Latenzen im Live-Bereich verstehen und minimieren
Latenz und Beschallungsanlagen – was du darüber wissen musst
Lasst uns über Latenz sprechen. Was klingt wie eine Erkrankung, wird tatsächlich mindestens genauso heiß diskutiert und ist nicht nur in der Studiotechnik ein ernstzunehmendes Problem, das in schwerwiegenden Fällen einer Behandlung bedarf. Seit der Verbreitung von Digitalmixern vor, auf und neben den Bühnen, digitalen Funkstrecken, Gitarren-Modelern und Laptop-Keyboard-Setups spielt das Thema Latenz auch bei Beschallungsanlagen und Konzerten eine Rolle.
Inhaltsverzeichnis
Definition Latenz
Latenz bezeichnet in der Tontechnik die Zeit zwischen dem Eingang eines Audiosignals (z. B. durch ein Mikrofon) und dessen Ausgabe (z. B. über Lautsprecher oder Kopfhörer). Sie entsteht durch die Signalverarbeitung in digitalen Audiogeräten und kann durch Faktoren wie Puffergröße, Samplingrate und Rechenleistung beeinflusst werden. Eine hohe Latenz kann störend sein, insbesondere bei Echtzeitanwendungen wie Live-Aufnahmen oder Monitoring.
Latenz und Beschallungsanlagen
Latenz ist also ein Begriff für die Zeit, die ein digitales System für die Berechnung benötigt. Eine optimale Latenz würde also 0 Millisekunden betragen, was aber technisch unmöglich ist, da allein schon die Wandlung des analogen Signals in ein digitales Signal und wieder zurück Zeit in Anspruch nimmt.
Studiomusiker kennen den Begriff Latenz meistens von ihrem Audio-Interface. Eine zu hohe Puffergröße bei zugleich niedriger Sample-Rate wie 44.1 oder 48 kHz führt schnell zu einer wahrnehmbaren Verzögerung, die das Timing der Musiker beim Einspielen ihrer Parts beeinflusst.
Viele Band-Musiker werden sich mit dem Begriff Latenz auf der Bühne allerdings selten bis nie auseinander setzen, nicht weil es keine Latenz gibt, sondern weil sie sich eventuell nicht für sie wahrnehmbar negativ auswirkt.
Latenz ist an sich nämlich nicht schlimm, wenn sie sehr gering ist und sich auf alle Signale gleichermaßen auswirkt. Im Prinzip war sie auf der Bühne auch schon vor der Digitaltechnik ein Thema, sie wurde nur anders bezeichnet und hat sich an anderen Stellen ausgewirkt:
Laufzeit des Schalls
Schall hat immer eine Laufzeit und bewegt sich bei circa 20°C mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 343 Metern pro Sekunde. Nun kann man einfach berechnen, wie lange der Schall für eine Wegstrecke r benötigt. Das geschieht mit der folgenden Formel:
Δ t = r / c
c entspricht dabei der Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde. Setzen wir mal einige Werte ein:
Bei einem Abstand von 1m entspricht die Laufzeit also
1m : 343 m/s = 0,00291s = 2,91ms
In Tontechnikerkreisen rechnet man der Einfachheit halber mit 3ms pro Meter Entfernung. Nun kann man sich leicht ausrechnen, welche Laufzeiten des Direktschalls auf einer mittelgroßen Bühne zwischen den Musikern entstehen. Schon der Abstand eines stehenden Gitarristen zu seinem am Boden stehenden Verstärker sorgt für eine Laufzeit, die bei größeren Abständen auch durchaus wahrnehmbar sein könnte.
Laufzeitunterschiede auf großen Bühnen gehören zum Tagesgeschäft von Live-Musikern und Veranstaltungstechnikern
Dass dies früher keine allzu große Rolle spielte, hat nicht nur mit der damals üblichen analogen Technik zu tun, sondern auch mit dem Klanggemisch aus Verstärkern, Direktschall, Monitorboxen und PA auf der Bühne. Durch In Ear Monitoring und die damit verbundene Verwendung von Kopfhörern ist das Klangerlebnis von Musikern auf der Bühne allerdings unmittelbarer geworden. Negative Einflüsse werden dadurch deutlich eher wahrgenommen.
