Produkt: LAB.gruppen PLM+  im Test
LAB.gruppen PLM+ im Test
Mit der PLM+ Serie bietet LAB.gruppen eine erweiterte und verbesserte Form der PLM-Modelle an.
Dante-Interfaces

Audionetzwerke erweitern: Breakout-Boxen für Dante

Dante-Buchsen(Bild: Dieter Stork)

In die weit verbreiteten Dante-Audionetzwerke müssen die Audiosignale auch irgendwie hinein und wieder hinaus gelangen. Für diese Signal-Ein- und Ausspielung werden von diversen Herstellern Breakout-Boxen angeboten. Viel genutzt werden vor allem die kompakten Geräte mit einigen wenigen Ein- und Ausgängen, die an beliebiger Stelle im Netzwerk einfach integriert werden können. Aber nach welchen Kriterien wählt man eine solche Breakout-Box aus?

Die digitale Übertragung der Signale hat heute in vielen – wenn nicht meisten – Bereichen die klassische Analogtechnik abgelöst. Die Vorzüge reichen von der guten Qualität über die relativ einfache und preiswerte Verkabelungen bis hin zur Kapazität der digitalen Signalströme, die je nach Verfahren einige hundert Audiosignal über große Entfernungen transportieren können. Werden Glasfasern anstelle von Kupferleitungen eingesetzt, dann können auch Kilometer überbrückt werden. An die Stelle der bisherigen analogen Probleme ist aber die u. a. die Wahl des „richtigen“Datenformats getreten. Faktisch ist dabei eins der zurzeit am weitesten verbreiteten Audionetzwerke die Dante-Variante des australischen Herstellers Audinate, dessen Ursprünge bis in das Jahr 2003 zurückgehen. Heute zählt Audinate annähernd alle Major Brands der professionellen Audiotechnik zu seinen Kunden und damit Lizenznehmern.
Kernstück oder Zentrum eines Dante-Netzwerks sind häufig Mischpulte, DSP-Systeme oder eine Matrix, in denen die Signalbearbeitung und Zuordnung vorgenommen werden. Dante-Netze können aber auch als reine Signalverteiler in einer dezentralen Struktur genutzt werden. Wie das Netzwerk auch immer aussieht: An der Quelle und an der Senke eines Signals müssen die jeweiligen Daten aus dem Datenstrom abgegriffen bzw. eingespielt werden. Diese Aufgabe fällt den Breakout-Boxen zu. Sie realisieren dies mit Hilfe eines verbauten Audinate-Dante-Moduls oder des IP-Cores in einem FPGA-Baustein. Da die Quellen oder Senken in der Audiotechnik oft noch analoger Natur sind, z. B. Mikrofone oder aktive Lautsprecher, müssen diese Breakout-Boxen noch mit einer AD- bzw. DA-Konvertierung und der entsprechenden analogen Peripherie (wie Preamps und Ausgangsstufen) ausgestattet werden.

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Varianten und Ausstattungen

Wie man auf der Audinate-Homepage nachlesen kann, sind zurzeit über 1600 verschiedene Produkte mit fest verbautem oder optionalem Dante-Interface auf dem Markt. Die Mehrzahl davon bietet analoge Ein- und Ausgänge für das Audiosignal an und/oder stellt alternativ auch noch digitale Formate wie AES3 zur Verfügung. In der Praxis können Breakout-Boxen daher im einfachsten Fall in Form einer kleinen Adapterdose einfach nur einen Ein- oder Ausgang zur Verfügung stellen. Auf der anderen Seite kann eine Breakout-Box aber auch eine Stageboxen für ein großes Mischpultsystem sein, welche mit flexiblen Steckkarten über große Mengen analoger und digitaler Ein- und Ausgänge verfügt. Unsere künftige Testreihe soll sich primär mit den kleinen „Dante- Tools“ beschäftigen, wie sie beispielsweise auf der in dieser Ausgabe beschriebenen PUR-Hallentournee auf den Technik-Decks im Rigg zum Einsatz kommen und diese in punkto Funktionsumfang und Audioqualität gegenüberstellen.

