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MUTEC MC3+USB front gerade

Clock, Word-Clock, Master-Clock, Re-Clocking

Clock, Word-Clock, Master-Clock, Re-Clocking

In meinem Bericht “Clock, Word-Clock, Master-Clock, Re-Clocking” geht es heute darum, diese Begrifflichkeiten zu erläutern und ihre Unterschiede zu beschreiben.

Tipp:
Diese Inhalte finden Sie in dem Produktbeschreibungs-Artikel: MUTEC MC3+USB und REF10 SE120 – weltweit führende Digitaltechnik – Made in Germany im Zusammenhang mit den Geräten von MUTEC noch einmal.

Nachfolgend ein Foto vom MUTEC MC3+USB, der ein Re-Clocking durchführen und zur Master-Clock werden kann.

MUTEC MC3+USB front schräg

Hinweis:

Dieser Bericht richtet sich nicht (!) an Fachleute oder technisch versierte Personen. Ich versuche hier, ein sehr kompliziertes Thema so einfach wie möglich darzustellen.

Die Clock

Das erste wichtige Stichwort lautet „CLOCK“ – zu übersetzen mit:  Taktgeber.
Jedes Gerät und jede Baugruppe, die digitale Musiksignale zu verarbeiten haben, besitzen eine Clock und sind auf diese angewiesen.

„Der Takt macht die Musik“
… so sagt es eine alte, einfache Weisheit.

Doch ganz so einfach wie man sich die Sache vorstellt, ist das mit dem Takt gar nicht. Weder beim Musizieren, noch bei der digitalen Musik-Aufzeichnung.

Die Rolle des Takts in der Musik

Punkt 1: Der richtige (!) Takt (die Zählweise)

In der Musik kennen wir eine Menge unterschiedlicher Takte. Im europäischen Raum sind das vor allem der Drei-Viertel-Takt (Walzer) und der Vier-Viertel-Takt (z.B. Foxtrott).

Punkt 2: Die Geschwindigkeit – Beats per Minute (BPM)

Man kann jeden Takt schneller oder langsamer spielen. (wie beim Wiener Walzer oder Langsamen Walzer)

Punkt 3: Den Takt halten!

Ein Musiker sollte den gewählten Takt halten können, also nicht im gleichen Stück mal schneller und mal langsamer werden.

Punkt 4: Gemeinsam im Takt spielen

Immer dann, wenn mehrere Musiker gemeinsam Musik machen, kommt es nicht nur darauf an, dass sie den selben Takt (also z.B. einen Drei-Viertel-Takt) spielen, sondern auch darauf, dass sie ihn im Gleichtakt spielen. Um dies zu erreichen, richten sich kleinere Gruppen oft nach dem taktsichersten Musiker und größere Orchester benötigen einen Dirigenten.

Was bedeuten diese Erkenntnisse aus der Musikwelt für die digital aufgezeichnete Musik?

Vom analogen zum digitalen Signal

Um dies zu beantworten, müssen wir uns zunächst einmal vor Augen führen, wie ein analoges Musiksignal digitalisiert wird.
Schauen wir uns hierzu eine (ganz einfache) analoge Signalkurve an:

analoges Signal
analoges Signal (Quelle Qobuz)

Im Vergleich dazu jetzt die Digitalisierung am Beispiel der CD-Auflösung:

CD-Signal (Quelle Qobuz)
CD-Signal (Quelle Qobuz)

Das Format einer CD liegt bei 16 Bit und 44.1 kHz, was bedeutet:
44.100 Mal pro Sekunde wird die analoge Signalkurve bei der Umwandlung in ein digitales Signal abgetastet.

44.100 Mal pro Sekunde (das ist die Zeitachse) wird also „nachgesehen“, an welcher Stelle (wie hoch/tief) die Kurve steht.
Um die Höhe (Dynamiktiefe) exakt zu bestimmen, arbeitet das CD-Format pro gelesener Information (Sample) mit einer Reihe aus 16 Nullen und Einsen, aus denen sich (rechnerisch!) 65.536 (= 2 hoch 16) verschieden hohe Pegelzustände ableiten lassen.
Beim High-Resolution-Audio-Format (24Bit bei 96 kHz) wird also sogar 96.000 Mal pro Sekunde eine 24-stellige Reihe aus Nullen und Einsen geschrieben und gelesen. Das sind (wieder rechnerisch!) 16.777.216  (= 2 hoch 24) verschieden hohe Pegelzustände pro Sample.

