischen Räumen. Die Lösung ist immer dieselbe — ein Gerät gibt den Takt vor, alle anderen folgen — und die beiden Verfahren unterscheiden sich darin, wie dieser Takt seinen Weg findet.

Word Clock: eine Frequenz auf eigener Leitung

Word Clock ist ein Rechtecksignal mit TTL-Pegel, dessen Frequenz genau der Abtastfrequenz entspricht. Es läuft über 75-Ohm-Koaxkabel mit BNC-Steckern und enthält keinerlei Audioinhalt — es sagt nur „jetzt", und zwar 48.000-mal pro Sekunde.

Weil es sich um eine wellenwiderstandsbehaftete Leitung handelt, ist die Verkabelung Teil der Funktion. Sauber ist die Sternverteilung: ein Taktverteiler, von dort je eine Leitung zu jedem Gerät. Wird stattdessen durchgeschleift, darf nur das letzte Gerät der Kette mit 75 Ohm abschließen; alle davor müssen hochohmig bleiben. Zwei Abschlüsse in derselben Kette halbieren den Pegel, keiner erzeugt Reflexionen — in beiden Fällen verliert das Empfangsgerät den Takt oder rastet unsauber ein. Das ist der häufigste Installationsfehler an dieser Stelle, und er sieht am Gerät aus wie ein Defekt.

Eine eigene Word-Clock-Verteilung ist dabei nicht immer nötig. AES3, S/PDIF und optische Verbindungen übertragen den Takt im Datenstrom selbst; ein Empfänger, der nur eine einzige solche Quelle hört, gewinnt seinen Takt daraus. Nötig wird die separate Verteilung, sobald ein Gerät mehrere digitale Quellen zusammenführt oder mehrere Geräte gemeinsam auf ein Ziel spielen.

Formal ist Word Clock übrigens keine eigene Norm. Die AES-Empfehlung AES11 beschreibt als Referenz ein AES3-Signal ohne Nutzaudio, das sogenannte DARS; dass ein Rechteck auf Abtastfrequenz dieselben Timing-Anforderungen erfüllt, ist dort mitgedacht, aber die Praxis der BNC-Verteilung hat sich unabhängig davon durchgesetzt.

PTP: eine Uhrzeit über das Datennetz

Netzwerk-Audio kann das Verfahren nicht übernehmen, weil es keine durchgehende Leitung zwischen den Geräten gibt, sondern Switches, wechselnde Wege und schwankende Paketlaufzeiten. Das Precision Time Protocol nach IEEE 1588 löst die Aufgabe anders herum: Statt eine Frequenz zu verteilen, verteilt es eine gemeinsame Uhrzeit.

Ein Gerät wird per Wahlverfahren zum Grandmaster. Alle anderen tauschen mit ihm Zeitstempel in beide Richtungen aus, rechnen daraus die Laufzeit zum Grandmaster heraus und stellen ihre eigene Uhr danach. Den Abtasttakt erzeugt weiterhin jedes Gerät selbst — es weiß nur nun, zu welchem Zeitpunkt ein bestimmtes Sample auszugeben ist, weil jeder Audiostrom Zeitstempel derselben Uhr mitführt. Aus dem Gleichlauf einer Frequenz wird so die Verabredung auf einen Zeitpunkt.

Die Profile unterscheiden sich, und das ist der Punkt, an dem Installationen scheitern:

Zwei Geräte, die dasselbe Kabel benutzen und beide „PTP" auf dem Datenblatt stehen haben, synchronisieren nicht zwangsläufig miteinander. Wo Domänen aufeinandertreffen, braucht es ein Gerät, das zwischen ihnen vermittelt — bei Dante mit AES67 etwa ein Gerät, das als Boundary Clock beide Seiten bedient.

Beide Welten begegnen sich häufiger, als es zunächst scheint: Dante bevorzugt bei der Wahl des Leader Clock ausdrücklich Geräte mit externem Takteingang. Wer in einer Anlage klassisches Digitalaudio und Netzwerk-Audio hat, speist also die Word Clock in ein netzwerkfähiges Gerät ein und lässt dieses die Netzwerkdomäne führen — nicht umgekehrt.