Doch auch früher waren sehr hohe Laufzeiten unter Umständen ein Problem und beeinträchtigten das Timing der Musiker. Wer wie ich einmal das Vergnügen hatte, in einer großen Halle ohne Publikum mit konventionellem Monitoring einen Soundcheck zu betreiben, bei dem das Signal der PA durch Reflexionen im leeren Raum verzögert zurück auf die Bühne geworfen wird, weiß wovon ich spreche.
Wahrnehmbare Verzögerungen sind aber nur eine Seite der Medaille:
Kurze Verzögerungen, insbesondere zwischen unter 15 ms, machen sich beim Zusammenmischen zweier gleicher oder ähnlicher Signale, die zueinander leicht verzögert sind, durch Phasing oder Kammfiltereffekte bemerkbar. Im Falle von Kammfiltereffekten klingt das Klangbild seltsam hohl und steril, im Falle von Phasing verändert sich wie bei einem Phaser-Effekt das Frequenzbild kontinuierlich, weil sich hier Auslöschungen und Anhebungen verschieben. Diese Effekte sind wie das Wahrnehmen von Verzögerungen sehr unangenehm.
Kammfilter-Frequenzgang
Kammfilter wirken sich also vor allem bei geringen Verzögerungszeiten um wenige Millisekunden aus. Je größer die Verzögerung zwischen den beiden Signalen, desto enger liegen die Kerben bei einem Phasenversatz von 180° zusammen, beziehungsweise die „Berge“ bei 360°. Doch zurück zur Latenz:
Latenz von digitalen Mischpulten
Bei einem digitalen System hängt die Gesamtlatenz von vielen verschiedenen Faktoren ab. Im einfachsten Fall bezieht sich die Gesamtlatenz auf ein einzelnes digitales Gerät in der Signalkette. Sie wird in diesem Fall auch als Roundtrip-Latenz bezeichnet und wird vom analogen Eingang bis zum analogen Ausgang eines digitalen Geräts gemessen.
Nun wissen Hersteller um die Latenz und ihre Schreckenswirkung auf Musiker und geben deshalb für ihre digitalen Geräte eine möglichst idealtypische Roundtrip-Latenz an, die meistens für den direkten Weg zwischen dem analogen Eingang und dem analogen Ausgang gemessen wird. Direkt bedeutet: ohne weitere Umwege innerhalb des digitalen Systems.
Umwege? Ja, denn diese ergeben sich bei einem digitalen Mischpult zum Beispiel durch dessen Bus-Struktur und Effektberechnungen. Jede Berechnung benötigt Zeit und erhöht deshalb auch die Zeitspanne, die das Signal benötigt, um vom Eingang zum Ausgang zu gelangen. Solche Umwege können zum Beispiel Subgruppen sein, die Matrix, aber auch Insert-Effekte wie Kompressoren, komplexe EQs, Pitch Shifter, Flanger, Phaser und vieles mehr.
Die Roundtrip-Latenz eines Digitalpults setzt sich aus der Summe der gesamten digitalen Signalverarbeitung zusammen
Die Latenz meines Behringer X32 oder auch eines WING Digitalmixers liegt bei unter 1 ms bei 48 kHz. Das bedeutet, dass das analoge Signal ohne Umwege innerhalb des Mischpults und intensivem Processing nach ungefähr 1 ms am analogen Ausgang erscheint. Das ist nicht viel und wird von anderen, teils sehr hochpreisigen Produkten, locker verdoppelt. Auch 2ms oder selbst 3ms wären nicht viel und vom Musiker nicht wahrnehmbar, sofern die Verzögerung auf allen Kanälen und Bussen identisch ist.
Das Behringer X32 fügt zudem zumindest bei Subgruppen dem Signal keine nennenswerte Latenz hinzu, bei komplexeren Aufgaben wie einer Matrix und Bearbeitungen auf einer Subgruppe sieht das dann anders aus. Bei einigen anderen Herstellern reicht allerdings schon der Umweg über eine Subgruppe, um die Roundtrip-Latenz zu vergrößern – immer in homöopathischen Dosen, versteht sich, aber messbar.
Wie unterschiedlich sich Digitalmixer bezüglich der internen Routing-Latenz verhalten können, siehst du im folgenden Video.
