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作者 sunyanwen ()
標題 Re: [心得] 運用 Chrony 對時工具提升音訊品質
時間 Sat Jul 15 00:01:36 2023

首先是下面會用到的
OS和用戶可以用到的時鐘:

clock realtime  -> 可以被ntp搞到逆時針轉的
clock monotonic -> 只能順時針轉，但可以因ntp而調整轉速(速率)
clock monotonic raw ->只能順時針轉 不受ntp影響
以上三個共同點 依賴系統時鐘源
ptp clock ->在合理的系統上會和PTP GM運行在相同速率

drifted clock 通常還是會有相對穩定的速率
有小的的drift rate=>去掉drift rate就變成比較精確的時鐘

TSC:CPU溫度變化劇烈，但TSC來源PLL的REF晶振溫度變化不大

unstable clock 時間在很短時間變化,倒退,停止
通常不會被OS選為可靠的系統時鐘

ptp clock，用數次sync的時間差除以本地時間差會得到drift rate
結合drifted clock就可以得到相對精確且穩定的時鐘(10kHz+)

PTP GM在AES67裡可以當做Word Sync, Wall Clock
PTP Slave Clock可以經DPLL鎖相到VCO/VCXO，
divide到sample rate可得Media Clock，這種方式得到的是連續時鐘，

也可按上面方法得drift rate然後生成timer，
斷續的clock不能拿來sample 但依舊可以為sample編號(Media Clock)
這種方式生成的是burst間隔，通常用來按buffer size生成timer


audio file (一大鍋米飯)
burst transfer (一大勺=32口米飯)
continuous streaming (一口一口吃)
jitter buffer: https://bit.ly/44O1PVL
[圖]
借助jitter buffer(碗和大小勺子)把burst transfer變成continuous streaming



聲卡上有一个小緩衝區(碗)
聲卡的控制器(大小勺子)在晶振的固定頻率(continuous)下餵給dac數據(一小勺)
碗快空了就通知主機或者自己再添一大勺飯到碗裡(burst)
只向主機要一小勺會生氣!! (浪費bus)

會用到的結束


舉例子  播MP3文件

通常mp3 decoder通常會耗盡CPU把mp3轉回pcm數據並寫入聲卡
(對，burst，沒有速率控制)
但聲卡的緩衝區很小且消耗速度是固定的,
decoder必須先暫停然後等待聲卡告知自己的緩衝區空出一部分
然後再次寫入直到播放完畢
此時MP3的總播放長度與dac時鐘速度成比例

短期看播放速率是毛刺狀(burst)，長期看播放速率固定在dac時鐘速率
還可以看到主機的所有時間都和播放無關,
實際上正在使用聲卡提供的指示來計算時間.



VAD  就是聲卡
使用ptp來的校准  在正確的時間生成定時器中斷
           ~~~~    ~~~~~~~~~~

(burst間隔，1/sample rate * buffer size, 1ms級)
可以看做把聲卡晶振的固定頻率連接到VAD做時鐘(固定的消耗速度)

主機會一次填滿緩衝區,定時器提前或延後都不會影響音頻數據的完整性
      ~~~~~~~~~~~~~~

配合接收端jitter buffer把burst數據平滑到continuous，
dac端使用dpll同步到和burst長期速率一致的GM時鐘，

burst間隔取決於選擇的緩衝區大小，
以32個sample 44.1k為例
只要在和GM同步的timer時間的+-0.7ms內發包，jitter buffer就能維持精確輸出.
      ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

VAD最大PTP校正能力是+-1.2x系統時間 外加最短0.125秒生成一次校正，

macOS上的VAD默認使用"clock monotonic"形態的時鐘，
可以受ntp影響，但周期長於VAD PTP的校正，且校正量通常遠小於jitter容忍範圍
除了可能造成解鎖外功能可以忽略

如果系統時鐘波動過大或者調度器沒辦法在jitter容忍範圍內把RTP包發到接收器
Merging的VAD會在system.log和dmesg裡留下痕跡
使用中最大的問題是调度器导致定時器fire過晚，ms級


