Audioprozessor und Netzwerk-Knotenpunkt

Outline Newton im Test

Outline Newton(Bild: Dieter Stork)

 

Der italienische Hersteller Outline, bekannt für professionelle Großbeschallungssysteme mit innovativen Features, stellt mit dem Newton Processor einen neuen Gerättypus vor, den man bei Outline selber als „Multi-Source Audio Processor“ bezeichnet, womit man die Sache bereits auf den Punkt trifft: Der Newton-Processor kann als zentraler Kontenpunkt in großen Audiosystemen eine Vielzahl von Audiosignale verwalten, zuordnen, filtern, verzögern – und noch vieles mehr. Der Schwerpunkt liegt dabei auf digitalen Signalen, für die der Newton Schnittstellen im Dante-Format, als MADI coaxial und optisch sowie mit AES3-Schnittstellen bereithält. Optional gibt es dann noch je acht analoge Ein- und Ausgänge. Summiert man alles auf, dann wird daraus die beachtliche Menge von bis zu 216 Eingangswegen und ebenso vielen Ausspielwegen. Äußerlich und vor allem von vorne betrachtet ist der Newton dagegen eher unscheinbar. Das nur 1 HE messende 19″-Gerät zeigt auf der Front mit einer Reihe LEDs diverse Statusmeldungen, Presets und ein aktives Processing an, gibt aber sonst noch nicht viel über seine Funktion preis. Wie bei vielen modernen Geräten ist die Rückseite da gegen mittlerweile wesentlich aussagekräftiger.

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Outline Newton
Frontansicht des Newton 16+8 Prozessors mit den Statusanzeigen (Bild: Anselm Goertz)

Von links nach rechts gibt es zunächst zwei Kaltgerätebuchsen. Für ein Gerät mit einer absolut zentralen Aufgabe in einer Beschallungsanlage spielt der Aspekt der Betriebssicherheit eine besonders große Rolle, dem hier durch zwei Netzteile, die dann auch noch auf zwei separate Stromkreise gelegt werden können, Rechnung getragen wird. Es folgt eine USB „OTG Buchse“ (für „on the go“), die an vielen aktuelle Smartphones heute als Schnittstelle zur Außenwelt dient und im Newton für zukünftige Anwendung gedacht ist. In der weiteren Abfolge kommen dann vier Netzwerkbuchsen, von denen zwei als primärer und sekundärer Dante-Port definiert sind. Mit vier Anschlüssen optisch und coaxial jeweils als Input und Output folgt die MADI-Schnittstelle. Dabei sind die koaxialen und optischen Anschlüssen nicht nur alternativ sondern auch parallel nutzbar. Vier weitere BNC-Buchsen können Wordclock-Signale, auch für die Video-Synchronisation, entgegennehmen oder ausgeben. Die rechte Hälfte der Rückseite teilen sich sechs D-Sub-Buchsen. Zwei 9-polige für ein RS485-Interface und GPIO-Anschlüsse sowie vier 25-polige für die Ein- und Ausgänge im AES/EBU (AES3) Format und die optionalen analogen Ein- und Ausgänge. Letztere gibt es jeweils maximal acht an der Zahl, die optional bestückt oder nachgerüstet werden können. Das Pinout mit je acht Ein- oder Ausgängen auf den D-Sub25-Anschlüssen entspricht den Tascam/Yamaha-Konventionen für analoge Anschlüsse auf D-Sub-Verbindern. Bei denAES/EBU-Anschlüssen ist man mit je vier Ein- und Ausgangswegen der Tascam-Konvention gefolgt.

Outline Newton
Dicht bepackte Rückseite des Newton 16+8 Prozessors mit den analogen und digitalen AES3-Schnittstellen auf D-Sub-Buchsen. Die MADI-Interfaces gibt es sowohl optisch wie auch mit Coax-Anschlüssen (Bild: Anselm Goertz)

Was der Newton Processor nun mit den vielen Eingangs- und Ausgangswegen macht, erklären am besten die Grafiken aus Abb. 1 und 2. Abb. 1 zeigt dazu nochmals alle Ein- und Ausgänge am Newton. Für das Routing im Gerät gibt es einen Input- und einen Output-Patch, von den 216 Eingangssignalen können beliebige 16 auf einen Processing-Block (Input DSP) geroutet werden. Zusätzlich gibt es noch den 8-in-2-Aux-Mischer für die analogen Eingänge. Von dort geht es mit insgesamt 18 Kanälen in einen Matrix-Mixer mit 16 Ausgängen Die 16 Ausgänge der Matrix, dem auch wieder ein Processing-Block (Output DSP) folgt, können anschließend über den Output-Patch frei auf die 216 Ausgänge geroutet werden.

