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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Synchronisation
von digitalen Datenströmen
mit Audiodaten auf zwei oder mehr Datenverarbeitungsgeräten.
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Bei
der Produktion und Bearbeitung von digitalen Datenströmen erweist
sich die eingesetzte Hardware immer wieder als begrenzender Faktor. Insbesondere
bei der digitalen Bearbeitung von Audiodaten mit einer Vielzahl
von Tonspuren geraten selbst leistungsfähige Computer schnell an ihre Grenze.
Die Bearbeitung von komplexen Projekten mit begrenzter Hardware
macht deren Aufrüstung
erforderlich, beispielsweise durch DSP-Karten und/oder Massenspeicher
mit schnelleren Zugriffszeiten.
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Für eine synchrone
Verarbeitung von unabhängigen
Datenverarbeitungsgeräten
sind sogenannte Synchronizer als speziell gestaltete Geräte erforderlich.
Bei Audioanwendungen wird ein fester Zeitgeber als Master benutzt.
Wenn zwei digitale Audiogeräte
miteinander synchronisiert werden, erfolgt dies über den Zeitgeber, wobei eines
der Geräte
als Master und das oder die anderen als Slave konfiguriert sind.
Der Einsatz eines solchen Synchronizers ist aufwendig und mit einem
erheblichen Aufwand verbunden.
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Aus
DE 696 03 366 T2 ist
ein Bus- und Schnittstellensystem bekannt, bei dem ein Indexgenerator
vorgesehen ist, der einem paketierten Signal ein Index zufügt. Ein
Indexdetektor stellt den Index in dem paketierten Signal fest und
steuert Mittel zur Kopplung des paketierten Signals mit Signalen
eines Zielgeräts.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereit zu stellen,
das mit einfachen Mitteln eine Synchronisation von digitalen Datenströmen auf
mehreren unabhängigen
Datenverarbeitungsgeräten
gestattet und dabei ohne großen
Aufwand konfigurierbar und flexibel einsetzbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zur Synchronisation eines digitalen Datenstroms mit Audiodaten
auf zwei oder mehr Datenverarbeitungsgeräten. Jedes Datenverarbeitungsgerät verfügt über eine
Schnittstelle für
digitale Audio- und/oder Videodaten. Diese Schnittstellen unterstützen bevorzugt die
ASIO-Technik (Audio Streaming Input Output). Die zu synchronisierenden
Datenverarbeitungsgeräte
sind über
ihre Schnittstelle zum Senden und Empfangen von Datenströmen mit
digitalen Audiodaten verbunden. Erfindungsgemäß wird in diesen Datenströmen stets
ein Clock-Signal
mitübertragen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sendet eines der Datenverarbeitungsgeräte über die Verbindung an das oder
die anderen Datenverarbeitungsgeräte einen Befehl, der eine absolute
Position in dem zu synchronisierenden Datenstrom enthält. Unabhängig davon,
ob das empfangene Datenverarbeitungsgerät eine Kopie des zu verarbeitenden
Datenstroms gespeichert hat oder den zu verarbeitenden Datenstrom über die
Verbindungsleitung empfängt,
wird über
die Verbindung zwischen den Datenverarbeitungsgeräten ein
Befehl mit ausreichenden Informationen zur Synchronisation der zu
verarbeitenden Datenströme
auf den beiden Datenverarbeitungsgeräten übertragen. Bei der Verarbeitung
von Audiosignalen können
so beispielsweise die Audiospuren in mehrere Datenströme aufgeteilt
werden, von denen jeder an einem separaten Computer als Datenverarbeitungsgerät bearbeitet
wird. Alle Datenströme
können
dann miteinander synchronisiert bearbeitet und an ein übergeordnetes
Datenverarbeitungsgerät,
beispielsweise an einen externen Mixer, weitergeleitet werden. Über die
Verbindung zwischen den Datenverarbeitungsgeräten werden dabei Befehle mit
absoluten Positionen in den Datenströmen ausgetauscht, um sämtliche
Geräte
zu synchronisieren. Erfindungsgemäß wird der Befehl zusammen
mit einem Datenstrom übertragen.
Hierzu wird der Befehl mit einer vorbestimmten Anzahl von Bits pro
Kanal gemeinsam mit dem Datenstrom in einem Kanal übertragen.