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Anmerkung: Noch geringere Latenzen lassen sich mit höheren Abtastraten (Sample Rates) erzielen, wie zum Beispiel 96 kHz, die allerdings bei vielen digitalen Mischpulten im unteren Preisbereich nicht zur Verfügung stehen, deshalb betrachte ich sie hier nicht weiter.
Unproblematisch sind solche Latenzen im unteren einstelligen Millisekundenbereich also immer dann, wenn sie gleichmäßig auf allen Kanälen und Bussen vorhanden sind. Sind sie es allerdings nicht, kommt es durch eine verschobene Phase zu Auslöschungen und Anhebungen und den oben beschriebenen Kammfiltereffekten.
Solche entstehen zum Beispiel häufig dann, wenn man das Signal auf zwei Kanäle des Digitalmixers aufsplittet und diese getrennt voneinander bearbeitet und anschließend wieder zusammenmischt. Viele Techniker aus dem analogen Zeitalter haben so etwas zum Beispiel für die beliebte Parallelkompression gemacht. Erzeugt nun der Kompressor auf dem zweiten Kanal eine erhöhte Latenz durch die zusätzlichen Berechnungen, entstehen beim Zusammenmischen beider Kanäle Phasenauslöschungen. Dies ist natürlich nicht gewollt.
Hersteller wie Behringer haben deshalb ihren Kompressoren im Kanalzug einen Wet/Dry-Regler beschert, der die Parallelkompression mit Latenzausgleich ermöglicht. Doch auch das Zusammenmischen mehrerer Signale auf einer Subgruppe und das Bearbeiten dieser mit zusätzlichen Insert-Effekten erhöht die Latenz.
Das folgende Video von Drew Brashler verdeutlicht das Problem anhand der parallelen Kompression von Drums mit einem X32. Im Video ist schön zu sehen und zu hören, dass das Schlagzeug normal klingt, solange die Latenz auf den Bussen identisch ist. Sobald allerdings ein Bus mit einem Kompressor aus dem FX Rack bestückt wird, erhöht sich die Latenz auf diesem Bus und beim Zusammenmischen kommt es zu einem Kammfiltereffekt:
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Digitale Netzwerke und Latenz
Das Thema Latenz hört aber nicht am analogen Ausgang des Digitalmixers auf, sondern erst am Ende der gesamten digitalen Verarbeitungskette. Hier können durchaus noch weitere Latenzen lauern, zum Beispiel durch die Signalübertragung innerhalb eines digitalen Netzwerks wie Dante, AVB oder AES50. Latenzen innerhalb von AES50 sind sehr gering und bewegen sich nach Aussagen von Behringer bei 3 Samples (@ 48 kHz) beziehungsweise 62,50 μs. Bei komplexeren Netzwerken wie Dante liegt die übliche Latenz im Bereich von 1 ms.
Auch das ist für sich allein genommen kein allzu großes Problem, addiert sich aber wieder auf die Gesamtlatenz des digitalen Systems auf. Einen schönen Einführungsartikel zu Dante findest du hier.
DSP Controller und digitale Lautsprecher Management Systeme
Ein weiterer Baustein in der Signalkette sind eventuelle DSP Controller. Diese können extern in Form eines digitalen Management Systems in den Signalweg integriert werden oder stecken direkt in Aktivlautsprechern oder Endstufen. Auch diese DSP Controller besitzen eine Latenz. Ihre Latenz ist aber für sich allein genommen wesentlich unkritischer für die Signalqualität, da hier bereits ein fertig gemischtes Tonsignal zugeführt wird. Lediglich bei der Kombination unterschiedlicher Produkte und verschiedener Controller Settings könnten zum Beispiel bei der Kombination mehrerer Lautsprecher wie Hi-/Mid-System und Subwoofer Probleme entstehen.
Vorsicht ist beim Einsatz linearphasiger FIR-Filter geboten, die bei vielen modernen digitalen Lautsprecher Management Systemen zur Entzerrung eingesetzt werden können. Diese führen bisweilen zu hohen zweistelligen Latenzen.