Outline Newton
Innenansicht des Newton mit einem großen PCB und Aufsteck-Boards für das Dante-Brooklyn-Modul, den FPGA-Baustein und die analogen Ein- und Ausgänge (Bild: Anselm Goertz)

Etwas vereinfacht könnte man auch von einem „18 × 16 Matrix-Mischer mit DSP-Funktionalität in den Ein- und Ausgängen kombiniert mit je einem Input- und einem Output-Routing-Modul“ sprechen. Das klingt zunächst einmal einfach, wird aber in dem Moment etwas komplizierter, wenn man bedenkt, dass die Eingangs- und Ausgangssignale großteils digital sind und für eine beliebige gemeinsame Verarbeitung synchronisiert werden müssen! Das geschieht in Abbildung 3 in den mit ASRC (asynchrones sample rate conversion) bezeichneten blauen Modulen. Über die Bedienoberfläche kann der Anwender auswählen, welche Quelle mit der Master Clock synchronisiert wird oder ob alternativ die interne 96-kHz-Clock genutzt wird. Die gleiche Auswahl gibt es auch für die Word-Clock-Ausgänge 1 und 2.

Dashboard Software
Dashboard Software zur Bedienung des Newton-Prozessors, links im sepa- raten Fenster der Matrix-Mischer und rechts eine Filtereinstellung (Abb. 4) (Bild: Anselm Goertz)

Newton Dashboard

Ein komplexes Gerät wie der Newton Processor benötigt eine entsprechend durchdachte Software für die Einstellung und Nutzung. Von Outline gibt es dazu die kostenlose Dashboard-Software, die aktuell für das Betriebssystem MacOS verfügbar ist. Nach der Installation geht auch die Bedienung der Dashboard-Software relativ leicht von der Hand. Abb. 4 zeigt dazu einen Screenshot, wo in der linken Spalte die im Netzwerk verfügbaren Newton-Geräte gelistet sind, deren Funktionen dann im Dashboard geöffnet und angeordnet werden können. Im Beispiel aus unserem Test (mit nur einem Gerät) ist zum einen das Home-Window mit einer Übersicht aller DSP-Input- und Output-Channels zu sehen und ein Fenster mit einem Filter-Layer aus einem der Ausgangskanäle.
Neben dem Home-Window gibt es noch die weiteren Fenster für den Input-Router, die Matrix, den Output-Router sowie die Clock-Auswahl und die Gerätekonfiguration.

Ein- und Ausgänge am Newton
Ein- und Ausgänge am Newton mit je 216 Ein- und Ausspielwegen (Abb. 1)

Zentrale Matrix

Der Matrix Mixer ist die zentrale Stelle im Signalfluss innerhalb des Newton Processors. Eingänge und Ausgänge können dort beliebig zusammengemischt werden. Für jeden der 18 × 16 Verknüpfungspunkte kann zudem der Pegel eingestellt werden.
Wo die Matrix-Outputs dann den Newton wieder verlassen, wird im Ausgangs-Routing eingestellt. Die so genannten Pick-Off Points können im Output-Fenster auf die Hardware-Ausgänge gezogen und so mit diesen verbunden werden. Wie die linke Spalte in Abb. 7 zeigt, können das nicht nur die Ausgänge der Matrix, sondern quasi auch beliebige andere Punkte im Signalfluss des Newtons sein. Möchte man (z. B. zu unseren Messzwecken) die Matrix und die Signalbearbeitung umgehen, dann können auch die Signalpfade aus dem Input-Patch direkt mit den Ausgängen verbunden werden.