Um die Qualität
des übertragenen
Datenstroms nicht zu verschlechtern, kann der Befehl mit lediglich
einem Bit pro Kanal übertragen
werden, so dass bei einem Kanal mit 24 Bit der Störabstand
von 144 dB auf 138 dB fällt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
synchronisiert digitale Datenströme
mit Audio- und/oder
Videodaten auf zwei oder mehr Datenverarbeitungsgeräten. Eines
der Datenverarbeitungsgeräte,
für das nachfolgende
Verfahren als Master anzusetzen, generiert einen Befehl für das oder
die übrigen
Datenverarbeitungsgeräte,
der eine absolute Position in einem Datenstrom enthält. Der
Befehl wird über
eine Schnittstelle für
digitale Audiodaten an das oder die anderen Datenverarbeitungsgeräte übertragen.
Die über
solche Schnittstellen übertragenen
Datenströme
werden stets gemeinsam mit einem Clock-Signal übertragen. Die empfangenden
Datenverarbeitungsgeräte
ermitteln aus dem empfangenden Befehl eine absolute Position in
dem zu verarbeitenden Datenstrom. Je nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann beispielsweise jedes Datenverarbeitungsgerät auf einzelnen Spuren der
Datenströme arbeiten,
um auf einen Synchronisations-Befehl hin an die entsprechend bezeichnete
absolute Position in seinem Datenstrom zu springen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens läuft auf jedem Datenverarbeitungsgerät ein DAW-Programm,
das bei einem empfangenen Befehl auf die aus diesem ermittelte absolute
Position als Bearbeitungsposition wechselt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird beim Senden des Befehls eine Lauf- und Verarbeitungszeit zu
einem vorbestimmten Referenzpunkt von der absoluten Position in
dem Datenstrom abgezogen. Das empfangende Gerät addiert zu der absoluten
Position einen Wert hinzu, der der Lauf- und Verarbeitungszeit des
Befehls von dem Referenzpunkt entspricht.
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Bevorzugt
wird der Befehl gemeinsam mit dem Datenstrom über die Verbindung zwischen
den Datenverarbeitungsgeräten übertragen.
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Um
die Steuerung und Zusammenarbeit bei komplexen Projekten zu erleichtern,
ist es möglich, dass
auch zusätzliche
Steuerbefehle für
das DAW-Programm mit übertragen
werden.
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Als
Schnittstellen können
insbesondere digitale Audioschnittstellen (DAI) vorgesehen sein.
Beispielsweise können
die folgenden Schnittstellen vorliegen: S/PDIF (Sony/Philips digital
audio interface), ADAT, TDIF, AES. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der genaue Typ der Schnittstelle und das für die Schnittstelle eingesetzte
Protokoll unerheblich, solange über
die Schnittstelle ein Clock-Signal und
Daten mit einer ausreichenden Kapazität übertragen werden können.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Datenverarbeitungsgeräten, wie
beispielsweise Computer, MIDI-Instrumente und/oder Mischgeräte vorgesehen
sein. Hierbei kann jedes der Datenverarbeitungsgeräte mit seiner
eigenen Software und deren Treibern zur Ansteuerung seiner DAI-Schnittstelle
arbeiten. Damit ist die Erfindung unabhängig von einzelnen Betriebsystemen
der Datenverarbeitungsgeräte.
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Da
jede Übertragung
und Verarbeitung von digitalen Daten mit einer gewissen Verzögerungszeit verbunden
ist, kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehen sein, entlang der Verbindung zwischen den Datenverarbeitungsgeräten einen
Referenzpunkt zu definieren und Lauf- sowie Verarbeitungszeiten
mit Bezug auf diesen Referenzpunkt zu berücksichtigen. Ein sendendes
Gerät berücksichtigt dabei,
dass der zu sendende Befehl erst zu einem späteren Zeitpunkt an dem Referenzpunkt
eintrifft, so dass es diese Zeit von der absoluten Position in dem zu
verarbeitenden Datenstrom abzieht. Ein empfangendes Gerät berücksichtigt,
dass für
den Befehl von dem Referenzzeitpunkt eine gewisse Lauf- und Verarbeitungszeit
verstrichen ist, bis dieser umgesetzt werden kann. Dementsprechend
addiert das empfangende Gerät
einen dieser Verzögerungszeit
entsprechenden Wert zu der absoluten Position im Datenstrom hinzu.