Häufiges Missverständnis

„Eine externe Word Clock klingt besser." Der Gedanke ist verbreitet und verwechselt zwei Dinge. Ein Gerät, das einem externen Takt folgt, tut das über eine Regelschleife, die den ankommenden Takt nachbildet — und diese Schleife fügt eigenen Zeitfehler hinzu. Ein Gerät mit gutem internem Quarz läuft im Alleinbetrieb deshalb oft ruhiger als dasselbe Gerät im Slave-Modus. Der Zweck der Taktverteilung ist Gleichlauf mehrerer Geräte, nicht die Verbesserung eines einzelnen. Wo nur eine Quelle spielt, ist die zusätzliche Taktleitung kein Gewinn.

„Der Switch muss PTP können." Nicht von vornherein. PTP-Nachrichten sind gewöhnliche Datenpakete; in einem überschaubaren, sauber konfigurierten Netz kommen sie an. Kritisch sind eher Mechanismen, die Pakete verzögern oder zurückhalten — Energiesparfunktionen im Switch, fehlende Priorisierung, überlastete Verbindungen. Erst wenn viele Switches hintereinanderliegen, bringen Boundary- oder Transparent-Clock-Funktionen einen messbaren Vorteil, weil sie die Verzögerung im Switch selbst herausrechnen.

Nicht zu verwechseln mit

• Delay und Latenz: die Verzögerung eines Signals. Eine Anlage kann perfekt synchron takten und trotzdem zu spät sein.
• Jitter: die Schwankung des Takts um seinen Sollwert. Jitter ist eine Qualitätsgröße des Takts, nicht der Takt selbst.
• Lippensynchronität: der Versatz zwischen Bild und Ton. Sie wird in Millisekunden korrigiert, nicht über eine Taktreferenz.
• NTP: stellt die Uhrzeit von IT-Geräten. Die Genauigkeit liegt Größenordnungen unter dem, was Audio braucht.

Aus der Praxis

In einem Kinoraum arbeiten ein Prozessor, mehrere Endstufen mit digitalem Eingang und eine Multiroom-Anbindung über Netzwerk-Audio zusammen. Die Anlage läuft, aber einmal am Abend knackt es reproduzierbar beim Umschalten der Quelle.

Gemessen wird später. Zuerst ist festzulegen: Wer soll in dieser Anlage den Takt führen — und gibt es genau einen solchen Punkt? Häufig ist die Antwort, dass es zwei gibt, weil eine Kette den Takt aus dem Zuspieler bezieht und die andere aus dem Netzwerk. Genau an der Stelle, an der beide zusammenlaufen, entsteht das Geräusch.

Zwei Wege bleiben: entweder eine Word-Clock-Verteilung im Stern über den klassischen Teil, mit dem netzwerkfähigen Gerät als Bindeglied zur PTP-Domäne — oder der Verzicht auf die separate Verteilung, wenn alle Geräte ihren Takt ohnehin aus einer einzigen digitalen Quelle beziehen können. Erst danach steht fest, ob ein Taktverteiler überhaupt beschafft werden muss und mit wie vielen Ausgängen. Wer stattdessen zuerst einen Verteiler kauft und dann verkabelt, hat am Ende oft zwei Master und dasselbe Knacken.

Verknüpfte Inhalte

Wie der Takt in AES3 und S/PDIF im Datenstrom mitläuft, steht bei den jeweiligen Einträgen; warum der 75-Ohm-Abschluss über Funktion oder Ausfall entscheidet, klärt der Eintrag zum Wellenwiderstand. Was Zeitversatz für die Wahrnehmung bedeutet, behandelt Delay, und wie Netzwerke für Audio ausgelegt werden, die Wissensseite zu den Heimnetzwerk-Grundlagen.

Quellen

Das Referenzsignal DARS und die Timing-Anforderungen im Studiobetrieb stehen in AES11. Wahlverfahren, Zeitstempelaustausch sowie Boundary- und Transparent-Clock sind in IEEE 1588 definiert; AES67 verweist auf die Fassung von 2008, AVB und Milan auf das Profil IEEE 802.1AS. Dass Dante mit PTPv1 arbeitet und bei der Wahl des Leader Clock Geräte mit Word-Clock- oder AES3-Eingang bevorzugt, dokumentiert Audinate im Handbuch zum Dante Controller.