In het kort:
Bij de overdracht van digitale signalen is er altijd een bepaalde mate van onnauwkeurigheid in het precieze moment waarop in de ontvanger het signaal geregistreerd wordt. Dat heet "Jitter"
Zolang deze onnauwkeurigheid kleiner is dan 1 bit-tijd dan kunnen alle bitjes correct ontvangen worden, bij sterkere jitter ontstaan er bitfouten, die meestal ernstig zijn.
Bij de Analoog-Digitaal en Digitaal-Analoog omzettingen vertaalt jitter zich in een toename van de ruis, of -in een ongelukkig maar zeldzaam geval-, in een toename van de vervorming.
Experimenten waarbij de jitter aanzienlijk verergerd werd gaven geen hoorbare effecten, dus van het verminderen van de jitter valt geen hoorbaar effect te verwachten
Verwante onderwerpen:
A/D en D/A omzetting, Clock Oscillator, PLL, Phase Locked Loop
Jitter in digitale audio signalen
Wat kan er aan jitter gedaan worden
Er bestaat geen digitale elektronica.
Aan het muzieksignaal gecorreleerde jitter
Digitale signalen zijn bijna altijd gereleateerd een bepaalde klok. Dat is een elektronisch circuit dat met een bepaalde regelmaat "tikt", een signaal afgeeft.
Jitter is het verschijnsel dat digitale signalen niet precies op de ideale tijd van die klok van toestand veranderen. Zolang het om digitale signalen gaat is dat meestal niet zo'n probleem zolang bepaalde grenzen niet overschreden worden, maar bij een A/D of een D/A converter vertaalt jitter zich in een bijgeluid dat niet in het muzieksignaal thuishoort. Achteraf is er dan niets meer te doen aan deze invloed.
In de huiskamer
hifi-praktijk blijkt de invloed van jitter erg mee te vallen. In diverse hifi-
bladen en op sommige websites wordt het probleem vaak zwaar overdreven, meestal
door lieden die een handeltje hebben in spullen die jitter onderdrukken, of soms
alleen maar beweren dat ze dat doen terwijl hun spullen in feite onwerkzaam
zijn.
Er zijn diverse publikaties waarin de "enorme verschillen" die zouden
bestaan in de geluidskwalitet van verschillende CD-spelers toegeschreven worden
aan de verschillen in jitter, of in het jitter spectrum. Bij nadere beschouwing
blijken zulke rapportages de toets van een degelijke onderbouwing niet te kunnen
doorstaan, oftewel: "whishful thinking", fantasie dus.
Hoe werkt jitter in een digitaal signaal door in het analoge audio signaal
Jitter is een willekeurige (eng: random) verschuiving in de tijd waarop de samples van een digitaal signaal binnenkomen op de D/A converter.
Het onderstaande plaatje illustreert dat. De pijltjes geven de momenten aan waarop het signaal naar de D/A converter gaat. (Bij de A/D converter werkt het precies zo).
Hieronder maak ik een berekening over hoe ernstig jitter op een digitaal signaal (bijv. de clock naar de DAC) doorwerkt in het uiteindelijke geluid.
Met een klein beetje inzicht in de wiskunde kun je de volgende redenering volgen:
Voor het gemak ga ik uit van een sinusvormig audio signaal van F= 10 kHz met een piek amplitude van 1 volt. De snelheid waarmee dat signaal de nul doorgang passeert is
2 * pi * F * 1 Volt = 62800 V/sec.
Je kunt dan afleiden dat de jitter een ruisbijdrage geeft van tJ * 2 * pi * F * 1 Volt, waarin tJ de jitter in de tijd is en F de frequentie van het audio signaal. Om de waarde in dB te krijgen moet je 20 maal de logarithme nemen.
Er zijn echter nog twee factoren. Ruis moet altijd bekeken worden in het licht van de signaal bandbreedte, en die is afhankelijk van de sample frequentie. Bij een hogere sample frequentie wordt de zelfde jitter energie over een groter frequentie bereik uitgesmeerd.
