Digitalmischpulte: Mixer-Trends

(Bild: Swen Müller)

Vom Recording und Rundfunk bis zu kritischen Live-Beschallungen: Es gibt kaum noch eine Nische, wo digitale Mischpulte nicht eingesetzt werden. Ein Überblick über den aktuellen technischen Stand dieser Königsklasse der digitalen Audiotechnik

In bestimmten Bereichen der Audiowelt brauchte die Digitaltechnik etwas länger, um sich gegenüber den alten analogen Lösungen durchzusetzen – Mischpulte gehören auf jeden Fall dazu. Vorbehalte gab es anfangs sowohl hinsichtlich der Audioqualität als auch der Bedienung, die lange Zeit nicht so intuitiv und effektiv vonstatten ging wie bei den guten alten Analogpulten, wo jeder Knopf seine dezidierte Funktion hatte, auf die stets direkt zugegriffen werden konnte.

Demgegenüber stand von Anfang an die enorme Flexibilität der Digitaltechnik und die überaus wichtige Möglichkeit, den kompletten Betriebszustand blitzschnell abspeichern und wieder laden zu können – ein unschätzbarer Vorteil gerade auf Veranstaltungen, wo unterschiedliche Interpreten in kurzen Abständen nacheinander auftreten, aber auch, wenn sich innerhalb einer Show die Situation von Stück zu Stück ändert.

Weitere Pluspunkte verbuchte die Digitaltechnik durch die sukzessive Übernahme von Signalverarbeitungsfunktionen, die früher teurem Outboard-Gear vorbehalten waren. Dazu gehören neben den Grundfunktionen des parametrischen Equalizing und der Dynamikverarbeitung durch Gates, Kompressoren und Limiter in jüngster Zeit auch die zunehmende Integration von Plug-Ins à la Waves für Effekte, die unter anderem die Charakteristik von analogem Vintage-Equipment nachahmen. Außerdem erlauben einige Konsolen die nahtlose Integration von Multitrack-Recording des Programms, welches dann später im Studio oder auch mit Hilfe einer heimischen DAW neu gemixt und nachbearbeitet werden kann.

Ebenfalls ein enormer Vorteil ist die prinzipielle Trennbarkeit der Bedienoberfläche, also der Konsole selber, der analogen Anschlüsse und der eigentlichen Signalverarbeitungseinheit. Während sich bei kleineren digitalen Mischern aus praktischen Gründen und auch zur Kostenreduzierung noch häufig alles „unter einer Haube“befindet, sind diese drei funktionellen Gruppen bei großen Konsolen in der Regel komplett getrennt oder zumindest zweigeteilt und untereinander durch Netzwerktechnik verbunden. Die Zeiten, in denen armdicke analoge Multicores von den Stageboxen der Bühne zum FOH-Platz verlegt werden mussten, sind damit endgültig vorbei. Ein preiswertes Netzwerkkabel (oder auch zwei für redundante Ausführung) ersetzt diese – ein riesiger Handling-Vorteil bei jeder Veranstaltung.

Technisch haben die heutigen Digitalkonsolen nichts mehr mit den ausladenden Analogpulten der 70er und 80er Jahre gemein. Während letztere im Prinzip recht einfach beherrschbare und deswegen auch von vielen kleineren Firmen über einen gewissen Zeitraum erfolgreich produzierte Standardschaltungen aus Unmengen von Operationsverstärkern, Potentiometern und Schaltern enthielten, deren Anzahl sich mit der Kanalzahl multiplizierte, bestimmen heutzutage LCDs, Incrementalgeber und LED-beleuchtete Tasten das Bild der Pultoberflächen. Diese Bedienelemente wirken selbstverständlich nicht mehr direkt auf die Audiosignale ein, sondern sind mit einem potenten Steuerrechner verbunden, auf dem ein Echtzeit-Betriebssystem läuft (häufig ein Unix-Derivat), welches über Änderungen der Einstellungen wacht und entsprechende Kommandos an die digitale Signalverarbeitungs- Einheit schickt. Diese wiederum besteht bei großen Pulten aus einer Vielzahl von DSPs und/oder FPGAs und anderen komplexen ICs, die mit vielen Hundert MHz getaktet sind und massives paralleles Processing mit Gesamtrechenleistungen erlauben, die vor nicht allzu vielen Jahren den Supercomputern von großen Rechenzentren vorbehalten waren. Die Platinen, welche diese komplexen Bauteile beherbergen, sind auch nicht mehr mit den einfachen ein- oder zweilagigen Pertinax-Platinen der Analogzeiten zu vergleichen – es handelt sich zumeist um sechs- oder gar achtlagige Epoxydharzplatinen in Feinleitertechnik mit Details wie differentiellen Leitungspaaren mit festgelegtem Wellenwiderstand und Vias, die wahlweise nur einige Innenlagen verbinden.

