2022年5月17日 星期二

關鍵時間:釐清延遲率的相關性

 PA系統可以容許多長的延遲而不被聆聽者察覺? 不同的應用場合可以容許多少延遲率? 延遲率低一定比較好嗎?打從數位音頻技術第一次被運用,延遲率就一直是被討論的話題了。









如同一般Audio器材上的參數多可量化,延遲率反倒被過多不明確的行銷術語所包裝,比如low、ultra-low、imperceptible無法察覺、near-zero等。為了揭開這層神秘面紗,我們回頭來看看延遲率的數字、從文字上來理解它。


Latency延遲率代表一個器材從輸入訊號、處理、輸出訊號所需要的時間,換句話說,就是訊號通過這個器材或系統所需要的時間。如果器材本身具有類比輸出入介面,這通常包括輸入端會有的類比-數位轉換、訊號路徑上執行的處理程序、還有輸出端會有的數位-類比轉換等。


如果器材具有數位輸出入介面則會稍稍複雜些,雖然省卻了類比介面需要的前後端AD/DA轉換步驟與延遲,多出的是數位格式間傳輸的延遲率。器材的延遲通常以ms毫秒來表示,亦即1/1000秒為單位(在Audio處理用的Plugin則通常以sample來當成延遲率的單位)。不喜歡數學的人也請放心,只要使用簡單的加法,我們就能計算出信號路徑上的延遲率總和。


筆者也利用了Excel軟體,把在任職公司九太常使用的器材之Latency列表、以便能快速地加總,得出參考數據來,讓使用者能即時獲知系統的訊號路徑是否有過度延遲的問題。



公式內、每個環節都設計了下拉選單,並會自動導出器材的基本延遲率,操作上很容易。


不同的情境

不同的情境下我們可以容許到多少的延遲率? 為求瞭解,我們需要討論一下聲波於空間傳導上,會產生的延遲 -- 也就是聲波在空氣間傳導所需的時間。聲波是以大約340公尺/每秒的速度在空氣中傳導、或是34公分/每ms(溫度15℃下),這速率會稍稍受到空間的溫、濕度所影響。


因此,在典型的中型場地,套鼓或樂器擴大器的直射音、要跨過舞台前緣進入觀眾區,約需要15 - 20ms的時間。這代表我們進行FOH系統混音、並透過PA器材輸出訊號、系統通過信號路徑所產生延遲率,應該有一定程度是可以被接受的。


反觀舞台上的樂手,他們泰半與演奏的樂器距離很近,能接受的延遲率相對低很多。歌手則因為歌聲透過骨傳導、本人幾乎是即時就聽到了,延遲率的容許度更是嚴苛。


衡量監聽系統的延遲率,通常來說,從輸入端點、經過控台、處理器、再傳送到舞台上地板監聽或是IEM,一般都會建議不要超過5ms。


數位無線系統、即使是備受推崇的品牌,也會產生令人驚訝的延遲率。Shure的SLX-D無線Mic系統會產生3.2ms的延遲,也就是說,同在監聽系統路徑上的其他器材、為了不超出5ms的總和、可容許的延遲率空間變得非常的小。就算改採用Shure旗艦級的Axient數位系統,仍舊會產生2ms的延遲,因此花更多的錢換高階的系統,或許能有更好的延遲率表現,但並非能為你爭取多很多的時間。


如上列公式的試算,在Monitor系統上使用SLX-D無線系統後,如果控台也使用數位控台的CL,後端的器材不管怎麼節省、搭配,其實多半都會超過5ms的延遲率,讓系統的選擇變得很侷限。



如上,若改用Axient無線系統、加上控台改採PM10跑96kHz,則的確可以空出一些空間、讓後端器材能有選擇。傳輸直接使用PM10的TwinLANe系統,擴大器使用Nexo的NXAmp4x4等。只是系統的整體預算就會提高非常多。這也是大部分吉他手的無線傳輸系統、或是IEM系統上,類比的無線傳輸仍舊被大量採用的原因,CP值罷。


如果使用單純使用IEM(假定是Shure的PSM1000),則延遲率上仍可以符合5ms的建議值。但如果再搭配Aviom、並採用D800採Dante迴路,就會稍稍超出0.5ms的延遲率了。