We luisteren echter maar naar 20 kHz bandbreedte. Ruisspanningen gaan altijd met de wortel uit de bandbreedte, zodat er nog een term bij komt in de formule,
en het totaal wordt : 20 log [tj * 2 * pi * F * wortel (B / Fs)] in dB, waarin B de bandbreedte (20 kHz) en Fs de sample frequentie van de DAC.
De tabel hieronder geeft enkele voorbeelden in dB (steeds bij 10 Khz signaal frequentie en 44.1 Khz sample frequentie)
| Oversampling DAC | 1 usec | 1 nano sec | 1 pico sec |
| 1 | -27 | -87 | -147 |
| 8 | -36 | -96 | -157 |
| 256 | -51 | -111 | -171 |
Merk op dat een jitter van 1 usec op een SP/dif signaal onmogelijk is, want dat is meer dan de periode tijd van het digitale signaal, en dan werkt de verbinding niet meer.
Realistische jitter waarden zijn 1 nsec of (veel) minder. Verder hebben zo goed als alle CD-spelers een flinke mate van oversampling. (1 bit -converter)
Een bijkomstige omstandigheid is dat de ruis t.g.v. jitter gemoduleerd is met de signaalfrequentie. Kijk nog maar eens naar het plaatje hierboven: Op de top van de sinus heeft jitter geen effect, omdat het signaal (nagenoeg) niet verandert.
Modulatie betekent som- en verschil frequenties, bij een ruisspectrum dus zijbanden rond de signaal frequentie(s). Omdat jitter meestal een random karakter heeft, hetgeen een "witte ruis" betekent, maakt deze frequentie symmetrie niets uit; het ruis-spectrum blijft "wit".
Als de jitter een nadrukkelijke frequentie heeft in het audio gebied dan vind je alle som- en verschil frequenties terug.
Samen gevat is het effect van jitter:
-
Evenredig met de signaalsterkte. Jitter leidt dus niet tot een verhoging van het ruisnivo in stille passages.
-
Evenredig met de audio frequentie. Dat maakt het alleen nog maar minder erg, want er is dan alleen "veel" ruis door de jitter als er ook veel hoge frequenties in de muziek zitten. En bij veel hoog in de muziek hoor je een evt. ruis minder. (Het schuren met de wire brushes maskeert zo goed als alle ruis in een opname)
-
In de praktische gevallen van huiskamer hifi zo gering dat het onhoorbaar is door het maskerings effect van het menselijk gehoor.
-
Als het in een onwaarschijnlijk extreem geval merkbaar zou zijn ervaar je het als een ruis die fluctueert met de sterkte van de muziek. Niet aan de niet meer zo strakke bas of de ruimtelijkheid, de "lucht" en de plaatsbaarheid van de instrumenten.
-
Jitter heeft meestal een "witte ruis" karakter, maar dat kan ook anders zijn. De jitter in een SPdif signaal heeft vaak enige correlatie met de voorafgaande bitjes. We noemen dat "signaal gecorreleerde" jitter. Vergis je echter niet door te denken dat de jitter nu gecorreleerd is aan het audio signaal dat over de SPdif verbinding gaat. Het spectrum van het SPdif signaal zelf is in hoge mate onafhankelijk van (ongecorreleerd met) het audio signaal. Dat komt vooral omdat in het seriele digitale signaal de meest- en de minst significante bitjes even zwaar wegen. (experiment 3)
Elk digitaal signaal is behept met tenminste een beetje jitter. In eerste instantie is de klok oscillator daarvoor verantwoordelijk. Bij een CD-speler wordt het digitale signaal met die klok (of een daarvan afgeleide) uit de fifo buffer gehaald en naar de digitale processor en de D/A converter gestuurd. Elke keer dat een klok-signaal (dus niet de muziek-informatie) via een buffer of een frequentiedeler gaat komt er wat jitter bij. Ook als er signalen met een "vreemde" klok in de buurt zijn of als het printplaat ontwerp ongelukkig gemaakt is kan er extra jitter ontstaan. Ook onvoldoende ontkoppeling van- en ruis op voedingsspanningen veroorzaken jitter.
