Seit ungefähr zwei Jahren sorgt der international hoch angesehene neuseeländische Hersteller von Musikservern auch in Deutschland für Furore.
Vor ein paar Tagen hat Antipodes mit der K- und S-Serie eine komplett neue Generation von Musikservern angekündigt. Für uns Grund genug, die Story hinter dem Antipodes Erfolg etwas genauer unter die Lupe zu nehmen.
Firmengründer Mark Jenkins lässt uns dabei tief in seine Trickkiste schauen und erklärt ausführlich seine Design-Grundsätze, die entscheident für die Musikalität seiner Musikserver sind.
Am Anfang stand das Rauschen
Nachdem er 25 Jahre Erfahrung in der Branche für digitale Audioübertragungssysteme gesammelt hat, begann Mark Jenkins im Jahr 2009 mit der Erforschung des Designs von Musikservern.
Seine wesentliche Erkenntnis war, dass einfache Schaltungen, qualitativ hochwertige Bauteile und die Konzentration auf die Reduzierung von Rauschstörungen des digitalen Audiosignals die besten Ergebnisse lieferten.
Außerdem stellte sich heraus, dass es nicht nur auf die Menge des Rauschens ankommt, sondern auf die Frequenzen, bei denen das Rauschen seinen Höhepunkt erreicht sowie auf die Verteilung des Rauschens im gesamten Frequenzspektrum.
Spread Spectrum Technik
Bei der Entwicklung von Mainboards wird eine wichtige Technik verwendet, die als “Spread Spectrum” bezeichnet wird. Sie dient im Wesentlichen zur Reduzierung des Rauschens, indem die Spitzenwerte über ein breiteres Frequenzband verteilt werden. Diese Technik wird von allen Mainboard-Herstellern verwendet, um die RFI- und EMI-Emissionsvorschriften einzuhalten.
Bis 2016 verfeinerte Mark Jenkins genau diese Technik, um die in seinen Musikservern verwendeten Motherboards auf maximale Klangqualität zu trimmen.
Bandbreite und Dynamik
Im Oktober 2016 wurde den Ingenieuren bei Antipodes Audio klar, das mit der alleinigen Konzentration auf das Rauschen keine weitere Klangsteigerung mehr möglich ist. Das klangliche Maximum mit dieser Technik war erreicht.
Bei vielen Klangvergleichen mit hochwertigsten analogen HiFi Systemen stellte sich jedoch heraus, dass die “Explosivität” von Live Musik von den Musikservern nicht ganz so mitreißend wiedergegeben wurde. Außerdem schafften analoge HighEnd Anlagen eine sauberere Wiedergabe von schnellen Transienten. Sicherlich Jammern auf höchstem Niveau, aber die Musikserver klangen weniger emotional, weniger packend.
Im ersten Schritt wurden alle Designentscheidungen zur Optimierung des Rauschens auf ihren Bandbreiteneinfluss hin überprüft und alle mit negativem Einfluss wieder zurückgenommen. Das Ergebnis war verblüffend:
Die Musik gewann deutlich an Leben und Dynamik.
Im zweiten Schritt wurde die gesamte Abstimmung des Mainboards auf den Prüfstand gestellt und schnell wurde klar:
Nur mit einem komplett neu entwickelten, viel schnelleren linearen Netzteil sowie einem guten Kompromiss zwischen Rauschoptimierung und Bandbreite sind weitere Klangverbesserungen möglich.
Letzten Endes entstanden daraus die beiden aktuellen Musikservermodelle Antipodes CX und EX, die wegen Ihrer analogen Musikalität viel Beachtung fanden.
OLADRA Projekt
2017 startete Antipodes Audio das Projekt OLADRA, um alle Entwicklungskapazitäten für Musikservertechnologie zu bündeln. Natürlich standen dabei auch die Themen Stromversorgung, Bandbreite und Rauschunterdrückung im Focus.
Ein einfaches Beispiel:
Wird Rauschen einfach aus einem Signal herausfiltert, dann begrenzt das automatisch die Bandbreite. Es muss also von unten nach oben entwickelt werden, um die Erzeugung des Rauschens von vornherein zu vermeiden, damit es später nicht herausgefiltert werden muss.
Die Ergebnisse aus dem Projekt versuchen wir hier allgemeinverständlich wiederzugeben, eingefleischte Techniker mögen uns einige Vereinfachungen bitte nicht nachtragen.
Interference Spectrum Management
Das Projekt OLADRA lieferte neue Erkenntnisse darüber, wie das vom Mainboard erzeugte Rauschen unter Beibehaltung der Bandbreite verringert werden kann. Die Wissenschaft schlug die Möglichkeiten vor, aber es erforderte eine sorgfältige Entwicklung von Prototypen und natürlich ausgiebiges Probehören, das immer und immer wieder wiederholt wurde, um zu den Erkenntnissen zu gelangen, die Antipodes in den neuen Musikservern der K- und S-Serie umgesetzt hat.