Alles in allem werden für die Entwicklung eines Digitalpults ausgewiesene Spezialisten auf sehr unterschiedlichen Gebieten gebraucht – für die analoge und komplexe digitale Schaltungstechnik sowie die sehr umfangreiche Programmierung der Steuerung, der grafischen Darstellung und nicht zuletzt der eigentlichen digitalen Audiosignalverarbeitung – ein immenser Aufwand, der von kleineren Firmen ohne entsprechendes Kapital im Rücken kaum geschultert werden kann.

Auch bei der Bedienung wurden die skeptischen Stimmen immer leiser. Das hat zum einen damit zu tun, dass nachwachsende Toningenieure im Gegensatz zu den alten Hasen keinerlei Berührungsängste mit der Digitaltechnik haben, zum anderen aber auch an den gigantischen Fortschritten der LED- und LCD-Technik und nicht zuletzt der Übernahme von Bedienkonzepten, wie sie den meisten Usern von ihren Smartphones und Tablets vertraut sind. Die aktuellen Boliden haben in der Regel gleich mehrere Touch-Screens über die gesamte Breite der Konsole eingebaut, über die sich sämtliche Parameter anzeigen lassen und auch Plug-Ins dargestellt werden können. Bei den Drehgebern und Tasten der channel strips und Signalverarbeitungs-Gruppen helfen zudem RGB- LEDs, die gerade aktive Funktion anhand verschiedener Farben augenblicklich zu erkennen.

Klangqualität: Wandler und Abtastraten

Das eigentliche „Number-Crunching“der digitalen Signale kann dem User im Prinzip egal sein, sofern es mit tadelloser Qualität ausgeführt wird, wozu ausreichende Wortbreite allein allerdings noch kein Garant ist. Innerhalb der DSP-Einheiten gibt es zwischen den Herstellern aber interessante Unterschiede. Manche setzen auf die für diese Aufgabe prädestinierten DSPs, manche aber auch auf FPGAs oder aber eine Mischung aus beiden Technologien, um der Aufgabe Herr zu werden. Beide Technologien haben ihre Stärken und Schwächen. Gab es anfangs noch berechtigte Nörgelei gegenüber dem „Digitalklang“sowie dem zweifelsfrei vorhanden geringeren Dynamikumfang der frühen Generationen vom AD- und DA-Wandlern, welche die analogen Eingangs- und Ausgangssignale durchliefen, haben heutige Top-Konverter für den Pro-Audio-Bereich auch ohne Tricks wie Mehrbereichs-AD-Wandlung in der Regel einen ausreichend großen Dynamikumfang bis über 120 dB. Linearität des Frequenzgangs sowie Vezerrungsarmut lassen ebenfalls keine Einbußen der Klangqualität mehr befürchten.

Ein kritischer Punkt gerade für Live-Anwendungen war aber stets die Latenz, also die Zeit, die ein Signal vom Eingang bis zu den Ausgängen des Mischpults benötigt. Hier ließ sich durch die Erhöhung der Abtastrate auf 96 kHz, welche fast alle modernen Konsolen nun bieten, eine weitreichende Entspannung erreichen. Die Latenz war hauptsächlich bedingt durch die digitalen Anti-Alias Filter in den AD und DA-Konvertern, deren Frequenzgang ab 20 kHz steil abfallen musste, um bei der beschränkten Bandbreite der Standard-Abtastraten 44,1 und 48 kHz ausreichende Unterdrückung von Spiegelfrequenzen (Alias) zu erreichen. Diese waren üblicherweise dispersionsfrei („linearphasig“) ausgelegt, was zu einer Grundlaufzeit von ca. 1,4 ms für das komplette Durchlaufen der Konvertierung von analog zu digital und wieder zurück bedeutete. Durch das „Hochtakten“auf die doppelte Abtastrate bei ansonsten unveränderter digitaler Signalverarbeitung halbiert sich diese Latenz schon einmal. Dadurch, dass nun aber nicht mehr nur der schmale Bereich zwischen 20 kHz und der halben Standard-Abtasrate, sondern eine ganze Oktave für die abfallenden Flanke des digitalen Anti-Alias Tiefpass zur Verfügung steht, lassen sich wahlweise Filter mit wesentlich kürzerer Impulsantwort einsetzen. Alle modernen ADCs und DACs bieten diese „slow roll-off“Option, mit der sich die Latenz nochmals um den Faktor 2 bis 3 reduzieren lässt. Zusätzlich lässt sich außerdem noch von der Linearphasigkeit abweichen und eine „minimalphasige“Version der Filter aktivieren. Diese weist, genau wie analoge Filter, Dispersion auf, die aber nicht tragisch ist, da sie hauptsächlich im Bereich oberhalb von 20 kHz in Erscheinung tritt und eh unhörbar ist. Mit all diesen Maßnahmen zusammen kann die Latenz auf rund 6 bis 7 Samples pro Konvertierung gedrückt werden, was die Gesamtlaufzeit der AD/DA Wandlung bei 96 kHz Abtastrate auf Werte unter 140 μs absinken lässt, also rund ein Zehntel des ursprünglichen Wertes bei Standard-Abtastrate. Eine weitere Erhöhung der Abtastrate auf 192 kHz ist unter dem Gesichtspunkt der Latenz unter diesen Bedingungen kaum noch interessant.