In de huiskamer-hifi
situatie is een nog veel sterkere bron van jitter een eventuele optische
verbinding, zoals een TOS-link. Hier wordt het digitale signaal zowel in
bandbreedte beperkt door de dispersie, als in elektrisch nivo verzwakt tot een
paar milli Volt bij de fototransistor van de ontvanger. Het
gereconstrueerde signaal zal aanzienlijk meer jitter bevatten dan het
oorspronkelijke. Als je bang bent voor jitter moet je beslist geen optische
verbinding gebruiken.
In het bovenstaande voorbeeld heb ik een jitter spectrum aangenomen als van een witte ruis. Dat is het meest voorkomende geval, en vrij eenvoudig te berekenen. Een veel voorkomende andere situatie is er als de jitter in een serieel digitaal signaal (zoals SP-dif) gerelateerd is aan het aantal eenen en nullen in de voorafgaande bitjes. We noemen dat nog wel eens : "data jitter". Deze vorm ontstaat ook gemakkelijk in een optische verbinding.
Op het eerste gezicht zou je denken dat er dan een sterk verband is tussen het jitterspectrum en het audio-signaal, maar bij een nadere beschouwing blijkt dat nauwelijks het geval te zijn. Het SP/dif signaal zit bewust zo in elkaar dat er nauwelijks een verband is tussen het spectrum van het audio signaal en het spectrum van het SP/dif signaal..
Wat kan er aan jitter gedaan worden (jitter killer)
Er is slechts 1 manier om bestaande jitter in een digitaal signaal te verminderen: Opnieuw sampelen met een jitter-arme klok.
Voor het opnieuw sampelen is een jitterarme locale klok-oscillator nodig, waarvan de frequentie over langere tijd gemiddeld exact gelijk moet zijn aan de klok van het oorspronkelijke signaal. Als je dat niet doet ga je vroeg of laat bitjes missen, en dat is ontoelaatbaar. De frequentie van de locale klok moet dus bijgeregeld worden. En wat gebeurt er als je die klok te snel bijregelt? Juist, ja..... jitter. Dat bijregelen moet dus heel langzaam gebeuren, de regelfrequentie moet minder dan 10 of 20 Hz zijn. Dat kan in principe wel, maar daar is een tamelijk gecompliceerd en zeer delicaat circuit voor nodig. Voor de techneuten: Een Fase-vergrendelde kring (PLL) met een zeer ruisarme oscillator en een bandbreedte van 10 Hz of minder. Nu staat bij een PLL de bandbreedte altijd op gespannen voet met het vang- en houd- bereik, dus je moet iets slims doen om na invangen de bandbreedte te beperken. Als zo'n "jitter killer" ook nog met diverse datasnelheden moet kunnen werken (32, 44.1, 48, 96 kHz of nog hoger) dan wordt het een redelijk ingewikkelde schakeling.
Alle "jitter killers" die niet op het principe van de hierboven genoemde methode berusten zijn boerenbedrog. Misschien dat ze de flanken van een verzwakt signaal weer scherp maken, maar jitter verminderen doen ze niet.
Ook "Sample-Rate-Converters" bieden geen oplossing. Op de maat van de jitter-arme klok voor het uitgaande signaal vindt er n.l een hersampling plaats van het geinterpoleerde ingangssignaal, dat vaak eerst "ge-upsampled" wordt. De jitter van het ingangssignaal heeft zich dan al vertaald in een signaal-amplitude.
Er zijn voor sommige CD-spelers ombouw kitjes te koop die pretenderen om de jitter te verminderen. Waarschijnlijk werkt dat wel, maar zoals ik in dit hoofdstuk betoog is jitter in huiskamer audio apparatuur nooit een echt probleem.