Obwohl diese theoretischen Möglichkeiten aus technischen Gründen nicht ausgenutzt werden, haben wir es hier mit unvorstellbar vielen Informationen zu tun und man sollte annehmen, dass das mit einer extrem hohen Klang-Qualität einhergehen sollte.
Leider ist das aber beim CD-Format noch nicht so ganz der Fall gewesen, weshalb heute noch viele Musikliebhaber (selbst “Digitalos”) den CD-Klang als zu „künstlich“ empfinden.

Ist digital also immer noch schlechter als analog?

Aus den Erfahrungen mit der CD  heraus den Schluss zu ziehen, dass das digitale Format grundsätzlich und damit für „immer und ewig“ dem analogen Format unterlegen bleiben würde, war und ist von Grund auf falsch.
Heute stimmt das so einfach nicht mehr.
Zwar haben peinliche Dinge wie die MP3-Einführung in der Vergangenheit dafür gesorgt, dass es mit der digitalen Musik-Qualität schlechter statt besser wurde, aber diese unrühmlichen Zeiten sind vorbei und wirken sich heute auf den anspruchsvollen Musikmarkt mit seinem HRA-Streaming-Angebot zum Glück nicht mehr aus.

Parallele zur Fotografie

In der Fotografie lag die wichtige Schwelle, ab wann der Mensch ein digitales Foto nicht mehr als solches entlarven kann,  bei etwa 12 MP (MegaPixel). Als diese Auflösung möglich wurde, war das menschliche Auge nicht mehr in der Lage, bei einem ausgedruckten Fotoformat von etwa 10×15 cm einen Unterschied zwischen einem analog und einem digital produzierten Bild auszumachen.

Im HiFi-Bereich haben sich die Tonmeister auf das „Schwellen-Format“ 24 Bit bei 96 kHz geeinigt. Denn bei diesem Format ist der Mensch nun auch nicht mehr in der Lage, digital von analog zu unterscheiden. Und anders als bei den Behauptungen des Fraunhofer-Instituts zur MP3-Datei, entsprechen diese  Aussagen diesmal auch der Realität.
Eine solche digitale Kurve sieht im bildlichen Vergleich dann so aus:

HRA-Signal (Quelle Qobuz)
HRA-Signal (Quelle Qobuz)

Fazit:
Wir wissen nun, dass ein analoges Signal beim Digitalisieren 96.000 Mal pro Sekunde abgetastet und die Höhe der Signalkurve durch eine 24 Bit “Wortbreite” beschrieben wird. (HRA-Format)

Mit diesem Wissen können wir uns jetzt etwas genauer anschauen, was beim Lesen eines digitalen Signals von Bedeutung ist.

Der Takt im digitalen System

Beginnen wir wieder mit dem Thema Takt an sich

Genau wie bei einer Musikgruppe, bei der ja auch alle wissen sollten, ob sie jetzt einen Walzer oder einen Foxtrott spielen werden, muss eine Komponente wissen, ob sie 44.100 Mal/Sekunde die 16Bit-Samples auslesen muss oder 96.000 Mal die 24Bit-Samples.
(… oder ein anderes Format)
Nun – diese Aufgabe sollte schnell erledigt sein. Eine in der Datei eingebettete Info genügt hier.

Die Takt-Formate bei der digitalen Musikspeicherung

Im Audio-Bereich finden wir heute üblicherweise die beiden Frequenzreihen  44,1 kHz, 88,2 kHz, 176,4 kHz und 48 kHz, 96 kHz, und 192 kHz.
Wobei auffallen sollte, dass sich die beiden Frequenzen 44,1 kHz und 48 kHz parallel zueinander immer schrittweise verdoppeln. Leider passen die beiden Frequenz-Reihen mathematisch überhaupt nicht zusammen, was Digital-Analog-Wandlern Probleme bereitet und was daher bereits eine Ursache für ein nicht so tolles Klangbild sein kann.

Will man eine Audio-Datei aus der einen Frequenzreihe in eine Frequenz aus der anderen Reihe umwandeln, führt das unweigerlich zu Qualitäts-Verlusten, wie wir sie von minderwertigen DA-Wandlern kennen.
Bessere Wandler arbeiten deshalb mit zwei (!) optimierten Clock-Frequenzen und schalten je nach zugeführtem Format zwischen ihnen hin und her. Das ist dann manchmal dieses Klicken, was wir zwischen den Titeln hören können.