Durch die Definition genau eines Referenzpunktes für mehrere
Geräte
wird es möglich, weitere
Geräte
schnell hinzu zu schalten, da diese lediglich die Latenzzeiten ihrer
Schnittstelle sowie Laufzeiten zu dem Referenzpunkt berücksichtigen müssen. Die
Einstellung kann beispielsweise durch eine Analyse der Übertragungseigenschaften
der Verbindung durch Testpakete und Kenngrößen für die Schnittstelle erfolgen.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Befehle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
wiederholt in zeitlichen Abständen
zwischen den Datenverarbeitungsgeräten auszutauschen.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die nachfolgende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine
Verbindung zwischen zwei Computern,
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2 einen
Test für
die Güte
der Synchronisation,
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3 eine
rückgekoppelte
Verbindung zwischen zwei Computern,
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4 eine
Ringverbindung zwischen vier Computern,
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5 der
Anschluß von
vier synchronisierten Computern an ein Mischgerät und
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6 vier
miteinander synchronisierte Computer von denen einer mit einem Mischgerät verbunden
ist.
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Bei
digitalen Audio-Workstations (DAW) beruhen sämtliche Audioinformationen
auf sogenannten Samples. Ein Sample ist der Bruchteil eines Audiosignals ähnlich einem
Frame, der die kleinste Einheit eines Films bildet. Bei einem Film
liegen üblicherweise
24 bis 30 Frames pro Sekunde vor. Bei einem Audiosignal einer herkömmlichen
CD liegen üblicherweise
44.100 Samples pro Sekunde bis zu 192.000 Samples pro Sekunde bei
einer DVD oder bei professionellem digitalen Audiozubehör vor. Diskrete
Audiosignale ermöglichen
es, eine eindeutige Zeitmarke an jedem Sample des Audiodatenstroms zu
setzen. Diese Marke wird üblicherweise
als Sample-Position bezeichnet und gibt die laufende Nummer des
Frames in den Datenstrom an. Digitale Audio-Workstations sind in
erster Linie Bearbeitungsgeräte,
bei denen akustische Stücke
entlang einer Zeitlinie zusammengesetzt werden. Auch andere Medien wie
beispielsweise Filmausschnitte oder MIDI-Musikdaten bestehen aus
einem Strom von digitalen Daten, der im wesentlichen gleich aufgebaut
ist. Abspiel- und Überarbeitungsgeräte müssen die
zeitliche Reihenfolge zwischen den verschiedenen Medien teilen beibehalten,
dass heißt
die Datenströme
müssen miteinander
synchronisiert ablaufen.
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Bei
professionellen und halbprofessionellen Audioanwendungen sowie zunehmend
auch bei Amateuranwendungen werden digitale Audioschnittstellen
(digital audio interfaces) auf dem ASIO-Standard (Audio Streaming
Input Output) eingesetzt. Die am häufigsten verwendete digitale
Audioschnittstelle ist das S/PDIF Interface (Sony/Philips digital
audio interface), das an den meisten DVD-Spielern und vielen CD-,
DAT- und MP3-Abspielgeräten
sowie an PC-Soundkarten vorhanden ist. Die Schnittstellen können entweder
für Koaxial-Kabel
(RCA JACK) oder als Lichtleiter vorgesehen sein. Halbprofessionelle
und professionelle Tonstudios verwenden meistens als DAI-Schnittstelle
ADAT (8-Kanäle
optisch), TDIF (8-Kanäle
Kabel), AES (2-Kanal, Kabel) und S/PDIF (2-Kanäle Kabel oder optisch), wobei
letztgenanntes ein Protokoll verwendet, das dem der AES-Schnittstelle ähnlich ist.
Sämtliche
Schnittstellen übertragen
sowohl das Audiosignal als auch die Clock-Information. Beispielsweise
verwendet das ADAT optische Kabel und 8 separate Audiokanäle mit einer
gemeinsamen Clock. Das Clock-Signal ist in das übertragene Signal eingebettet,
dass heißt
jegliche über
diese Schnittstellen übertragenen
Daten werden gemeinsam mit der Clock übertragen.