從最基本的系統骨幹--傳輸系統來看,由於類比訊號透過銅導線傳導,而電氣訊號的速度約為光速的2/3,換句話說,類比傳輸系統是以Zero Latency的延遲率在傳輸。也就是說,整個訊號傳輸的路徑上,類比的程序完全沒問題,它們並不帶來延遲率。


一旦移動到數位傳輸系統上則變複雜的多。不同的數位編碼方式有自己獨特的〝資料打包〞方式、延遲率也各自不同。


舉例而言,Midas / Behringer品牌使用的AES50傳輸系統,基本延遲率是0.063ms,這在數位傳輸系統上是相當低的。而利用IP模式的數位傳輸系統則延遲率相對稍高,因為必須依照電腦網路的規範來進行。以Dante為例,系統的預設延遲率是1ms,但可以依應用的方式加以調整(可調範圍為0.15ms到5ms)。


接收、處理、傳送

我們已經理解類比、數位傳輸系統本身的速度非常快,我們進一步來探討其間連結的器材,包括接收、處理、傳送的單元。


類比的控台、外接處理器、擴大器、或甚至無線傳輸系統,可以即時的執行它們被賦予的工作,不過一旦改用數位系統後,這句話就變的不一定了。例如,看似萬能的平價數位控台Behringer X32,會產生0.83ms的延遲率(從類比IN到類比OUT、48kHz下)。如果採用Allen&Heath的SQ或是Avantis的控台,則會有0.7ms的延遲。


如果再附加上控台與Stage I/O間的傳輸,絕大部分現代的數位控台系統應該都可以維持2ms以下的整體延遲率。這代表我們應該都可以在不使用其他外掛處理器、Plug-in情形下,維持夠低的延遲率來應付任何的混音需求,即使是用入門款的混音控台。


但如果你想用的不只是控台跟Stage I/O呢? 類比的外掛處理器在今日仍被很多Engineer所愛用,如果以Insert I/O的方式來掛載到數位控台系統,想當然會需要通過額外的D/A與A/D轉換。Waves的外掛處理系統也是很多人喜歡採用的,一般數位控台透過SoundGrid I/O連接到Waves Server的迴路會帶來約1ms的延遲,但問題比較大的,通常是裡面使用的Plugin,其延遲率往往會加倍、或更大。


除了SoundGrid I/O系統,還有幾個路徑上可能需考慮的轉換機制會帶來甚至更長的延遲率。很多Engineer會使用輸出處理器,譬如很多人愛用的Lake LM處理器,像LM44則會添加1ms的延遲。更甚者,很多新一代的喇叭系統或是擴大器都配置有原廠的處理元件,這些也都會提升數個ms的延遲於路徑上。


一般來說,FOH系統可以容許的路徑延遲率、遠比監聽系統來的長許多。可以這樣說,只要不慢於音源直射音通過舞台前緣的時間就可以了(假定你的PA喇叭系統是置於舞台前緣)。我們無法在音源直射音加delay、拖慢它,只能想辦法讓PA喇叭輸出訊號與它差不多時間了。



假定演出場地的溫度是24℃、而表演是在一個稍深的舞台上進行,大部分直射音壓稍大的音源(套鼓、樂器音箱)離舞台前緣約10米,則計算出來直射音的延遲約28.95ms。


這就給予FOH系統有較大的容許路徑延遲率了。假定我們使用了SLX-D的無線系統,還用了CL5控台、加掛Waves與內建的Plugin(假定產生5ms的延遲率),並使用了LM44處理器、Dante系統傳輸,擴大器用Yamaha新款的PC-D等。計算下來的路徑延遲率約15.4ms,離預估的音源直射音延遲還有一段距離,我們可能還需要在輸出加delay來配合直射音的到達時間呢!


到此,我們可以下一個有用的結論:市場上有聲譽品牌的Audio器材泰半都能有可接受的低延遲率,在簡單路徑的使用狀況下基本上不會遇到問題。在大型場地執行FOH的混音,即便使用較複雜的信號串接路徑,執行上也不太會導致大問題。然而在監聽系統應用上,則要盡可能避免太複雜的串接路徑。


如果系統的延遲率有問題,降低在路徑上的串接器材數量、採用較適當的工具遠比花錢升級到更高階的器材,要來的有成本效益些呢!




Humphrey T


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