Hardware für Dante und Redundanz

Gemeinsam ist allen Dante-Breakout-Boxen, dass sie eines der von Audinate angebotenen Dante-Module enthalten – in selteneren Fällen auch einen FPGA-Baustein mit dem entsprechenden Dante-IP-Core. Die Standardmodule von Audinate sind mit Ultimo, Broadway und Brooklyn II benannt. Die Kanalkonfiguration beim Ultimo kann 2 × 2 oder 4 × 4 sein, beim Broadway 8 × 8 oder 16 × 16 und beim Brooklyn II 8 × 8, 32 × 32 oder 64 × 64. Aus den möglichen Konfigurationen leiten sich auch direkt die typischen Anwendungen ab: Geräte mit wenigen Ein- und/oder Ausgängen wie Endstufen oder aktive Lautsprecher sind in der Regel mit Ultimo-Modulen bestückt. DSP-Systeme, Matrix-Mischer oder Mischpulte verwenden dagegen typischerweise die Brooklyn-Module, da hier viele Ein- und Ausspielwege ins Netzwerk benötigt werden.

Dante-Aufbau
Breakout-Box-Innenansicht ganz links im DBS1 die Preamps mit digital steuerbaren Vorverstärkern Texas PGA2505, rechts davon ein 2-kanaliger Texas PCM4202 AD- und ein ebenfalls zweikanaliger DA-Wandler Cirrus Logic CS4398. Rechts oben als quadratischer Baustein der Dante-Ultimo-Chip (Bild: Anselm Goertz)

Ein weiterer Unterschied zwischen den Modulen besteht in der Nutzung der primären und sekundären Dante-Strukturen. Ein Dante-Netz kann zur Erhöhung der Betriebssicherheit redundant aufgebaut werden. Die Brooklyn- und Broadway- Module verfügen dazu über einen primären und einen sekundären Netzwerkanschluss. Werden damit alle Netzwerkkomponenten inklusive der Verkabelung und aller Switche doppelt ausgeführt, dann läuft ein zweites (sekundäres) Dante-Netzwerk ständig parallel zum primären Netz. Kommt es im primären Netz zur einer Störung, dann erfolgt eine unterbrechungsfreie Umschaltung auf das sekundäre Netz. Wichtig ist dabei die wirklich konsequente Trennung beider Netze. Das bedeutet: separate Switche und für diese möglichst auch eine separate Stromversorgung. Grundsätzlich werden die Dante-Netze mit einer Sternstruktur aufgebaut, was auch noch zur Erhöhung der Betriebssicherheit beiträgt, da der Ausfall eines Gerätes keinen Signalausfall für nachfolgende Geräte bedeutet. Eine Ausnahme ist aber trotzdem vorgesehen: Alternativ zum redundanten Anschluss können die Netzwerkanschlüsse über die Dante-Controller-Software als Switch konfiguriert werden, wodurch dann auch eine lokale Daisy-Chain-Struktur aufgebaut werden kann. Für den Ultimo-Chip wird dazu ein zusätzlicher Switch-Chip vorgeschaltet. Unter dem Aspekt der Betriebssicherheit sollten Daisy-Chain-Strukturen aber möglichst nur lokal eingesetzt werden. Eine typische Anwendung wären z. B. mehrere Endstufen mit Dante-Interface in einem Rack, in dem man keinen externen Switch einsetzen möchte.

Konzept einer Messreihe für Breakout-Boxen

Bevor wir ab Ausgabe 3/2019 mit unserer Testreihe beginnen, gehen wir unsere Messungen und Eckdaten einmal exemplarisch an einem einfachen Gerät mit 2-In/2-Out durch – dem DBS1 von Four Audio. Das DBS1 bietet auf Basis des Dante-Ultimo-Moduls je zwei analoge Ein- und Ausgänge. Die Eingänge sind mit Preamps und 48 V Phantomspeisung ausgestattet und können in 3-dB-Schritten in ihrer Sensitivity von −45 dBu bis +30 dBu eingestellt werden. Die Ausgänge liefern einen Ausgangspegel von maximal +15 dBu. Die Stromversorgung des DBS1 kann entweder über ein externes 5- Volt-Netzteil erfolgen oder via PoE. Die PoE-Stromversorgung ist vor allem dann praktisch, wenn das DBS1 als unkomplizierter Zugang zum Dante-Netz genutzt werden soll. Typische Anwendungen dafür sind Rednerpulte, Orgelspieltische in Kirchen, Konferenzanlagen oder auch Intercom-Einrichtungen. Speziell für Mikrofonsignale kann für die Eingänge des DBS1 auch noch ein Low-Cut-Filter bei 70 Hz aktiviert werden. Alle Einstellungen sind kanalweise möglich und können über Taster direkt am Gerät oder per Software eingestellt werden.