Matrix
Matrix mit 18 Ein- und 16 Ausgängen (Abb. 6) (Bild: Anselm Goertz)

 

Routing
Routing für die 216 Ausgänge … (Abb. 7) (Bild: Anselm Goertz)

Zwei weitere (hier nicht abgebildete Fenster) mit den Bezeichnungen Clock sowie IO Config ermöglichen die Auswahl und Einstellung der Clock-Quellen und zeigen die jeweiligen Abtastraten der anliegenden Signale an. Für die analogen Ein- und Ausgänge besteht zudem die Möglichkeit, mit der Einstellung „isolated“ eine komplette galvanische Trennung vom Rest des Gerätes herzustellen. Brummschleifen und andere Störungen über die Leitungen können damit vermieden werden. Die Eingangsempfindlichkeit der analogen Eingänge für 0 dBfs auf digitaler Seite kann zwischen +20 dBu und +26 dBu umgeschaltet werden.

Routing
Routing-Möglichkeiten im Newton. Im Input-Patch können pro DSP-Ein- gang vier Zuspielwege mit Fallback-Funktion definiert werden (Abb. 2)

Safety first: Fallback auf allen Ebenen

Als zentraler Punkt in einem Audionetzwerk kommt einem Gerät wie dem Newton eine besondere Bedeutung zu. Ein Ausfall würde die gesamte Anlage betreffen und einen audiotechnischen Blackout nach sich ziehen. Die Ursachen für einen solchen Ausfall können vielfältig sein. Die Erfahrung mit digitalen Geräten aller Art zeigt jedoch, dass intern im Gerät häufig das Netzteil die Ursache ist oder eben ein externer Stromausfall. Verstärker oder aktive Lautsprecher werden daher auf verschiedene Stromkreise aufgeteilt. Fällt eine Leitung aus, dann betrifft das nur eines von vielen Geräten. Gibt es jedoch nur ein zentrales Geräte, ähnlich wie bei Mischpulten, dann geht diese Strategie nicht auf. An dieser Stelle kommt dann das zweite Netzteil ins Spiel, das dann selbstverständlich auch über eine zweite unabhängige und separat abgesicherte Netzleitung angeschlossen werden sollte. Fällt eine Leitung oder ein Netzteil aus, dann übernimmt das zweite lückenlos den Betrieb.

Doppeltes Netzteil
Doppeltes Netzteil für ein Gerät in zentraler Position (Bild: Anselm Goertz)

Nicht viel weniger kritisch sind die Signalleitungen, wenn es um Audio über Netzwerk geht. Das Dante-Netzwerk sieht hier bereits von sich aus eine Redundanz vor, bei der zwei komplett unabhängige Netze aufgebaut werden können, die dann auf den primären und sekundären Dante-Port arbeiten. Um ein Netzwerk wirklich redundant auszuführen, ist die Voraussetzung jedoch der absolute Verzicht auf jedwede gemeinsame Komponente. D. h. auf jeden Fall separate Switche, nicht nur Subnetze in einem Switch, und für diese auch wieder unabhängige Stromversorgungen. Bei einer MADI-Verbindung ist die Redundanz nicht von vorne herein schon eingebaut. Hier wäre diese durch eine Nutzung beider Signalwege, optisch und elektrisch, explizit herzustellen. Die Umschaltung erfolgt dann durch das empfangende Gerät.

Input-Routing
Input-Routing mit Dreifach-Fallback (Abb. 5) (Bild: Anselm Goertz)

Im Newton setzt man an dieser Stelle ganz auf Sicherheit. Für jeden der 16 Eingänge der Matrix können bis zu vier Quellen ausgewählt werden, die dann eine Priorität zugeordnet bekommen. Abb. 5 zeigt das Input Fenster mit den entsprechenden Auswahlmöglichkeiten. Die Quellen wer- den dazu einfach aus der linken Spalte per drag and drop an die entsprechende Stelle gezogen. Gibt es zwischen den Signalleitungen Pegel und/oder Lautzeitunterschiede, dann können diese durch eine entsprechende Einstellung ausgeglichen werden, so dass eine Umschaltung auf eine niedrigere Ebene nicht auffällt. Die Umschaltung kann für jeden Eingang auf automatisch oder manuell eingestellt werden.