Kommen wir zu den Themen „Geschwindigkeit“ und „im Takt bleiben“.

Die Takt-Geschwindigkeit sollte uns theoretisch gar keine Sorgen machen können, ergibt sie sich ja logischerweise aus der verwendeten Frequenz. Schließlich reden wir hier z.B. von 96.000 Mal pro Sekunde – was man in der Musik wohl mit BPM (Beats per Minute) beschreiben würde.
Dass dieser Lese-Takt stabil bleiben muss, versteht sich von selbst, denn schon minimalste Abweichungen führen zum Daten-Chaos und das System liest den falschen Sample oder nur Unsinn!
Die kleinsten Zeitfehler, oft auch mit “Taktzittern” bezeichnet, nennt man “Jitter”. Dass auch sie die Klangqualität nicht gerade verbessern, dürfte einleuchten.
Jitter kann sich aber nicht nur beim Lesevorgang ergeben, sondern auch auf dem kompletten Signalweg. Ein schlechtes Kabel, eine minderwertige Buchse … und die Jitterwerte steigen an. Das kann sogar zu hörbaren Störungen oder zum Totalausfall des Signals führen.

Nun zum Thema „Gleichtakt“

Für einen einzelnen, taktsicheren Musiker ist dieses Problem nicht vorhanden und für eine einzelne, hochwertige digitale Komponente eben auch nicht.
Das ändert sich hier wie dort, wenn mehrere Musiker/Komponenten zusammen Musik machen sollen.
Genau in diesem Moment kommt es nämlich nicht nur darauf an, dass sie beide den gleichen Takt einhalten, sondern sie müssen ihn auch “synchron”, also im Gleichtakt einhalten. Das ist ein großer Unterschied!

Wir wollen: Eins-Zwei-Drei, Eins-Zwei-Drei …  und zwar von allen Musikern!
und nicht Eins-Eins-Zwei-Zwei-Drei-Drei-Eins-Eins-Zwei-Zwei-Drei-Drei…   🙂

Damit das funktioniert, ernennt sich das digitale Quellgerät, z.B. der CD-Transport, zum “Master” und degradiert alle nachfolgenden Komponenten-Clocks zu “Slaves”.
Der CD-Transport wird also zum Dirigenten, dem alle Musiker (Clocks) zu folgen haben.

Lassen Sie sich nun aber bitte nicht dadurch verwirren, dass sich der CD-Transport zum “Master” ernennt. Deshalb wird er noch lange nicht (!!) zur “Master-Clock”! Dazu später mehr.

Master – Slave

Im technischen Bereich werden diese beiden Begriffe schon immer gerne genutzt. Man kann mit ihnen zum Ausdruck bringen, dass es das eine Gerät gibt, was etwas „zu sagen hat“ (Master) und andere, die auf das zu hören haben, was vom Master bestimmt wird. Das sind dann die Slaves.

Durch diese Methode können sich die Clocks digitaler Musik-Komponenten auch ohne eine Master-Clock synchronisieren, was eine zwingende Voraussetzung für die klanggetreue Musikwiedergabe darstellt.

Nach so viel Takt sollten wir uns jetzt vielleicht noch einmal einige weitere Punkte etwas genauer betrachten.
Sorry – aber noch ein wenig Theorie muss sein. 

Was ist eigentlich eine Clock?

Die Clock ist ein Taktgeber. Für diesen Baustein greift man auf Schwing-Quarze zurück.

Diese Quarze gibt es in natürlicher und in künstlich hergestellter Form. Die Herstellung ist in beiden Fällen kompliziert und bei den angegebenen Schwingungsfrequenzen handelt es sich in der Regel um Circa-Werte, die im Nachhinein auch nicht mehr verändert werden können.  Den HiFi-Entwicklern fällt daher die schwierige Aufgabe zu, sowohl Quarze zu selektieren, als auch durch eine entsprechende elektronische Regelung dafür zu sorgen, dass am Ende brauchbare Frequenzen vorhanden sind.
Mehr über Schwing-Quarze finden Sie im Netz, z.B. auch bei Wikipedia.

Bestimmt die Clock also die Qualität einer digitalen Komponente?

Da wir in Digital-Komponenten sowohl bei den Quarzen als auch bei den Regelungen auf unterschiedliche Qualitäten stoßen, kommt es in der Praxis tatsächlich zu unterschiedlichen Klang-Ergebnissen und damit eben auch zu Qualitätsunterschieden.