Dante-Controller
Dante Controller mit Zuordnung der Ein- und Ausgänge (links), rechts oben die Dante Virtual Soundcard als Schnittstelle für den Audio-Precision-Analyser zum Dante-Netzwerk. Rechts unten die Konfigurationssoftware für die Dante Breakout Box (Abb. 1) (Bild: Anselm Goertz)

Software, Software, Software …

Bei unserer Erprobung der Breakout-
Boxen kommt jetzt gleich an drei Stellen Software zum Einsatz: Zu den jeweiligen Boxen selbst gehört in der Regel eine einfache Software des Herstellers, um die Hardware gerätespezifisch per Fernsteuerung konfigurieren zu können. Zum Dante-Netzwerk gehört unverzichtbar die Software „Dante Controller“, mit deren Hilfe das Dante-Netzwerk selber konfiguriert und auch überwacht wird. Für den normalen Betrieb des Dante-Netzwerks ist der Dante Controller jedoch nicht erforderlich, da alle Einstellungen in den zugehörigen Komponenten gespeichert werden.
Die dritte Software ist eine Art Hilfsprogramm für die Messungen an den Breakout-Boxen: Die Dante Virtual Soundcard (DVS), die ebenfalls direkt von Audinate kommt. Mit Hilfe der DVS-Software kann der PC bis zu 64 × 64 Audiokanäle bidirektional in das Dante-Netzwerk einspielen oder empfangen.
Bei Windows-Rechnern arbeitet die DVS mit Hilfe von ASIO- oder WDM-Treibern und stellt sich auf dem Rechner als Soundkarte dar. Für die Messungen der Breakout-Boxen kann mit Hilfe der DVS-Software unser Audioanalysator Audio Precision APX555 direkt bis zu acht Signale in das Dante-Netz einspielen und auch wieder abgreifen. Weitere Hardware-Hilfsmittel wie AES3-Interfaces sind damit nicht mehr notwendig, womit sich die Messung von Geräten mit Dante-Interface elegant und einfach gestaltet. Die Dante- Controller-Software gibt es bei Audinate kostenlos zum Download. Die Virtual Sound Card unterliegt einer kleinen Schutzgebühr von 30 $. Viele Hersteller von Recording-Frontends oder Mischpulten mit Dante-Interface liefern die DVS- Lizenz zu ihren Geräten aber auch schon direkt mit.

Dante Breakout Box DBS1
Typische Dante Breakout Box DBS1 mit je zwei analogen Ein- und Ausgängen. Alle Funktionen können entweder am Gerät direkt oder per Software bedient werden (Bild: Anselm Goertz)

Messwerte A/D-Sektion und Preamps

Exemplarisch für die nun in den folgenden Ausgaben erscheinenden Testberichte zu den Dante-Breakout-Boxen wollen wir die Messungen anhand unseres DBS1 erläutern. Die wichtigsten Messungen betreffen den Frequenzgang, den Störabstand, die Verzerrungswerte und einige periphere Eigenschaften wie Gleichtaktunterdrückung (CMRR), Übersprechen (CTC) oder auch den Innenwiderstand der Ausgangsstufen. Um der Menge an Grafiken ein wenig Einhalt zu gebieten, werden zwar alle Messungen durchgeführt, aber nicht alle zugehörigen Grafikenabgedruckt werden. So ist z. B. die Aussagekraft eines Frequenzgangs, der eh als gerader Strich im Diagramm erscheint, eher gering.

Der A/D-Umsetzer zusammen mit seinem vorgeschalteten Preamp ist zweifelsohne der wichtigste Teil einer Breakout- Box: Hier entscheidet sich – unumkehrbar – in welcher Qualität die Signale im Netzwerk ankommen. Speziell für Mikrofonsignale mit sehr kleinen Pegeln ist das der entscheidende Schritt. Die im Folgenden gezeigten Messungen wurden daher jeweils für Line-Pegel-Signale (+21 dBu Sens.) und für Mikrofonsignale (-45 dBu Sens.) durchgeführt.

Die so gemessenen Frequenzgänge aus Abb. 2 sind zur besseren Darstellung bei 1 kHz auf 0 dB normiert. Mögliche Schwankungen im Frequenzgang in Abhängigkeit von der Verstärkung lassen sich so durch den direkt Vergleich erkennen. Die jeweils durchgezogene rote und blaue Linie zeigen die Messung für +21 dBu Sensitivity, die magentafarbene und grüne Linie für −45 dBu Sensitivity. Hier sind alle Linien perfekt gerade ohne nennenswerten Pegelabfall von 5 Hz bis 22 kHz. Die Begrenzung am oberen Ende der Kurve erfolgt durch die Abtastrate von 48 kHz. Zu allen vier Kurven gibt es auch noch je eine gestrichelte Linie, die mit eingeschaltetem Low-Cut gemessen wurde.