Blockschaltbild
Funktionsübersicht und Signalfluss im Newton (Abb. 3)

Filterfunktionen

Kommen wir noch einmal zurück zum Home Window aus Abb. 4, dann gibt es dort für jeden Input- und Output-Weg die üblichen Funktionen mit einem Fader, Pegelanzeige, Mute, Delay und Phase inverse. Die kleine Grafik unter der Beschriftung deutet zudem einen Filterfrequenzgang, hinter dem sich ein frei konfigurierbares Filter mit vier separaten Layern verbirgt. Für die Ausführung der Filterfunktionen, ebenso wie alle anderen Signalbearbeitungen, verwendet man bei Outline keinen Standard-DSP, sondern einen FPGA-Baustein. FPGA steht für „Field Programmable Gate Array“ und bezeichnet einen Chip, dessen Funktion vom Anwender definiert werden kann. Eingesetzt werden FPGAs von simplen Steuerungsfunktion bis hin zu hoch komplexen signalverarbeitenden Prozessen wie hier im Newton. Die Vorteile gegenüber Standard-DSPs liegen vor allem in der spezialisierten hohen Funktionsdichte. Der FPGA-Chipsatz befindet sich im Newton ebenso wie das Dante-Brooklyn-Modul und die analogen Ein- und Ausgänge auf separaten PCBs.

FPGA Chip
FPGA Chip-Satz als Herzstück des Newton Processors (Bild: Anselm Goertz)

Neben den Standardfunktionen der Matrix lohnt es sich vor allem, einen Blick auf die Filter im Newton zu werfen. Diese sind als Raised-Cosine-Filter (siehe unser Beitrag auf dieser Seite) realisiert und bieten somit eine Reihe von Möglichkeiten, die mit den sonst üblichen Bi-Quad- Strukturen nicht möglich sind. In jedem der vier Layer eines Filters können bis zu acht einzelne Filter definiert werden. Für die Filterfunktion stehen Bell-Filter, Low- und High-Shelfs sowie Bandpässe zu Auswahl.

Die Bell-Filter lassen sich, wie in Abb. 8 und 9 gezeigt, in weiten Bereichen parametrieren. Das Gain reicht von −18 bis +12 dB und die Bandbreite von 0,1 bis 6,7 Oktaven. Mit 96 kHz Abtastrate im Processing sind zudem Mittenfrequenzen von 20 Hz bis 40 kHz möglich. Die Filterkurven sind dabei unabhängig von der Frequenz im grundsätzlichen Verlauf immer perfekt gleich.
Besonders interessant wird es bei den Low- und High-Shelf-Filtern (Abb. 10), die unabhängig von den sonst bekannten Verläufen für Shelf-Filter 1. und 2. Ordnung quasi ideale Verläufe ermöglichen. Man gibt wie üblich die Frequenz und das Gain ein und kann dann die Steilheit der Flanke exakt in Oktavanteilen einstellen. Der Verlauf reicht dabei von einer üblichen flachen Flanke bis zur scharfen Sprungsstelle, jedoch ohne Überschwingen. Ähnlich sind die Möglichkeiten bei den Bandpassfiltern (Abb. 11), wo neben den beiden Frequenzen und dem Gain für beide Flanken unabhängig deren Steilheit eingestellt werden kann, womit auch asymmetrische Bandpassfilter möglich werden.
Mit dieser Art Filter sind mit relativ wenigen einzelnen Filtern auch sonst eher schwierige Einstellungen möglich. Ein weiterer Pluspunkt ist die präzise Definition der Parameter und deren Umsetzung. Mit vier für den Anwender unabhängigen Layern können zudem für verschiedene User eigene EQs bereitgestellt werden. Im Hintergrund werden alle Layer zusammengeführt und in einer Raised-Cosine-Filterbank (RC) umgesetzt. Latenzen und die erforderliche Rechenleistung sind somit immer konstant.
Die Bearbeitung der Filter mit den vier Layern ist in der Dashboard-Software komfortabel und intuitiv bedienbar gelöst. Copy and Paste sowie Flat- und Bypass-Funktionen gibt es sowohl für den kompletten Layer wie auch für einzelne Filter. In der Grafik angezeigt wird immer die Summenkurve der Filter aus allen vier Layern.