Bij een verbinding tussen een digitale signaal bron en je PC, met het doel om een CD of een DVD te branden is jitter nooit een probleem, tenzij er bitjes gemist worden. Een eventueel jitter probleem speelt uitsluitend bij de D/A en de A/D converter een rol.
Het verminderen van de jitter in een gegeven systeem is niet zo eenvoudig, maar het is een klein kunstje om de jitter aanzienlijk en gecontroleerd te laten toenemen. Je kunt dan een duidelijke indruk krijgen wat het hoorbare effect ervan is.
Ik heb 2 experimenten ondernomen om meer zicht te krijgen op de ernst van het jitter probleem.
Experiment 1: Het verjitteren van een SP/Dif signaal.
Met het onderstaand schakelingetje heb ik een SPdif signaal flink kunnen verjitteren, in het bijzonder ook met audiofrequente modulatie.
Het werkt als volgt:
De combinatie R3-C3 vormt een laag-doorlaat filter dat de binnenkomende blokgolf van het SPdif signaal omvormt tot een min of meer driehoekspanning. Het 74HC00 IC maakt daar weer een redelijk nette blokgolf van. Het netwerkje R4, R5 en C4 zorgt ervoor dat de gemiddelde spanning op de ingang van het IC ongeveer op het omslagpunt ligt.
Via C1 en R2 kan een modulatie signaal van bijv. een toongenerator geinjecteerd worden. Hierdoor verschuift het driehoek signaal op en neer, waardoor het uitgangssignaal een bepaalde hoeveelheid jitter zal krijgen. Je kunt dit goed zien op een (liefst analoge) oscilloscope, als je op het SPdif-in signaal triggert en het SPdif uit signaal bekijkt.
Vergeet niet dat het IC (je kunt ook een andere poort uit de 74 HC familie gebruiken) ook voedingsspanning nodig heeft, en een ontkoppelcondensator. Een 4.5 Volt batterij of 3-4 penlights voldoen hiervoor wel.
Ik heb een SPdif signaal betrokken uit een Soundblaster Audigy 2N en het verjitterde signaal toegevoerd aan een Sony DTC 690 DAT speler, hier als D/A converter gebruikt. Het luisteren ging met een Sennheiser HD580 hoofdtelefoon. Ik heb diverse muziek stukjes beluisterd, maar vooral zuivere tonen van diverse frequenties die opgewekt werden met mijn WaveGenerator Versie 1.1 De SPdif signalen waren gebaseerd op de 44.1 kHz / 16 bit CD standaard.
Ik heb o.m. audio frequenties gebruikt van 2, 4, 8 en 16 kHz, met de maximale sterkte (32000 counts piek-piek), terwijl er verjitterd werd met audio-frequente en boven-audiofrequente signalen uit een toongenerator (Wavetek 146) Ik heb de modulatie opgevoerd totdat de jitter ca. 20-40 nsec bedroeg. Bij meer jitter gaf de DAT er de brui aan omdat er bitfouten optraden.
In geen van deze situaties heb ik een verandering van het signaal kunnen waarnemen. Op grond van de theorie verwachten we verschilfrequenties te horen bij hoge audio frequenties in het SPdif signaal, en als de jitter-modulatie frequentie daar in de buurt komt. Voorbeeld: SPdif transporteert 16 hKz met maximale sterkte, en de jitter-modulatie is 15 of 17 kHz, en zo sterk dat de DAT nog net werkt. Je zou dan een verschiltoon van 1 kHz verwachten, maar niets van dat alles. Wel in het volgende experiment.
Ik moet hierbij opmerken dat de DAT een locale clock oscillator heeft die bij een digitaal ingangssignaal vergrendeld wordt aan het inkomend signaal. Deze z.g. Phase-locked-loop onderdrukt jitter met frequenties boven ca. 1 kHz, maar ik heb onvoldoende gegevens van het circuit om te bepalen hoeveel die onderdrukking is.
Experiment 2 : Het verjitteren van de DAC-klok in een DAT speler/recorder.