Etwas interessanter wird es bei den Störpegelmessungen aus Abb. 3. Die vier dort gezeigten Störspektren entsprechen einem Summenpegel von −110 dBfs (Ch1) bzw. −113 dBfs (Ch2) bei +21 dBu und von −78,5 dBfs (Ch1 und Ch2) bei −45 dBu Eingangsempfindlichkeit. Mit A-Bewertung verbessern sich die Wert um jeweils 2 dB. Bei −45 dBu Sensitivity berechnet sich daraus ein EIN (Equivalent Input Noise) von −123,5 dBu, was auch den Herstellerangaben für den digital steuerbaren Texas PGA2505 Preamp entspricht. Für den nachfolgenden A/D-Converter vom Typ PCM4202 gibt der Hersteller einen A-bewerteten S/N von 118 dB an, dem das DBS1 mit 115 dB für die komplette Eingangsschaltung schon recht nahe kommt. Neben dem Summenpegel der Störspektren ist auch deren Zusammensetzung interessant. Besonders störende monofrequente Anteile sollten nicht enthalten sein. Die Spektren in Abb. 3 sind in dieser Hinsicht mustergültig und zeigen nur gleichmäßig verteiltes weißes Rauschen.

Frequenzgänge des ADC mit Preamp für Sensitivity-Werte von +21 dBu (rot und blau) und von −45 dBu (magenta und grün). Die gestrichelten Kurven wurden mit aktiviertem Low-Cut-Filter 70 Hz gemessen. Alle Kurven sind bei 1 kHz auf 0 dB normiert (Abb. 2)
Störspektren der Analog/Digital-Converter mit Preamp für Sensi- tivity-Werte von +21 dBu (rot und blau) und von −45 dBu (magenta und grün). Bei +21 dBu Sensitivity beträgt der Störpegel in der Summe −110/-113 dBfs und bei −45 dBu Sensitivity −78,5/-78,5 dBfs (Ch1/Ch2 Abb. 3)
THD und THD+N in Abhängigkeit vom Eingangspegel für Sensiti- vity-Werte von +21 dBu (rot und blau) und von −45 dBu (magenta und grün, Abb. 4)
Klirrspektrum bei 1 kHz für die Preamps und A/D-Umsetzer für eine Sensitivity von +21 dBu bei +15 dBu Eingangspegel (Abb. 5)

Auch bei den Verzerrungswerten werden wieder Messreihen bei +21 dBu und −45 dBu Sensitivity erstellt. Kritisch sind dabei vor allem die Werte bei hoher Verstärkung, respektive kleiner Sensitivity (-45 dBu). Abb. 4 zeigt dazu die THD (nur harmonische Verzerrungen) und THD+N (harmonische Verzerrungen und Rauschen) Kurven in Abhängigkeit vom Eingangspegel. Der Wert für THD+N liegt dabei naturgemäß immer etwas höher, da hier zu den harmonischen Verzerrungen auch noch das Rauschen hinzukommt. Dort, wo die Kurven dann steil nach oben gehen, liegt die Clipgrenze für die jeweilige Einstellung. Die beiden Werte von +21 dBu und −45 dBu finden sich hier wieder. Mit −110 dB im Minimum und −100 dB direkt vor der Clipgrenze fallen die Verzerrungswerte sehr gut aus. Selbst bei voller Verstärkung (magenta und grün) liegen die Verzerrungen direkt vor der Clipgrenze noch bei −88 dB (=0,004%), was keiner Diskussion bedarf.