Wichtig ist eine Betrachtung auch dann, wenn keine digitalen Ein- und Ausgänge zur Verfügung stehen, sondern stattdessen eine weitere Wandlung per A/D und D/A-Wandler stattfinden muss. Zusätzliche Übergänge von der analogen in die digitale Domäne und zurück sind deshalb nach Möglichkeit zu vermeiden. Lässt sich das nicht verhindern, weil zum Beispiel der Lautsprecher-Controller keine digitalen Eingänge besitzt, sollten immer alle Lautsprecher der Beschallungsanlage darüber angesteuert werden, damit die Latenz auf allen Systemen identisch ist.
Moderne digitale Lautsprecher Management Systeme wie zum Beispiel das the t.racks FIR DSP 408 von Thomann besitzen deshalb neben analogen Ein- und Ausgängen auch AES/EBU-Anschlüsse. Einen Test des Controllers findest du hier.
Bei der Kombination unterschiedlicher Produkte, zum Beispiel eines aktiven DSP-gestützten Hi-/Mid-Systems von Hersteller A mit aktiven Subwoofern von Hersteller B, muss unter Umständen eine Anpassung der Laufzeit erfolgen, da in solchen Fällen die Latenz unterschiedlich sein kann. Eine schnelle Messung mit einem Messmikrofon und einer kostenlosen Software wie REW kann Probleme aufzeigen. Nun muss nicht immer gleich mit einem Delay verzögert werden, sondern die sehr geringen Laufzeitunterschiede durch verschiedene Latenzen lassen sich durch die Aufstellung beheben, indem man entweder das Topteil oder den Subwoofer um wenige Zentimeter nach vorne oder hinten bewegt.
Latenzen aus DSP Controllern spielen auch dann eine Rolle in der Beschallungstechnik, wenn auf großen Bühnen mit konventionellem Monitoring gespielt wird. Hier addieren sich Laufzeiten aus Lautsprechern und Latenzen auf. Ein Beispiel:
Der Schlagzeuger einer Speed Metal Band spielt bei einem Festival eine schnelle Double-Bass-Drum und schnell aufeinanderfolgende Snare-Schläge. Auf seinem eigenen Monitorsystem hat er einen guten und direkten Mix, der durch einen DSP Controller und das Digitalpult vielleicht nur eine Verzögerung von 5 oder 6 ms Gesamtlatenz hat. Gleichzeitig hört er aber auch das Signal der Sidefills, die mehrere Meter von ihm entfernt an den Bühnenseiten hängen. Auch dort ist für die Musiker in der ersten Reihe die Bass-Drum und Snare im Mix enthalten und die Sidefills wurden mit einem DSP Controller entzerrt und besitzen ebenfalls 5 bis 6 ms Gesamtlatenz.
Gerade bei sehr großen Bühnen wie hier bei Bruce Springsteen haben es bei konventionellem Monitoring die Musiker mit einer Vielzahl ähnlicher Signale mit unterschiedlichen Laufzeiten und schlimmstenfalls sogar mit Echo-Effekten zu tun (Foto: Markus Galla)
Für jeden Meter Entfernung des Drummers von den Sidefills kommen nun noch knapp 3 ms Laufzeit des Schalls drauf. Die Gesamtverzögerung des Signals rutscht deshalb in einen Bereich über 15 ms, der bereits als Dopplung wahrgenommen wird. Ein gutes Timing ist dann bei schnellem Spiel kaum noch möglich.
Hier kann die Lösung nur In Ear Monitoring lauten, möchte der Drummer nicht seinen eigenen Drum Monitor sehr viel lauter drehen, was dann nicht nur gesundheitlich bedenklich ist, sondern auch zu weiteren Problemen durch Übersprechen auf seine Schlagzeugmikrofone und andere Mikrofone auf der Bühne führt und die Bühnenlautstärke weiter anhebt, was wieder den Frontmix erschwert.
Hier mal zur Beurteilung ein kleines Experiment mit einem Drumloop aus Ableton Live. Das Originalsignal wird mit einem verzögerten Signal vermischt. Zunächst hört man beide Signale einige Takte lang ohne zeitlichen Versatz. Im Anschluss wird der Versatz langsam von 1 ms bis 25 ms erhöht. Achtet auf Kammfiltereffekte/Phasing und ab wann ihr zwei getrennte Signale wahrnehmen könnt:
Externe Plug-ins mit Waves & Co
Gerne nutzen FoH-Techniker externe Effekte, die per Dante oder anderen Netzwerken wie Soundgrid ins Digitalmischpult eingeschleift werden. Waves Soundgrid mit externen Soundgrid Servern ist zum Beispiel weit verbreitet.
