Оглавление:
Джиттер? или Jitter 101
Что такое Джиттер или Джитер — еще одна из тех звуковых понятий, которые очень сложно понять, но они имеют множество нюансов и, казалось бы, скрытых деталей. Для начала давайте определим некоторые термины.
Что такое Джиттер?
На рисунке 1 показан сигнал, который мы хотим сэмплировать. Он движется быстрее всего (имеет наибольшую скорость нарастания) на пересечении центра. Увеличение, время, необходимое для изменения сигнала на 1 младший бит (lsb) по амплитуде, является временем апертуры (постукивание). Если мы произведем выборку где-нибудь в пределах этого временного окна, на выходе будет тот же код (при условии, что амплитуда начинается и заканчивается на пороге).
Если мы выпадем за пределы окна, будет выведен следующий код ниже или выше. Для синусоидальной волны амплитуды A и частоты f максимальная скорость нарастания составляет 2 * pi * f * A (величина первой производной по времени). Для N-разрядного АЦП или ЦАП и того же синусоидального входа время апертуры составляет 1 / [(2 ^ N) * pi * f] (отношения амплитуд вне уравнения). Так как это время, необходимое для прохождения сигнала через 1 lsb, тактовая частота (частота дискретизации) не входит в уравнение.
Джиттер — это изменение времени выборки, которое приводит к соответствующему изменению амплитуды выборки. Джиттер, превышающее время апертуры, приводит к выводу неправильных кодов, что снижает производительность АЦП (или ЦАП). Джитер может быть случайным или детерминированным (т. е. Определяться некоторым сигналом, будь то вход, тактовый сигнал, пульсация источника питания, DSP и / или некоторая комбинация тех или иных источников, включая радиопередатчик на дороге). Случайный нормальный (гауссовский) джиттер со стандартным отклонением, равным времени апертуры, вызывает снижение SNR примерно на 8 дБ (чуть более 1 бита потери разрешения).
На рисунке 2 показано временное окно апертуры для различных частот и разрешений.
Случайный джиттер — это просто шум. Это ухудшает (уменьшает) SNR, но добавляет неприятных тембров к сигналу.
Это происходит из трех основных источников:
1. Тепловой шум. Электронные частицы в резисторе, проводе, да где угодно, беспорядочно движутся и сталкиваются друг с другом. Это создает шум, и чем горячее они становятся, тем дальше и быстрее они движутся, создавая еще больше шума. Он очень широкополосный, распространяется (теоретически) в ТГц-область (10 ^ 12). Реальные системы имеют фильтрацию, преднамеренную или нет, которая значительно ограничивает ширину полосы теплового шума. Этот шум приводит к тому, что время выборки немного меняется, и джиттер является одним из результатов.
2. Вы когда-нибудь внимательно смотрели на воду из-под крана? Если посмотреть ближе выглядит как плавный поток. При любой температуре выше абсолютного нуля поток электронов, который составляет ток, также не является устойчивым потоком. Электроны прыгают случайным образом, в пусках и остановках, даже если общий поток идет в одном направлении (в данное время). Это шум происходит всякий раз, когда течет ток. Он также очень широкополосный.
Джиттер?
3. Последним источником шума, который я опишу здесь, является фликкер-шум, часто называемый шумом 1 / f из-за характеристики 1 / частоты, его амплитуда занимает большую часть своего частотного диапазона. (На самом деле она может составлять 1 / f ^ 2, 1 / f ^ 3 и т. Д. — и различные комбинации по всему спектру.) Фликкер-шум вызывается ловушками — места, где электроны (и дырки) «захватываются» и удерживаются, из-за дефектов материалов (таких как провода, конденсаторы, резисторы и т. д.) время, в течение которого они «удерживаются», варьируется и является случайным, но относительно длительным по сравнению с другими источниками шума. Это означает, что это происходит в основном в диапазоне от 1 до 10 Гц или около того для большинства аудио компонентов. (Полевые транзисторы на самом деле хуже, чем биполярные транзисторы, из-за фликкер-шума по разным причинам.) Хотя он может (и делает это) модулировать цепи дискретизации напрямую.
Детерминированный джиттер гораздо более коварен, и я лично считаю, что основной компонент джиттера вызывает слышимые искажения. Детерминированный означает, что он определяется каким-то сигналом, и это часто не тот сигнал, который мы хотим в нашей системе.
Эти нежелательные сигналы могут не иметь отношения к сигналу, и, таким образом, ответвления от них действительно выделяются для наших ушей. Даже когда он связан с сигналом, детерминированный джиттер может значительно снизить производительность, чем случайный джиттер, добавляя ответвления, которые намного, намного больше, чем простой случайный джиттер (шум).