Auch wenn man bei THD-Werten von −100 dB und weniger von vernachlässigbaren Verzerrungen spricht, soll ein grundsätzlicher Blick auf das Klirrspektrum in Abb. 5 nicht ausbleiben. Gezeigt werden die Spektrallinien bezogen auf 0 dBfs. Die Grundwelle bei 1 kHz liegt für einen Eingangspegel von 15 dBu bei −6 dBfs und die größte Oberwelle k3 bei −108 dBfs entsprechend bei −102 dB. Alle anderen harmonischen Verzerrungen sind hier vernachlässigbar oder schon gar nicht mehr sichtbar. Das Klirrspektrum wurde auch noch für eine Sensitivity von −45 dBu mit −51 dBu Eingangspegel gemessen, was aber keine neuen relevanten Informationen lieferte.
Die letzte Messung mit grafischer Darstellung für die Eingangssektion betrifft die transienten Intermodulationsverzerrungen (DIM), bei der ein 15-kHz-Sinus mit einem steilflankigen 3,15-kHz-Rechteck überlagert wird. Ausgewertet werden die dabei entstehenden Intermodulationsprodukte. Diese Messung fördert vor allem Schwächen bei schnellen transienten Signalen zu Tage. Die steilen Flanken des Rechteckanteils fordern die Schaltung deutlich mehr als ein eingeschwungener Sinus bei der THD-Messung. Der DIM-Messung wird daher auch eine relativ große Bedeutung im Zusammenhang mit den klanglichen Qualitäten einer Elektronik zugeschrieben. Abb. 6 zeigt die Werte in Abhängigkeit vom analogen Eingangspegel für die beiden Einstellungen von +21 dBu und −45 dBu. Ein Minimum von −100 dB bis direkt vor der Clipgrenze und immer noch beachtliche −80 dB bei maximaler Verstärkung sind exzellente Ergebnisse.

D/A-Sektion und Ausgangsstufen

Auf der Ausgangsseite übernehmen die D/A-Converter mit den nachfolgenden analogen Ausgangsstufen die Signalübertragung. Auch hier zunächst ein schneller Blick auf die Hardware. Als D/A-Umsetzer werden CS4398 von Cirrus Logic eingesetzt, denen eine symmetrische Ausgangsstufe mit NE5532-OPVs folgt. Die maximale Ausgangsspannung liegt bei +15 dBu. Der demgegenüber gemessen Störpegel an den analogen Ausgängen betrug −99,5dBu bzw. −102 dBu mit A-Bewertung, woraus ein S/N von 114,5 dB resultiert.

Störspektrum an den analogen Ausgängen mit einem Gesamtpe- gel von −99,5 dBu (-102 dBu(A)). Der maximale Ausgangspegel liegt bei +15 dBu, woraus sich ein S/N von 114,5 dB ergibt (Abb. 7)
THD und THD+N der D/A-Umsetzer mit Ausgangsstufen in Abhän- gigkeit vom Ausgangspegel. 0 dBfs auf digitaler Seite entsprechen einem analogen Ausgangspegel von +15 dBu.... (Abb. 8)
Klirrspektrum bei 1 kHz für einen Pegel von +12 dBu (3 dBfs) an den analogen Ausgängen (Abb. 9)

Beim Thema Verzerrungen gibt es für die DACs und Ausgangsstufen im Prinzip vergleichbare Messungen, wie sie auch für die ADCs gemacht wurden, aber nur für eine Pegeleinstellung in diesem Fall für +15 dBu maximalen Ausgangspegels. Die Abbildungen 8 und 9 zeigen den THD und THD+N in Abhängigkeit vom Pegel und das Klirrspektrum bei 1 kHz.

Das Klirrspektrum wurde 3 dB unter Vollaussteuerung bei +12 dBu Ausgangspegel gemessen. Die Verzerrungswerte von −110 dB im Minimum und das vorbildliche Klirrspektrum mit schnell abfallenden Oberwellen sprechen auch hier für sich.

Anzahl der Eingänge: 2
Input Sensitivity: -45…+30 dBu
S/N* @ min. Gain: 110 dB (Ch1) und 113 dB (Ch2)
S/N* @ max. Gain: 78,5 dB (Ch1 und Ch2)
EIN* @ max. Gain: -123,5 dBu (Ch1 und Ch2)
CMRR @ 1 kHz: 49,4 dB (Ch1) und 50,6 dB (Ch2)
CTC @ 1 kHz: >100 dB
Anzahl der Ausgänge: 2
Max. Output: +15 dBu
S/N* rel. zu max. Output: 114,5 dB (Ch1 und Ch2)
CTC @ 1 kHz: >100 dB
Innenwiderstand: 2 x 47 Ω (symmetrisch)
* alle Störpegelwerte 20 Hz bis 20 kHz unbewertet

Zusammenfassung der Messwerte DBS1

Testreihe: Weitere Dante-Modelle

Im Laufe weiterer Ausgaben von Production Partner testen wir Dante-Breakout-Boxen verschiedenster Hersteller und Ausstattung und nehmen sie messtechnisch unter die Lupe, in Ausgabe 6/2019 beispielsweise die NIO xcel von Salzbrenner.

Produkt: Das große Audio Grundlagen-Bundle
Das große Audio Grundlagen-Bundle
In unserem Themenschwerpunkt Digital Audio lüften wir die fundamentalen Grundlagen der digitalen Signalaufzeichnung und digitalen Signalbearbeitung.

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