Zu beachten ist, dass auch hier der Server mit seiner Effektberechnung eine höhere Latenz erzeugen kann. Kritisch wird das immer dann, wenn unterschiedlich komplexe Effektketten auf einzelnen Kanälen zum Einsatz kommen, weil sich dann die Signallaufzeiten innerhalb des Systems deutlich voneinander unterscheiden können.
Die externe Signalverarbeitung für den Einsatz von VST-Effekten im Digitalpult wird immer beliebter, bringt jedoch auch Latenzprobleme mit sich. Im Bild die Waves Superrack Livebox Dante
Werden zum Beispiel Snare und Bass-Drum eines Schlagzeugs aufwändig mit Plug-ins bearbeitet, während beim Rest des Kits nur die internen EQs und Kompressoren des Digitalpults zum Einsatz kommen, entstehen hier durch den Umweg über den externen Server und die Bearbeitung sehr unterschiedliche Latenzen, die im schlimmsten Fall für Kammfiltereffekte sorgen. Hier müssen also kluge Entscheidungen getroffen werden, wie viel Processing notwendig ist, damit sich Latenzen nicht negativ auf das Hörerlebnis oder Spielgefühl auswirken.
Einen Test der neuen Waves Superrack Livebox Dante findest du hier.
In Ear Monitoring, Gitarrenfunk und digitale Amps
Wie oben bereits erwähnt, waren Latenzen in Form von unterschiedlichen Laufzeiten des Schalls auch im analogen Zeitalter existent. Im heutigen digitalen Zeitalter und Bühnen mit In Ear Monitoring sind sie Musikern jedoch deutlich bewusster als früher.
Der beliebte Kemper Profiler Digital-Amp hat eine Roundtrip-Latenz von ungefähr 2,5 ms. Würde aufgrund von komplexeren Routings und Processing das Signal nun in ebenfalls 2,5 ms das digitale Mischpult passieren, kämen wir auf bereits 5 ms Gesamtlatenz zwischen dem Anschlagen der Seite und der Ausgabe aus dem Mischpult. Geht es nun über ein Dante-Netzwerk zur Stagebox, rechnen wir noch einmal 1 ms hinzu und liegen bei 6 ms.
In Ear Monitoring digital und mit geringer Latenz von < 2.2 ms: Mipro MI-58RT IEM System
Hängt nun ein digitales In Ear Monitoring System im weiteren Signalweg, welches wiederum 2 bis 2,5 ms Roundtrip-Latenz hinzufügt, sind wir bereits bei 8 bis 8,5 ms Gesamtlatenz. Angenommen, dass der Gitarrist seine Gitarre über eine digitale Sendeanlage spielt, werden daraus 11 oder 12 ms Verzögerung für den Gitarristen.
Auch wenn das immer noch gute Werte sind, die in der Praxis mehr als akzeptabel sind, sollte das Bewusstsein dafür geschärft werden, dass jede weitere digitale Berechnung innerhalb des Signalwegs eine Verzögerung darstellt. Gerade Gitarristen, die mehrere digitale Geräte auf ihrem Floorboard haben, die analog miteinander verbunden sind, sollten sich dessen bewusst sein, denn hier kommen dann weitere Latenzen hinzu und sehr schnell sind dann 20 ms erreicht, die das Timing des Gitarristen deutlich beeinflussen werden.
Einen Test des Mipro MI-58RT IEM Systems als Beispiel für digitales In Ear Monitoring findest du hier.
Keyboarder mit Laptop
Digitale Keyboards besitzen ebenfalls eine kleine Latenz, auch wenn diese durch die nur einmalige D/A-Wandlung eher gering ausfällt. Gravierender wird es aber, wenn der Keyboarder einen Laptop Computer als Klangerzeuger nutzt. Hier kommen dann doch je nach Audio Interface und Sample-Rate einige Millisekunden zusammen.