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Das
digitale Audiointerface besitzt eine Bit-Breite, die ausreichend
ist, um zusätzlich
zu den Audioinformationen noch Befehle zu übertragen. Eine Audio-CD besitzt
16 Bit pro Sample, um den Sample-Wert als eine Zahl zwischen 0 und
65.535 darzustellen. Neuere Systeme wie beispielsweise DVD oder
professionelle Tonaufzeichnungsgeräte besitzen 24 Bit pro Sample.
Bei 24 Bit pro Sample liegt das Signal zum Rausch-Verhältnis bei
144 dB.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Bit pro Sample eines vorbestimmten Audiokanals verwendet,
um spezielle Befehle in dem Datenstrom der Audiosignale zu übertragen.
Indem lediglich 1 Bit von 24 Bit nicht für Audiosignale eingesetzt werden, verbleiben
immer noch ein Strörabstand
von 138 dB. Die zusätzlich
mit dem Datenstrom übertragene
Information besteht aus Paketen, wobei diese Pakete eine Sample-Position als absolute
Position in dem Datenstrom enthalten.
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In
der einfachsten Ausführung
läuft auf
einem Computer 10 (vergl. 1) ein DAW-Programm, das seine
Informationen über
eine DAI-Schnittstelle ausgibt. Der DAI-Ausgang 12 ist mit einem DAI-Eingang 14 eines
zweiten Computers 16 verbunden. Der zweite Computer wertet
den empfangenen Befehl aus. Wenn beispielsweise das DAW-Programm
auf dem Computer 10 einen Datenstrom abspielt, so wird über die
Verbindung der DAI-Schnittstellen dem zweiten Computer 16 die
genaue Startzeit als exakte Sample-Position mitgeteilt. Berücksichtigt
der zweite Computer die Lauf- und Verarbeitungszeit des Befehls,
so kann der Computer 16 an der übertragenen Sample-Position beginnend
einen zweiten Datenstrom durch sein DAW-Programm abspielen.
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Die
in 1 gezeigte Konfiguration besitzt bereits eine
Vielzahl von möglichen
Einsatzgebieten. So können
beispielsweise verschiedene Tonspuren auf den Computern 10 und 16 getrennt
voneinander bearbeitet werden und anschließend synchronisiert zueinander
abgespielt werden. Es ist aber auch möglich, Videodaten beispielsweise
in Bild- und Ton-Daten zu trennen. Hier kann der Computer 10 die
Bildteile anzeigen, während
der Computer 16 synchron dazu eine Bearbeitung der Tonspuren
zuläßt. Sämtlichen
Anwendungen ist gemeinsam, dass die anfallende Last an CPU-Leistung
und Schreib-/Lesebefehlen für
die Massenspeicher auf zwei Systeme aufgeteilt werden, ohne dass
die Gefahr von Verzerrungen oder Verfälschung durch nicht synchron
laufende Computer besteht.
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Das
dargestellte Beispiel in 1 macht ebenfalls deutlich,
dass Computer mit den unterschiedlichsten Betriebssystemen miteinander
verbunden werden können,
wenn die Übertragung über die
DAI-Schnittstelle zwischen den Computern gegeben ist.
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2 zeigt
einen beispielhaften Aufbau, um die Genauigkeit der Synchronisation
auf ein einzelnes Sample zu demonstrieren. Die Computer 10 und 16 sind
wie in 1 beschrieben, über ihre DAI-Schnittstellen
miteinander verbunden. Der Audio-Ausgang 18, 20 von
beiden Computern wird gemeinsam an einen Lautsprecher 22 angelegt.
Um eine Sample-genaue Übereinstimmung
zu demonstrieren, wird der Ausgang 20 des Computers 10 mit
einem Phaseninverter invertiert, so dass an dem Lautsprecher 22 die
Signale sich bei perfekter Synchronisation aufheben. Der in 2 dargestellte
Test kann beispielsweise auch zur Überprüfung der Verzögerungszeit
dienen.
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3 zeigt
zwei Computer 26 und 28, die miteinander rückgekoppelt
verbunden sind. Der DAI-Ausgang 30 ist mit dem DAI-Eingang 32 des Computers 28 verbunden.
Der DAI-Ausgang 34 des Computers 28 liegt an dem
DAI-Eingang 36 des Computers 26 an. Um eine Rückkopplung
für einzelne
Pakete zu vermeiden, werden die übertragenen Pakete
mit einer eindeutigen Identifikationsnummer für den sendenden Computer versehen.
Auf diese Weise kann ein Computer erkennen, wenn ein von ihm zuvor
ausgesandtes Paket an ihn zurückgesandt wird.