Manche Hersteller setzen bei den Quarzen extrem aufwändige Selektionsverfahren ein, die sich dann natürlich später im Preis der Komponente widerspiegeln.

Word-Clock

Dies ist kein elektronischer Baustein!
Mit Word-Clock bezeichnet man die Frequenz und die Wortbreite, mit der ein analoges Signal digitalisiert wurde. Also z.B. 44,1 kHz bei 16 Bit (CD-Format).

Ein Solitär (CD-Player, All-in-One-Streamer …) kann diese Informationen aus der digitalen Datei herauslesen und sich unabhängig von anderen Komponenten darauf einstellen.
Kommt es zu einer mehrteiligen Geräte-Kombination, übernimmt (wie wir bereits wissen) das Quellgerät (z.B. der CD-Transport) die Aufgabe eines Masters und sorgt nicht nur dafür, dass alle Clocks in den nachfolgenden Geräten die Information über den Takt (z.B. 44,1 kHz) erhalten, sondern auch dafür, dass sie mit seiner Clock im Gleichtakt schwingen.

Die Master-Clock

Die Master-Clock ist immer eine externe Komponente mit Anschlüssen für mehrere digitale Geräte.
Sie ist sozusagen der Dirigent, der allen Komponenten (Musikern) den korrekten Takt vorgibt.

Und genau wie in einem Orchester sorgt auch hier der Dirigent dafür, dass taktschwache Musiker oder in unserem Fall minderwertige Clocks die hohe Qualität der Master-Clock übernehmen und somit Präzisionsleistungen vollbringen, zu denen sie ohne die Master-Clock niemals in der Lage wären.

Hierdurch erklärt sich auch, dass selbst eine einzelne (!) Komponente, die wir an eine Master-Clock anschließen, sofort mit einem besseren Klangbild reagiert. Auch ein einzelner taktunsicherer Musiker würde ja von einem Dirigenten profitieren.

Re-Clocking am Beispiel des MUTEC MC3+USB.

MUTEC MC3+USB back + front
MUTEC MC3+USB back + front

Während eine Master-Clock den Dirigenten darstellt, der allen Musikern den korrekten Takt vorgibt, kümmert sich der MC3+USB darum, den instabilen und unsauberen Takt eines einzelnen “Musikers” zu berichtigen.

Verbinden wir das USB-Kabel des Quellgeräts (heute meistens des Streamers) mit einem Re-Clocker, trennt dieser im ersten Schritt die Audio-Bit- von den Taktsignalen und verwirft dann die eingegangenen Taktsignale komplett. Inklusive Störungen, Rauschen und Jitter.
Im zweiten Schritt baut er sie dann wieder neu auf.

Zu USB:
Immer noch werden die USB-Schnittstellen vor allem von DAC- Entwicklern als minderwertig betrachtet und daher vernachlässigt. Auch bei Herstellern halten sich eben manche Vorurteile hartnäckig über eine sehr lange Zeit. Und so lange schlechte USB-Schnittstellen verbaut werden, kann sich an diesem Vorurteil auch nichts ändern. Ein Teufelskreis!
Dem entgegen steht die Tatsache, dass immer mehr Quellgeräte auf USB setzen, auch im Hochpreis-Sektor. Wodurch die DAC-Entwickler gezwungen werden nachzubessern.
Re-Clocker wie der MUTEC MC3+USB kann auch da so ein Retter in der Not sein, da er eingangsseitig mit USB und ausgangsseitig mit AES/EBU, Coex, Toslink und BNC arbeitet.

MUTEC MC3+USB back
MUTEC MC3+USB back

Zusammenfassung:

Seitdem wir durch das Streaming Zugang zu High-Resolution-Audio-Dateien erhalten haben und sich damit die digitale Musik stolz und gleichwertig neben der analogen Musik positioniert, werden auch die wahren Problemstellen einer digitalen Kette immer deutlicher und können so gezielt bekämpft werden.

Während wir beim Plattenspieler kritische Punkte wie die Entkoppelung, die Justage, den elektrischen Abschluss usw. kennen, treffen wir beim digitalen Equipment auf das Thema „Takt“.

Und wer der analogen Klangqualität endlich eine digitale Wiedergabe auf “Augenhöhe” entgegensetzen will, der sollte sich um dieses Thema kümmern.

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