AD- und DA-Umsetzer
Optionale AD- und DA-Umsetzer für analoge Ein- und Ausgänge, jede Platine beherbergt zwei Ein- oder Ausgänge (Bild: Anselm Goertz)

AD-Converter der analogen Eingänge

Auch wenn der Newton Processor überwiegend auf digitalen Schnittstellen basiert, sollen die optionalen analogen Ein- und Ausgänge bei den Messungen nicht außen vor gelassen werden. Angeboten wird der Newton als Newton 16, als 16+4 und 16+8, wobei die Zahl hinter dem Plus die Anzahl der analogen Ein- und Ausgänge beziffert. Vier analoge Ein- und Ausgänge stehen mit 1.500 € Aufpreis in der Liste. Das mag auf den ersten Blick „nur für je vier analoge Anschlüsse“ viel erscheinen, was sich aber im Hinblick auf die hier eingesetzten Highend-ADCs und DACs mit galvanisch völlig getrenntem Aufbau mehr als rechtfertigt: ADCs (PCM4220) und DACs (PCM1794) stammen beide von BurrBrown und gehören mit zum Besten, was der Markt zu bieten hat!

Beginnen wir bei den Eingängen, dann misst man einen erwartungsgemäß perfekt geraden Frequenzgang (Abb. 12), der bis über 40 kHz auch in einer hoch aufgelösten Darstellung keinen Abfall aufweist. Am unteren Ende lassen sich −1 dB bei 5 Hz ablesen. Der zugehörige Phasengang verhält sich im Verlauf ähnlich. Der Störpegel der ADCs zusammen mit den analogen Eingangsschaltungen beträgt auf digitaler Seite −120 dBfs und mit A-Bewertung −122 dBfs. Das zugehörige Störspektrum (Abb. 13) ist zudem frei von monofrequenten Anteilen und enthält nur gleichmäßig verteiltes weißes Rauschen.
Die Eingangsempfindlichkeit für Vollaussteuerung auf digitaler Seite kann per Software von +26 dBu auf +20 dBu umgeschaltet werden, womit eine optimale Anpassung an die meisten professionellen Audiogeräte möglich ist. Die Messungen aus Abb. 14 wurden mit einer Einstellung für +26 dBu durchgeführt. Die THD-Werte liegen dann bis +12 dBu Eingangspegel bei sehr guten −100 dB (=0,001%). Der danach folgende Anstieg auf −80 dB geht vermutlich auf die analoge Eingangsschaltung zurück. Wie sich die Verzerrungen dort zusammensetzen zeigt das Klirrspektrum aus Abb. 15. Den größten Anteil liefert k3 mit einem Pegel 84 dB unterhalb der Grundwelle.
Ein ähnliches Verhalten lässt sich in der DIM-Messung für transiente Intermodulationsverzerrungen erkennen. Bei kleinen Pegeln werden sehr gute Werte von −90 dB erreicht, die dann aber oberhalb von 0 dBu Eingangspegel beginnen anzusteigen. Mit −70 dB DIM bei +20 dBu Eingangspegel befindet man sich aber immer noch in einem hinreichend guten Wertebereich.

DA-Converter im Audioprozessor-Out

Wenden wir uns der Ausgangsseite und damit den DACs zu: Hier ist der Frequenzgang (Abb. 18) nicht ganz so ausgedehnt und reicht, wenn man die −1 dB Eckfrequenzen betrachtet, von 20 Hz bis 30 kHz, was natürlich keiner weiteren Diskussion bedarf. Der ebenfalls nur aus gleich verteiltem weißen Rauschen bestehende Störpegel an den analogen Ausgängen liegt bei −96 dBu (-98 dBu mit A-Bewertung). Der maximale Ausgangspegel beträgt demgegenüber +20 dBu, voraus sich ein sehr guter Dynamikumfang von 116 dB berechnet.