Um es etwas genauer zu erklären: Antipodes entwickelt keine Mainboards. Firmen wie Intel stellen Chipsätze her und veröffentlichen Referenzdesigns. Firmen wie ASUS entwickeln Leiterplatten-Layouts für diese Chipsätze und suchen die Bauteile und Komponenten für ihre Mainboards aus. Antipodes kennt die zur Auswahl stehenden Bauteile und Komponenten sehr gut und wählt gezielt die Mainboards aus, die am besten für Musikserver geeigneten sind.
Nahezu alle Chips auf einem Mainboard haben Parameter, die eingestellt werden können, um die vom Chip erzeugten Rauschspitzen zu beeinflussen bzw. zu verteilen. Dies kann auch auf Mainboard-Ebene genutzt werden, um Rauschknoten zwischen den Rauschspektren mehrerer Chips zu eliminieren. Es ist möglich, dies allein durch Messung des resultierenden Rauschens zu tun, aber die eigentliche Herausforderung besteht darin, zuzuhören und gut zu beurteilen, wie die resultierende Klangqualität aus einer Vielzahl möglicher Anpassungen optimiert werden kann.
Hybrid Switched Linear Power Supply
Antipodes war der erste bedeutende Hersteller von Musikservern, der lineare Stromversorgungen einsetzte. Viele andere sind seither diesem Beispiel gefolgt.
Dies ist ein einfacher Weg, um Störgeräusche zu reduzieren und führt zu einem weicheren, analogeren Klang sowie zu einer besseren, natürlicheren Tonalität. Durch die geringe Bandbreite der Linearnetzteile fehlt der Klangwiedergabe aber ein guter Teil der Dynamic, die Live Musik zu einem spannenden, mitreißenden und emotionalen Erlebnis macht.
Einige Komponenten der Mainboards klingen mit einem rauscharmen Linearnetzteil besser und andere mit einem schnellen Schaltnetzteil. Das ideale Netzteil für eine digitale Schaltung hätte das niedrige Rauschen der leisesten linearen Netzteile und die Geschwindigkeit der schnellsten Schaltnetzteile.
Auf Grund dieser im Rahmen des OLADRA Projekts gewonnen Erkenntnis verwenden die neuen Antipodes-Musikserver ein Gesamtnetzteilschema, das Elemente von linearen Netzteilen und von Schaltnetzteilen verwendet, um der idealen Stromversorgung für digitale Schaltungen näher zu kommen. Antipodes verspricht ein Ergebnis frei von alten Kompromissen und eine exzellente Klangqualität mit der vollen Dynamic, die auch ein analoges HighEnd System nicht mehr übertreffen kann.
Rauschen
In der Abbildung einer perfekten Rechteckwelle unten ist die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse die Spannung. Wir gehen davon aus, dass der Takt perfekt ist – d.h. die vertikalen Signallinien treten in perfekten Intervallen auf (die Bitrate).
Wenn das Signal eine binäre 0 darstellt, liegt es bei 0v. Wenn das Signal eine binäre 1 darstellt, liegt es bei 1v. Und wir nehmen an, dass der Empfänger dieses Signals entscheidet, dass der Übergang zwischen einer 0 und einer 1 stattgefunden hat, wenn das Signal durch den 0,5v-Pegel ansteigt, und dass eine 1 zu einer 0 übergegangen ist, wenn das Signal durch den 0,5v-Pegel fällt. Das Bild unten zeigt das unerreichbare Ziel aller Musikserverhersteller und es ist wirklich so einfach wie dieses Bild:
Stellen Sie sich nun vor, dass dem Signal Rauschen hinzugefügt wird. Wenn die Frequenz des Rauschens unterhalb der Bitrate liegt, schwimmt diese perfekte Rechteckwelle auf einer längeren und glatteren Welle:
Der interessante Punkt ist, dass die Zeit zwischen den Datenübergängen (wo diese vertikalen Linien durch 0,5v verlaufen) unverändert bleibt. Also noch kein Problem.
Wenn die Frequenz des Rauschens über der Bitrate liegt, werden die horizontalen Linien unscharf:
Wenn wir das niederfrequente mit dem hochfrequenten Rauschen kombinieren, wird der Effekt auf das digitale Signal ebenfalls kombiniert:
Auch hier ist der interessante Punkt zu beachten, dass das Timing zwischen den Datenübergängen (wo diese vertikalen Linien durch 0,5v verlaufen) unverändert bleibt (vorausgesetzt, das Rauschen ist nicht extrem hoch). Also immer noch kein Problem. Rauschen allein (solange die verursachten Abweichungen wesentlich unter 0,5 V liegen) ist kein Problem. Der Grund dafür, dass es kein Problem darstellt, sind diese perfekt senkrechten Linien, weil Rauschen den Raum zwischen ihnen nicht verändert.