要提到的還有之所以其他設備的delta很小，
是因為他們的系統會選擇ptp做時鐘源，
系統時間緊密貼合PTP GM，
macOS沒法用PTP做時鐘源，所以很難消掉

--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 132.226.0.200 (日本)
※ 作者: sunyanwen 2023-07-15 00:01:36
※ 文章代碼(AID): #1aiN5cMR (Audiophile)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Audiophile/M.1689350502.A.59B.html
※ 同主題文章:
[心得] 運用 Chrony 對時工具提升音訊品質
07-10 21:09 elguapo
Re: [心得] 運用 Chrony 對時工具提升音訊品質
07-11 20:49 Oswyn
Re: [心得] 運用 Chrony 對時工具提升音訊品質
07-13 16:33 bt092001
Re: [心得] 運用 Chrony 對時工具提升音訊品質
07-13 20:20 Oswyn
Re: [心得] 運用 Chrony 對時工具提升音訊品質
07-15 00:01 sunyanwen
→ elguapo: Quote：「VAD  就是聲卡 使用ptp來的校准  在正確的時間生成定時器中斷」：Mac Win Linux 三個平台的 AES67 driver 都不會對系統時鐘校準，生成定時器中斷的時間是系統時間。這點可由open source 的 Linux driver 窺知。Mac 上能使用的網卡除了外接的有機會有PHC & HW TS，其餘均未有PHC + HW TS。加上 macOS 從未打算支援 PTP，因此 VAD 的 PTP implementation 為 SW slave only；Linux 雖說核心（網卡驅動）支援 PHC & HW TS，但其 AES67 driver 也從不使用 PHC & HW TS，也是 SW slave only 並且也不做時間校準。Win 的 MAD 就比較複雜，外部器材必須要設定為 ASIO clock，MAD 才鎖得住，但鎖歸鎖，Merging 建議安全的 buffer size 卻是 192~256 frames（依據 1fs size）。macOS 最小 frame size 是 16，Linux 最小 frame 32（若設定低於 32 Ravenna daemon 會自動跳回 default 128）。1F 07/15 05:13
→ sunyanwen: 從Linux alsa lkm m_dTIC_CurrentPeriod往回找即可看到定時器上的簡單的同步，VAD隔離了系統時鐘和時鐘偏差16F 07/15 05:39
→ elguapo: 那僅是 syntonization18F 07/15 05:58
推 greg7575: 所以不是"用電腦播放"的人都適用齁~~
這一大串清楚說明了音樂到耳朵前的過程，謝謝分享19F 07/15 06:59
推 xoy: 現在的串流機大都也是在ARM平台上跑Linux的電腦，看功能跟串流的通訊協定做類似的事21F 07/15 07:37
推 djboy: 感謝分享！！ 本文值得2個m。
這篇文章，是我研究音響來，一直想知道的整串播放流程的細節。經過這麼多年，感謝sunyanwen大大實現我的心願。23F 07/15 11:13
推 danisaku: 感謝科普26F 07/15 11:56
推 Oswyn: 其實兩件事 影響硬體運作的時鐘(時脈) 跟用來對時(同步)
我感覺 e大一直沒能分清楚什麼是什麼
就像上面提到 ASIO、ASIO&WASAPI 都只是軟體層的 API
一個軟體運作，跟硬體 clock 是不直接掛鈎的
https://i.imgur.com/sf1EZ2s.jpg
https://i.imgur.com/OxZFlRp.jpg27F 07/15 11:57
[圖]
 
[圖]
→ Oswyn: 同步的 timestamp 是放在 Layer5 RTP Header 中，這代表的意義是什麼，稍理解 OSI 7層的人都應該能理解
時間對齊和同步速度，並不是在傳輸過程中達成的33F 07/15 12:09
推 iitze: 推，這系列文，長知識36F 07/15 15:01

補充:

VAD中slave clock對時方法
https://i.imgur.com/cd7GuOH.png
[圖]
PTP求得drift rate,定時器中斷(本機時間+1ms/drift rate)將落在標準時間+1ms附近，
下次中斷就是在(標準時間+1ms附近)的本機時間+(1ms/drift rate)
為防止偏差過大，在同步間隔R時會重新生成drift rate
可見VAD的timer是貼著標準時間走的

media clock只有在DAC/ADC邊緣才是真實的時鐘信號，
可以映射到GM絕對時間，但AES67沒有嚴格要求相位同步

RTP中的timestamp實際是media clock計數器，比如48000khz,1ms buffer,
GM時間每ms應該有1個RTP Packet,timestamp就應該加48，並沒有絕對時間
每個slave的每秒都有1000個ms(被同步約束)
只要滿足同步，就能在jitter buffer還原回精確的sample clock & sample
這期間VAD完全不知道每個sample在什麼時間生成，因為他是burst的，時間由GM保證

實際上同步建立在音頻時鐘+jitter buffer上，
除PTP packet外沒有其他packet有真正的timestamp

※ 編輯: sunyanwen (132.226.0.200 日本), 07/15/2023 18:11:25
→ elguapo: Quote:「可見VAD的timer是貼著標準時間走的」：我一直是這麼表示的…37F 07/15 22:14
推 djboy: sun大以後多發文啊~~~39F 07/15 23:47

補充2:

1ms jitter buffer意味著1ms delay，和其他設備align間隔也是1ms，
聲卡工作在burst模式，因為不能同步時鐘到AD/DA，這意味著相位要求幾乎沒有
頻率同步不需要delay measurement,故可以使用SW PTP(不需要hw timestamp)
這樣就只需要接收sync,同時用相對時間差計算drift rate
實際上VAD也沒有發任何ptp包出去
SW PTP可以滿足1ms要求，并且不需要额外硬件，是VAD首选


sample instant alignment，也就是標準(GM)時間對AES67的影響

Media Clock在VAD中，因為很難得到精確時間信息(1s/48000,scheduler)
聲卡的burst播放也不會在準確的時刻寫入sample
所以VAD與GM時間同步，播放設備按GM時鐘生成採樣率播放，理想情況下就是bit perfect


真正有差別的地方在多路AD/DA，mixer上
具有相同RTP timestamp的sample要在相同的時刻sample/playback，(AES11的+-5%)
這個時刻由PTP GM保證，通過hw timestamp+servo+dpll+apll生成sample edge，
確保所有相位同步的設備都具有非常接近的相位，必須要用HW PTP且需要很多額外組件
這個問題可以很大，但优势也在这里，用了GPS，全世界可以一起录

順便就可以提供給嵌入式系統一個時鐘源，系統時間和GM完全一樣，
但系統時間和音頻時鐘依舊沒有關聯，
Media Clock綁定到GM時間，要求絕對準確，OS取準確時間代價太大

最後  ALC NetworX VAD 提供了system time sync功能, 需要HW PTP，
Intel舊網卡基本都可以用，可以體驗看看
※ 編輯: sunyanwen (132.226.0.200 日本), 07/16/2023 05:29:00
→ elguapo: Quote:「OS取準確時間代價太大」：所以我 proposed 用 802.1AS layer 2 對電腦系統對時（layer 3 被 Ravenna 佔用），無法 802.1AS 的系統則使用 local NTP 對時（同一個時鐘源）。這樣的代價並不高且有效。40F 07/16 06:36
→ sunyanwen: 當然怎樣對時都沒問題，但即便對時也還是要經過VAD PTP的drift rate校正，因為始終要同步到GM，想想看工作室的GM如果沒用GPS時間且偏差很大，不經PTP校正+NTP到與GM不同步的時鐘=破壞音頻時鐘，對時目的還是為了同步，只不過系統內的GM才是真正的參考44F 07/16 07:07
推 elguapo: Quote:「系統內的GM才是真正的參考」：是，完全同意。我是用AES67系統內的GPS PTP GMC當唯一時鐘源（e810），用多網口做出不同profile/layer/protocol給各應用區；e810設計上只有一個PHC給四個網口共用，其中：一個網口UDP/E2E AES67 profile給Ravenna network，一個網口802.1AS走layer 2，一個網口設定具HW TS的NTP server。另因預算不足交換器只能用便宜的具TC能力的M4250。49F 07/16 08:03

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