Ein solches Paket bleibt dann unberücksichtigt.
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4 zeigt
eine beispielhafte Anwendung, bei der vier Computer 38, 40, 42, 44 über ihre DAI-Schnittstellen
miteinander zu einem Ring verbunden sind. Die Größe solcher Netzwerke über die DAI-Schnittstellen
wird lediglich durch praktische Probleme wie Laufzeit und Verarbeitungszeiten
begrenzt. Grundsätzlich
ist neben einer ringförmigen Vernetzung
der Computer auch jede beliebige andere Vernetzung möglich.
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5 zeigt
vier miteinander synchronisierte Computer 48 bis 54,
die über
ihre DAI-Schnittstellen miteinander
synchronisiert verbunden 55 sind. Sämtliche weiteren Ports der
Computer werden dabei nicht benötigt.
Die Ausgangsdaten der Computer können
einzeln über
die Verbindungen 56 bis 62 in ein Mischpult 64 angelegt
werden, das diese dann weiterverarbeitet. Neben dem parallelen Anschluß von mehreren
synchronisierten Computern an das Mischpult kann auch ein einzelner
Computer, wie in 6 dargestellt, die Daten der
anderen Computer an ein Mischpult 64 ausgeben.
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Die
Verarbeitung von Audiodaten auf Desktop-Computern scheitert vielfach
an deren Performance. Hochqualitative Audiosignalprozessoren, wie beispielsweise
Reverb, Equalizer, Compressor usw. erfordern schnelle CPU's, wenn sie für große Datenmengen
wie beispielsweise die Nachbearbeitung oder Studioprojekte eingesetzt
werden. Auch der Klang von Musikinstrumenten wird mehr und mehr durch
Computeralgorithmen erzeugt und nachempfunden, wodurch noch ein
größerer Bedarf
an CPU-Leistungen
entsteht. Durch die Synchronisation mehrerer Computer können diese
Aufgaben verteilt werden und so die insgesamt zur Verfügung stehende
Prozeßleistung
besser genutzt werden. Auch aus Kostengründen ist diese Lösung dem
Aufrüsten
einzelner Computer beispielsweise durch DSP-Karten vorzuziehen.
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Ein
weiterer wichtiger Vorzug ist, dass verschiedene Leute an demselben
Projekt an unterschiedlichen Teilen von diesem arbeiten können. Sie können dann
nach einer Synchronisation der Geräte und darauf laufenden DAW-Programme
ihre Teile gemeinsam abspielen. Wodurch es jedem möglich wird, an
seinem Teil zu arbeiten und bei einem Abspielen direkt das gemeinsame
Ergebnis zu hören.
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Auch
bei der Vertonung von Videofilmen kann durch eine Verbindung über die
DAI-Schnittstelle
eine Synchronisation zwischen Bild und Ton erfolgen.
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Der
gesendete Befehl besteht aus einem sogenannten Sync-Wort mit 32
Bit. Dieses Sync-Wort wird von dem Empfänger erkannt. Auf das Sync-Wort folgend
kann beispielsweise ein erster 16 Bit langer Abschnitt die Paketgröße angeben,
ein zweiter 8 Bit langer Abschnitt Befehle enthalten, an die sich
weitere 8 Bit für
Flags anschließen.
Gefolgt wird dieser Header von Daten mit der absoluten Sample-Position.
Der empfangende Rechner kann nach dem Einlesen des Sync-Worts und
der nachfolgenden absoluten Sample-Position, bezogen auf den Anfang
des Sync-Worts, zu einer Sample-Position in seinem Datenstrom springen.
Als Befehle können
verschiedene Transportinformationen wie beispielsweise Start, Stop,
Locate, set Marker, Record enable, Record aufgenommen werden. Es
können
auch Befehle für
Musiktempo und für
MIDI-Ereignisse vorgesehen werden.
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Die
Bandbreite hängt
von der Sample-Rate ab und besitzt einen Wert von 44,1 kBits/sec.
bei herkömmlichen
CD's oder bis zu
192 kBits/sec bei DVD, wenn ein Bit übertragen wird. Es ist jedoch
möglich, für die Übertragung
mehr als ein Bit vorzusehen oder gegebenenfalls einen oder mehrere
gesamte Kanäle dafür bereitzustellen.