Bandbreite
Genauso unmöglich wie keinerlei Rauschen ist die senkrechte Linie an der Rechteckwelle, da sie eine unendliche Bandbreite erfordert. Die senkrechten Linien implizieren, dass das Signal 0v und 1v in mehr oder weniger dem gleichen Moment (also unendlich schnell) erreichen kann.
Wenn wir eine begrenzte Bandbreite zulassen, steigt das Signal beim Übergang von 0v zu 1v um eine Steigung an und beim Übergang von 1v zu 0v um eine Steigung ab, anstatt dass die Übergänge augenblicklich erfolgen.
Nehmen wir an, die Bandbreite wäre gleich der Bitrate, dann wäre das resultierende Signal eine Sinuswelle:
Beträgt die Bandbreite das Vielfache der Bitrate, beginnt sich das Signal wieder einem Rechteck anzunähern.
Interessanterweise sind in diesen beiden Beispielen mit eingeschränkter Bandbreite die Übergänge durch 0,5v immer noch perfekt getakted – selbst mit der Sinuswelle. Also immer noch kein Problem.
Ein kleiner Hinweis am Rande:
Wie bereits erwähnt wurde, erfordert ein Signal mit höherer Bitrate sogar noch mehr Bandbreite, um die Welle auszugleichen.Deswegen wird in einem System mit begrenzter Bandbreite ein Signal mit niedrigerer Bitrate präziser dargestellt als ein Signal mit hoher Bitrate. Das sollte man nicht vergessen, wenn man davon ausgeht, dass höhere Bitraten unter allen Umständen besser sein müssen.
Rauschen und Bandbreite
Richtig interessant werden die Ergebnisse des OLADRA Projekts erst, wenn man die Einflüsse von Rauschen und limitierter Bandbreite in Kombination betrachtet.
Die folgende Abbildung zeigt ein digitales Audiosignal mit begrenzter Bandbreite und einem niederfrequenten Rauschen:
Sie können jetzt sehen, dass die 0,5v-Punkte durch die Hinzufügung des niederfrequenten Rauschens, das das Signal zwischen den Bits anhebt oder absenkt, nach rechts oder links verschoben werden. Eine Verschiebung der Flanken nach oben oder unten verschiebt die 0,5V-Punkte nach links oder rechts. Je größer die Amplitude des Rauschens und je größer die Bandbreitenbeschränkung, desto größer ist die Auswirkung auf das Timing (Jitter).
Die folgende Abbildung zeigt ein digitales Audiosignal mit begrenzter Bandbreite und einem hochfrequenten Rauschen:
Sie können erkennen, dass die Übergangszeit bei genau 0,5 V für jeden D/A Wandler jetzt schwer zu erkennen ist. Wenn das Signal am Übergang vertikal ist, hat das Rauschen keinen Einfluss darauf. Aber sobald der Übergang nicht vertikal ist, verändert das Rauschen den Übergangspunkt.
Das ist also der Punkt. Die Kombination von begrenzter Bandbreite und Rauschen führt unweigerlich zu Jitter (Schwankungen im Datenübergangs-Timing), unabhängig davon, wie groß die Bitrate ist.
Schlussfolgerungen aus dem OLADRA Projekt
Musikserver werden oft unter Verwendung sehr einfacher Computerteile entworfen, die viel Rauschen erzeugen. Danach werden umfangreiche Filter genutzt, um dieses Rauschen zu reduzieren. Außerdem werden Musikserver von langsamen linearen Netzteilen an den falschen Stellen mit Strom versorgt.
Dass Filter die Bandbreite reduzieren und dass sehr schnelle Stromversorgungen an bestimmten Punkten in der Schaltung unerlässlich sind, ist noch nicht allgemein bekannt.
Das Ziel des OLADRA-Projekts von Antipodes ist es, Musikserver von Grund auf so zu entwerfen, dass sie sowohl rauscharm als auch mit hoher Bandbreite arbeiten. Da Null Rauschen und unendliche Bandbreite unerreichbar sind, soll der beste Kompromiss zwischen Rauschen und Bandbreite gefunden werden.
Die Ingenieure bei Antipodes Audio überprüfen die getroffenen Kompromisse immer wieder durch umfangreiche Hörtests und Vergleiche mit analogen HighEnd Anlagen. Frei nach dem alten Motto: nicht alles, was sich gut misst, hört sich auch gut an.
Mark Jenkins verspricht uns im Ergebnis eine digitale Musikwiedergabe, die nicht nur wesentlich transparenter ist, sondern auch entschieden musikalisch ausdrucksstärker, so als ob mehr von dem, was in der Musik wichtig ist, uns emotional berühren kann.
Wie geht es hier weiter?
Wir können es kaum noch erwarten, unsere Ohren an die neuen Musikserver der K- und S-Serie zu halten… Eine DHL-Express Trackingnummer für unseren K-50 Testserver haben wir schon. Wie lange der wohl von Neuseeland bis nach Mönchengladbach unterwegs ist?
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