Geringe Buffer-Einstellungen und hohe Sample Rates belasten den Computer jedoch deutlich stärker als größere Buffer-Einstellungen und eine Sample-Rate von 44,1 oder 48 kHz. Hier ist also ein Kompromiss aus Betriebssicherheit und maximal erträglicher Latenz zu finden.
Sehr gute Interfaces mit hoher Betriebssicherheit und guten Latenzen zum Spielen von Software-Instrumenten kommen zum Beispiel in Form der Focusrite Clarett Serie. Das Focusrite Clarett 8Pre hatten wir hier im AMAZONA-Test und auch dort bestätigten sich die niedrigen möglichen Latenzwerte.
Hinzu addieren müssen wir außerdem wieder die oben genannten Werte des FoH-Pults, des Netzwerks, eventuell genutzter digitaler IEM-Strecken und so weiter. Moderne Keyboard-Setups mit VST-Einsatz sind also unter Umständen mit deutlichen Latenzen behaftet, die sich in der Summe der gesamten Signalbearbeitung für Musiker bemerkbar machen können und sich auf das eigene Spiel auswirken.
Die Moral von der Geschichte
Wie immer gilt, dass nichts so heiß gegessen wird wie gekocht, sprich: Die vermeintliche Latenz-Katastrophe muss sich gar nicht einstellen und man sollte das Thema auch nicht überbewerten. Denn bis auf wenige Ausnahmen (intensives externes Processing einzelner Signale, z. B. durch Plug-ins, Zusammenmischen gleicher Signale mit unterschiedlicher Latenz) werden weder Musiker noch Publikum etwas von den genannten Latenzen bemerken.
Zur Erinnerung sei noch einmal betont, dass jeder Musiker in einer Band diese kleinen Verzögerungen, die durch die Laufzeit des Schalls auf der Bühne entstehen, ohnehin kennt.
Durch In Ear Monitoring sind wir aber sensibler geworden und nehmen vor allem Klangveränderungen wie „Phasing“ oder Kammfilter-Effekte sehr viel stärker wahr. Wichtig ist, dass man sich der Latenzen bewusst ist, sollten solche Artefakte auftreten, die sich anders nicht erklären lassen.
Auch beliebte Tricks aus dem analogen Zeitalter wie das Aufsplitten eines Signals auf zwei Mischpultkanäle zur unterschiedlichen Bearbeitung, wie z. B. Parallelkompression, Pitch Shifting usw., sollte man sich gut überlegen oder vor dem Gig überprüfen, wie sich die unterschiedliche Latenz beider Kanäle beim Zusammenmischen auswirkt.
Um Latenzen gering zu halten gilt: So schnell wie möglich in die digitale Domäne und so lange wie möglich. Viele Wandlungen zu analog und wieder zurück zu digital bringen Latenzen mit sich. Komplizierte Berechnungen (FIR Filter etc.), Lookahead bei Kompressoren und intensives Stacken von Plug-ins bei externer Bearbeitung auf einem Plug-in Server oder Computer bringen höhere Latenzen mit sich und sollten bei der Bearbeitung einzelner Signale tunlichst vermieden werden.
Das Gehör ist und bleibt die beste Referenz beim Aufspüren von negativen Auswirkungen von Latenzen. Latenzen, die wir beim Spielen nicht spüren oder nicht hören, müssen uns nicht weiter interessieren. Nur dann, wenn es tatsächlich zu Beeinträchtigungen kommt, müssen wir als Tontechniker oder Musiker tätig werden und die Ursache suchen, finden und beseitigen.
Danke für den tollen Artikel!
ich möchte demnächst mit dem Setup meines Studiolive III 24R über Gig performer und Zero latency Plugins (u.a. Infiniti strip PSP) einmal den Schritt in diese Richtung wagen. Mal sehen…
Schöner Artikel.
Mich haben die Latenzen das erstmal richtig gestört als ich sie über Inears beim Singen wahr genommen habe. Körperschall und die verzögerten Signale in den IE gaben wunderbare Kammfiltereffekte. Da half es leider nur die IE lauter zu drehen.
auch von mir herzlichen Dank für diesen guten Artikel zu einem wichtigen Thema. zumindest für mich da ich elektronische Musik live mache war das Thema immer mindestens genau so ärgerlich wie clock-jitter und letztendlich der Grund Computer komplett aus meinem techno zu verbannen