Hier
stond mij dezelfde DAT speler (Sony DTC 690) ter beschikking als in het
eerste experiment. Ik heb in het inwendige van dat apparaat een modulatie
signaal geinjecteerd in het Phase-locked-loop circuit dat de klok regenereert.
Dit kloksignaal wordt direct gebruikt door de D/A converter.
Om precies te zijn: het modulatie signaal werd via een weerstand van 47 kOhm en
een condensator van 22 nF toegevoerd aan het knooppunt R501, C507, R502. Dit is
het punt waarvandaan de varicaps van de VCO bijgeregeld worden.
Ik heb hier modulatie signalen toegevoegd van vooral audio frequenties, met een zodanige sterkte dat de DAT er nog net niet de brui aan gaf, terwijl er via de SP/Dif ingang een zuiver sinussignaal aangeboden werd met diverse frequenties. Het resultaat werd waargenomen met de HD580 hoofdtelefoon
Hier werd bij 2, 4, 8 en 16 kHz, volledige audio uitsturing een verschiltoon waargenomen bij jitter amplitudes van omstreeks 20 ns. De verschiltoon was die tussen de audio-toon en de modulatie frequentie, zoals te verwachten was. Ik beschik op dit moment niet over meetapparatuur om de sterkte van die verschiltonen vast te stellen.
Bij een jitter van minder dan zo'n 2 nsec was er geen hoorbaar effect te vinden, evenmin bij audio signalen van lagere frequenties dan 2 kHz.
Let wel: In beide experimenten gaat het om extreem verjitteren met een frequentie in het audio frequente gebied. Het SP/Dif signaal zelf bevat erg weinig audiofrequente componenten, en deze zijn in ieder geval niet gerelateerd aan het muzieksignaal zoals dat door het S/P-dif signaal overgedragen wordt.
Experiment 3: Het spectrum van een SPdif signaal is niet gecorreleerd aan het getransporteerde audio signaal.
De proef is heel simpel. Sluit een coaxiaal SPdif signaal aan op een analoge ingang van je versterker (AUX) en luister goed. Zet het volume niet te hoog, het SPdif signaal bevat voornamelijk onhoorbare frequenties en er kunnen onaangename dingen gebeuren in je versterker.
Je zult waarnemen dat er bij muziek of ook bij pure tonen een geringe ruis hoorbaar is, in ieder geval niet de toon of iets wat op muziek lijkt. Bij pauzes verdwijnt de ruis en blijft er mogelijk een zwakke constante toon over.
De verklaring hiervoor is dat in de 16-bit woorden die het SPdif signaal transporteert de meest- en minst significante bitjes even zwaar wegen. Het meest significante bit vertoont een flinke correlatie met de lagere signaal frequenties. Bij de minder significante bitjes is die correlatie zo goed als verdwenen. Die minder significante bitjes zijn in de meerderheid. Het resultaat is witte ruis.
Er bestaat geen digitale elektronica.
Deze wat prikkelende opmerking is in dit hoofdstuk terecht gekomen omdat het me hier het meest relevant leek.
Waar gaat het om:
-
Alle zogenaamde digitale circuits zijn in wezen analoge circuits die tot in de verzadiging (lees: tot nabij de grenzen van de voedingsspanning) uitgestuurd worden.
-
Alle zogenaamde digitale elektrische signalen zijn in in wezen analoog en gehoorzamen alle regels die voor analoge signalen gelden. In het bijzonder gaat de overgang van 0 naar 1 of andersom niet in een oneindig korte tijd, en worden daarbij alle tussenliggende waardes aangenomen.
-
De digitale begrippen "hoog", "laag", "1", "0" etc. berusten op AFSPRAKEN over "groter of kleiner dan een bepaalde spanning". In het gebied daartussen is de betekenis van het signaal ongedefinieerd; een ontvangend circuit mag er naar willekeur een nul of een één van maken. Zie ook het begrip storingsmarge
Wat betekent dit in de praktijk?