Die Verzerrungswerte in Abhängigkeit vom Pegel in Abb. 20 fallen bis auf −110 dB und steigen auch bis zu Clipgrenze nicht über sehr gute −98 dB an. Die spektrale Zusammensetzung (Abb. 21) erweist sich an dieser Stelle mit primärem k2 als völlig unkritisch. In Abhängigkeit von der Frequenz gemessen (Abb. 22) bleiben die Werte zwischen 20 Hz und 20 kHz nahezu auf dem Wert der 1-kHz-Messung. Die Messung wurde mit einer Belastung an den Ausgängen von 20 kΩ und mit 600 Ω durchgeführt. An der 600-Ohm-Last sind die Werte unverändert gut. Die analogen Ausgänge des Newton sollten daher problemlos auch viele parallel angeschlossene nachfolgende Geräte bedienen können.
Eine letzte Messung der analogen Ausgänge erfasst die transienten Intermodulationsverzerrungen (DIM). Die Grafik in Abb. 23 weicht in ihrer Form etwas von den anderen Messungen im typischen Audio-Precision-Design ab: Das APx555 bietet keine DIM-Messung für DA-Converter an, sodass hier auf das Rohde&Schwarz UPD zurückgegriffen wurde. Das UPD bietet zwar nicht den Komfort des APx555, steht diesem aber in der Güte der Messung in nichts nach. Die vom Newton erreichten DIM-Werte für die analogen Ausgänge liegen bei −80 bis −90 dB und erreichen damit ein sehr gutes Niveau. Positiv ist noch zu erwähnen, dass die guten Werte bis zur Clipgrenze bei −2 dB erhalten bleiben. Die Clipgrenze liegt aufgrund der Signalform bei einer DIM-Messung um 2 dB niedriger als bei einem Sinussignal. Das DIM-Signal als Mischung aus einem Rechtechteck mit überlagertem Sinus führt in den Oversampling-Filtern der DACs zu einem etwas früheren Clipping.

Fazit: Netzwerk-Kontenpunkt

Outline stellt mit dem Newton Processor einen neuen Gerätetypus vor, der wie eine Art Netzwerk-Kontenpunkt in Audioanlagen zu agieren vermag. Mit Dante- und MADI-Interfaces sowie Ein- und Ausgänge im weit verbreiteten AES/EBU-Format und optionalen analogen Anschlüssen ist der Newton in der Lage, fast alle Arten von Signalen zu empfangen und auch weiterzugeben. Die Besonderheit liegt dabei in der asynchronen Sample Rate Conversion (ASRC), mit der auch die nicht synchron einlaufenden digitalen Audiosignale synchronisiert und zusammen verarbeitet werden können. Mit je 216 Ein- und Ausgängen, einem Eingangs- und einem Ausgangs-Router und der zentralen 18 × 16 Matrix kann der Newton so zur zentralen Signalverteilung und Bearbeitung eingesetzt werden. Ein besonderes Highlight sind die in jedem DSP-Channel vorhandenen Raised-Cosine-Filter mit je vier Layern, die weitreichende Filtermöglichkeiten eröffnen. Typische Einsatzbereiche für den Newton sind z. B. große Festivals mit ausgedehnten Audionetzwerken, Festinstallation mit gewachsenen Netzwerkstrukturen unterschiedlicher Art, aber auch Konzertsäle, Kirchen und ähnliches, wo Beschallungsanlagen Schnittstellen zu Ü-Wagen oder Radio- und TV-Stationen bereitstellen müssen. Über einen Newton-Processor im Netzwerk lassen sich alle Signale abgreifen, bei Bedarf auch aufbereiten und im gewünschten Format weiterleiten. In der Basisausstattung ohne analoge Ein-/Ausgänge steht der Newton mit 6.500 € UVP in der Preisliste des deutschen Outline-Vertriebes Trius in Ibbenbüren. Vier analoge Ein- und Ausgänge gibt es zum Aufpreis von 1.500 € und je acht für 3.000 €. Betrachtet man die Möglichkeiten des Newton, wenn es um die
Verwaltung und Bearbeitung von Signalen in Audionetzwerke geht, dann bekommt man hier sehr viel fürs Geld geboten. Hinzu kommt der hoch professionelle Anspruch des Gerätes die Betriebssicherheit und Ausführung betreffend. Nicht jeder hat Bedarf für ein so spezielles Gerät, wenn dieser aber besteht, dann liegt man mit dem Newton Processor absolut richtig.

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