Примеры будут позже … Во-первых, несколько причин:
1. Ограниченная пропускная способность системы вызывает некоторое детерминированный Джиттер во всех цифровых системах. Фактически, ограниченная полоса пропускания приводит к тому, что точка выборки изменяется в зависимости от данных (сигнала), добавляя зависимый от сигнала детерминированный джиттер в наши системы…
2. Во всех реальных системах имеется немного «памяти» в виде накопителя заряда.
Эта память (гистерезис) может быть паразитной емкостью или индуктивностью, магнитными полями и т. д. Эта небольшая часть памяти означает, что поступающие новые сигналы немного искажаются предыдущими сигналами, снова внося детерминированный джиттер в наши системы.
3. Связанные сигналы часто сложнее всего отследить, идентифицировать и исправить.
Любой сигнал, связанный с часами, создает детерминированный джиттер; то есть джиттер определяется связанным сигналом. Пульсация питания, тактовая частота DSP в проигрывателе AVR или CD / DVD / BRD, фактический сигнал, внешний шум (радио- / телестанции, кабельные усилители, приятель на CB и т. Д.) могут проникнуть сквозь землю или даже по воздуху для создания детерминированного джитера.
Чтобы кратко вернуться посмотрите на рисунок 3 ниже, который показывает несколько циклов в цифровом битовом потоке. Я показал шаблон [… 0,1,0,1,0,1,1,0,1…]. Ограниченная высокочастотная полоса пропускания не позволяет чередующимся шаблонам 0/1 достигать полной амплитуды. Если мы посмотрим на пересечение нуля, где данные предположительно изменяются, наклон немного ниже (красная линия наклонена немного больше), чем в области, где сигнал имеет шаблон 0,1,1 и имеет время для достижения полномасштабная. Если мы увеличим масштаб очень близко, мы увидим, что время пересечения немного отличается для этих двух точек из-за разных наклонов (которые возникают из-за того, что сигнал начинает переходить с разных уровней).
Теперь вершина следующей (1,1) области не является плоской; она немного спускается вниз. Это указывает на ограниченную низкочастотную полосу пропускания, то есть она не связана с постоянным током. По многим причинам широкополосные системы передачи данных редко связаны по постоянному току, и, следовательно, длинные строки из 1 (или 0) могут вызвать это. Эффект снова немного отличается от точки пересечения, потому что сигнал начинается с другой точки, вызывая другой наклон.
Последняя красная линия находится на части сигнала, показывающего перерегулирование, где сигнал фактически проникает выше вершины и возвращается вниз. Overshoot может улучшить скорость переключения, но, конечно, это означает, что край немного быстрее, чем другие края, и снова пересечение центра немного отличается.
Прежде чем принять решение о том, что все потеряно, обратите внимание, что для цифровых сигналов эти эффекты, хотя и являются реальными, редко являются проблемой в цифровых аудиосистемах. Скорости передачи данных находятся на нижнем уровне того, что доступно, а исправление ошибок и тщательное построение сигнала (с использованием таких приемов, как дизеринг, чтобы сигнал всегда был «занят») приводят к чрезвычайно низким показателям ошибок по битам.
Однако все эти эффекты могут влиять на тактовую частоту дискретизации, независимо от того, получена она из потока данных сигнала (типовая) или представлена в виде отдельного сигнала. Случайный и детерминированный джиттер на АЦП или ЦАП действительно вызывает измеримые ошибки в сигналах, посылаемых нашим АС. Конечно, слышимость часто наблюдается как шок.
Я хотел бы хотя упомянуть, что требуется для измерения джиттера, если не сказать ничего другого, то объяснить, почему просто попросить кого-то измерить его часто бесполезно. Аудио джиттер довольно легко измерить, потому что он довольно большой (от 10 пс до нс или более). Тем не менее, это требует сложного оборудования.
Требуются чистые источники сигнала с низким джиттером, генераторы моделей, цифровые осциллографы с выборкой (DSO), а также множество фильтров, усилителей и специализированного оборудования, которые позволяют нам калибровать и компенсировать погрешность измерения и извлечение истинных чисел джиттера. Мы говорим об источниках сигнала в 100 тысяч долларов, Тестеры коэффициента ошибок по битам (250 000 долларов США), DSO стоимостью 150 000 долларов США и более, а также дополнительные усилители, кабели, фильтры собранные в комплексную тестовую систему.
Возможно, понадобится 1 млн. Долл. США на оборудование плюс несколько человеко-лет разработки. И тогда Ваша аудиосистема запоет самым качественно-лучшим звучанием.
Вам нужен хороший фонокорректор, новый ламповый усилитель или отличный ЦАП, плеер, наушники, АС или другую звуковую технику, (усилитель, ресивер и т.д.) то пишите в ВК, помогу выгодно приобрести хорошую звуковую технику…