In der Praxis kommen noch einige Samples Delay für die interne Pufferung dazu, die je nach Auslegung der Software, die auf den DSPs und/oder FPGAs der Signalverarbeitungseinheiten der Konsolen läuft, typischerweise in der Größenordnung dessen liegt, was auch für die Konvertierungen zu veranschlagen ist. Außerdem zu berücksichtigen ist die Latenz durch die mittlerweile übliche Übertragung über ein Ethernet-basiertes Netzwerk. Insgesamt lässt sich die Gesamtlatenz aber deutlich unter 1 ms halten, in welcher Schall also noch nicht mal einen drittel Meter zurück gelegt hat. Damit hat das Thema Latenz glücklicherweise auch für Live-Beschallung inklusive der besonders kritischen Monitor-Mixe seinen Schrecken verloren.

Weitere Vorteile von 96 kHz: cleaner Sound

Die Verwendung der Abtastrate 96 kHz ist aber nicht nur hinsichtlich der drastisch verringerten Latenz interessant. Jede nichtlineare Signalverarbeitung, zu der gemeinhin die gesamte Dynamikbearbeitung mit Gates, Kompressoren und Limitern gehört, erzeugt Oberwellen. In der analogen Welt sind dabei nur diejenigen für den Höreindruck relevant, die in den hörbaren Bereich fallen. Das ist bei digitaler Signalverarbeitung leider anders. Hier werden Oberwellen mit Frequenzen jenseits der halben Abtastrate in das Audioband zurückgespiegelt und können dort sehr unangenehm auffallen, da sie nicht in das harmonische Raster der Grundwelle fallen. Die Verdopplung der Abtastrate entschärft dieses Problem ganz entscheidend, denn erst Oberwellen ab 48 kHz erleiden nun besagte Spiegelung und erst solche ab 76 kHz fallen auch wirklich in den hörbaren Bereich bis 20 kHz.

Aber auch die lineare Verarbeitung, insbesondere die umfangreiche Filterung, die heutzutage in jedem Channel Strip und für jede Summe verfügbar ist, profitiert von der höheren Abtastrate. Zunächst einmal lassen sich den Filtern viel leichter Frequenzgänge verpassen, die sich von denen ihrer analogen Vorbilder kaum unterscheiden. Außerdem lassen sich Phänomene, die auf der beschränkten Wortbreite der Abtastwerte und der Rechenwerke beruhen (zum Beispiel Pfeiftöne mit sehr geringem Pegel), leichter und wirkungsvoll bekämpfen.

Die Signalverarbeitung mit 96 kHz bietet also beste Klangqualität nicht etwa durch die mögliche Übertragung der unhörbaren ersten Oktave Ultraschall, sondern weil sie bereits ohne weiteres Zutun sauberere Resultate liefert. Der große Nachteil ist die Verdopplung der benötigten Rechenpower bzw. bei gegebener Hardware die Halbierung der Signalverarbeitungs-Ressourcen. Das tut den Herstellern teilweise weh, weshalb sich manche Konsole auch noch mit der alten Standrad-1x.Abtasrate betreiben lässt, was aber eigentlich nur Sinn macht, wenn ihr mehr Ressourcen aberverlangt werden, als bei 96 kHz zur Verfügung stünden.