Onder meer:
-
Omdat de stijg/daal-tijd van een "digitaal" signaal niet nul is kan een ruisbron (die zitten bijna overal) of een stoorsignaal van buiten of binnen het zelfde apparaat de precieze timing van een digitaal signaal beinvloeden. Dat levert dus jitter op.
Aan het muziek signaal gecorreleerde jitter. Niet echt een vraag, meer een discussie onderwerp.
Je beschrijving van het fenomeen beperkt zich tot random jitter. Dit is de minst kwalijke vorm, en waarschijnlijk inderdaad niet hoorbaar.
Er zijn echter veel gekkere verschijningsvormen, die vaak het gevolg zijn van slecht ontwerpen van de schakelingen. Een bekende is de zg. data jitter; waarbij zowel teken als amplitude van het stoorsignaal afhangen van de voorafgaande sequenties nullen en enen. Dit soort jitter treedt op als klok en data over dezelfde verbinding lopen, zoals bij SPDIF. Omdat het geen random fout is, leidt het veel vaker tot hoorbare problemen.
Het meest hilarische aan dit voorbeeld is dat betaalbare gewone-mensen-spelers die in 1 behuizing zitten hieraan zelden onderhevig zijn. De zeer "audiofiele" oplossing waarbij DAC en transport in verschillende behuizingen zitten (vanwege storingen en behoefte aan gescheiden voedingen), en waarbij dan een SPDIF verbinding tussen de twee gebruikt wordt, heeft hier wel last van!
Gegroet, YC
Antwoord:
Tot nog toe heb ik me inderdaad beperkt tot jitter met een "Witte ruis" karakteristiek. Dat is een eerste, maar niet de enige benadering. Er kunnen zich in de praktijk talloze andere jitterspectra voordoen, met name spectra die gerelateerd zijn aan de bit-volgorde in het SP/Dif-signaal.
Als je in de gelegenheid bent moet je een SP/Dif signaal eens op een spectrum analyser aansluiten, met en zonder modulatie. Je zult zien dat het met modulatie ietsje ruiseriger is dan zonder modulatie. Correlatie met het signaal (ik heb een paar pure sinustonen geprobeerd) valt er niet in te ontdekken. De meeste spectrale inhoud bestaat uit de harmonischen van de bi-phase violations die voor de synchronisatie gebruikt worden.
Een nog simpeler proefje kun je zeker zelf doen: Zet een SP/Dif signaal eens op een analoge ingang en luister wat er aan componenten < 20 kHz te horen valt: Zo goed als niets bij een ongemoduleerd signaal, en een pietsje ruis bij modulatie. Er is geen enkele correlatie met de muziek waar te nemen. Gezien de manier waarop het SP/Dif signaal in elkaar zit is dit ook zo te verwachten. Het is ontworpen voor weinig spectrale inhoud bij lage frequenties. Daarenboven: Het spectrum van een serieel digitaal signaal is in hoge mate onafhankelijk van de analoge signaal inhoud. Voor het spectrum wegen de "zware" en de "lichte" bitjes van het signaal even zwaar.
Ik hoop dat het ook duidelijk is dat alleen het jitter-spectrum in het hoorbare frequentie gebied tot hoorbare effecten kan leiden. (hier ben ik nog niet 100% zeker; het kan zijn dat er ook nog interferentie problemen kunnen optreden bij hoge jitter frequenties die zich weer naar iets audiofrequents kunnen vertalen. Ik zal hier t.z.t. eens wat experimentjes mee doen)
Je opmerking "hilarisch" is zeer terecht. Als je jitter problemen in huis wilt halen moet je een separate DAC gebruiken, en liefst nog met een optische koppeling zodat het signaal onderweg een keer flink in bandbreedte beperkt wordt (dispersie in de fiber-kabel) en verzwakt wordt (fotodiode in de ontvanger) Elk ruisje zal zich onmiddelijk in jitter vertalen.
SP/Dif spectrum met modulatie. SP/Dif spectrum met modulatie 0 (stilte).
In beide gevallen gaat het om een 48 kHz signaal uit een DAT recorder.
.