Как избавиться от джиттера

Джулиан Данн, Audio Precision, Inc.

Оглавление:

Введение

Цифровые аудио системы отличаются от аналоговых двумя главными особенностями:

Сигнал, непрерывно меняющийся по напряжению или току в аналоговой форме, представляется в цифровом виде фиксированным числом дискретных числовых значений
Эти числовые значения представляют сигнал не постоянно в течении всего времени, а только в определенные моменты времени, моменты квантования

Обычно моменты квантования определяются аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) и цифро-аналоговыми (ЦАП) преобразователем, которые служат для преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую и обратно. Эти устройства зачастую имеют задающий генератор для управления частотой квантования или частотой дискретизации.

Моменты квантования также могут задаваться преобразователем частоты дискретизации — SRC, который использует математические вычисления для трансформации цифрового сигнала одной частоты в другую. В случае если SRC не имеет физического устройства, задающего моменты квантования, вычислительный процесс производится с использованием виртуального тактового генератора.

Цифровое аудио невосприимчиво к многим недостаткам аналоговой записи и аналоговой передачи сигнала: искажения, шумы на линии, шумы пленки, детонации, взаимное проникновение каналов. И даже если сигнал в цифровой форме не полностью избавлен от недостатков, он несомненно очень устойчив к большинству из таких воздействий. Но на практике цифровой сигнал встречается с новыми проблемами: нестабильность тактового генератора, падение характеристик сигнала в кабеле, паразитные наводки. Все это приводит к изменению формы сигнала и небольшим сдвигам во временной области, или джиттеру.

Джиттер также может возникать в случае самотактующегося сигнала (например, S/PDIF). В этом случае джиттер может привести к ошибкам в распознавании данных, к сбою синхронизации или потере отдельных битов. Джиттер задающего генератора также может ухудшать точность оцифровки в преобразователях в процессе квантования.

Что такое джиттер?

Джиттером называется отклонение сигнала, такого как тактующий сигнал генератора, во времени от номинала.

Например, джиттер сигнала тактового генератора возникает по причине того, что фронт импульса реального и идеального генераторов различаются, что, кстати говоря, совершенно нормально. В отличие от достижимого в теории идеального сигнала, точка пересечения нуля фронта реального сигнала для разных импульсов различается по времени. Говоря иначе, джиттер — это фазовая модуляция формы цифрового сигнала.

Составляющая джиттера может быть извлечена из тактового или самотактующегося цифрового сигнала и проанализирована в отдельности. Среди наиболее полезных путей изучения влияния джиттера является исследование частотной характеристики и выявление главных частотных компонентов джиттера.

Измерения джиттера

При небольшом количестве джиттера, фронт меандра смещается назад или вперед на небольшую величину по времени. При увеличении джиттера, смещения достигают больших величин.

Амплитудой джиттера называют величину смещения по времени и измеряют в единицах времени: либо в долях секунды (наносекунды, пикосекунды), либо в интервальных единицах (unit). Для тех кто сталкивается с измерениями джиттера впервые, надписи по осям графика могут сбить с толку — зачастую и по вертикальной, и горизонтальной оси отложено время.

Частотой джиттера называют частоту, с которой происходит фазовый сдвиг. Также как в случае наложения шума или помехи, сигнал привносимый джиттером может быть чистой синусоидой, сложным колебанием или полностью случайным процессом.

Интервальная единица (UI)

Интервальной единицей (UI, unit interval) называют отрезок времени, обратно пропорциональный частоте следования данных. Этот термин часто используется при исследованиях джиттера. UI определяется как минимальный номинальный временной интервал в выбранной схеме кодирования. Для сигнала в стандарте AES3 при передачи данных частотой 48 кГц содержатся: 32 бита в субфрейме и 64 бита во фрейме, что дает 128 импульсов на фрейм после применения для кодирования двухфазной модуляции. В этом случае:

1 UI / (128 * 48000) = 163 нс

UI используется в нескольких спецификациях на джиттер в стандарте AES3¹ (стандарт сообщества Audio Engineering Society для интерфейса передачи двухканального цифрового аудио), в результате допуски по спецификации пропорционально масштабируются для разных данных и частот семплирования.

1. AES3-1992—‘Recommended Practice for Digital Audio Engineering—Serial Transmission Format for Two-Channel Linearly Represented Digital Audio Data’ J. Audio Eng. Soc., vol. 40 No. 3, страницы 147-165, июнь 1992. (Последняя версия, включающая поправки, доступна на сайте www.aes.org).

Например, длина UI в секундах для частоты 96 кГц вполовину меньше, чем UI для 48 кГц. Требования по джиттеру для передачи и приема находятся в тех же пропорциях.

Примечание: Некоторые спецификации на пересылку данных определяют UI как продолжительность одного бита при передаче. Такое определение несовместимо со спецификацией AES3 и не будет здесь использоваться.

Как можно увидеть джиттер?

Джиттер цифрового сигнала можно увидеть по смещению импульсов, которые сдвинуты относительно идеального тактового сигнала. И любые правильные измерения джиттера основаны на сравнении подверженного джиттеру сигнала с идеальным клоком.

На практике зачастую нет идеального тактового сигнала, с котором можно сравнить испытуемый сигнал. Поэтому при измерении джиттера приходится опираться на сам сигнал, на смещения по оношению к самому себе.

Простейший и наиболее неудачный пример такого пути — это «наблюдение формы сигнала на осциллографе», подключив сигнал с джиттером к осциллографу, как показано на графике 2. К сожалению, вы получите вводящий в заблуждени результат, который будет зависеть от несовершенства генератора осциллографа, а также от спектра джиттера сигнала. Вместо джиттера, такой способ показывает интервальное отклонение. Между ними есть определенная связь, но на некоторых частотах джиттер не будет виден вовсе, тогда как на других амплитуда джиттера может удвоиться. В частности, если речь идет о низкочастотном джиттере.

Вместо этого, можно сэмулировать идеальный тактовый сигнал автоподстройкой фазы относительно низкоджиттерного генератора, используя ФАПЧ (PLL) (см. параграф Фазовая автоматическая подстройка частоты). Такой способ самоуточнения сигнала аналогичен наложению ВЧ фильтра с частотой среза, равной частоте среза ФАПЧ. Полученный идеальный тактовый сигнал можно, например, использовать для внешней тактовки осциллографа или как референсный сигнал при просмотре на двухлучевом осциллографе.

Если тактовать осциллограф от референсного сигнала с ФАПЧ и отмасштабировать отображение по времени ровно в один UI, множество следующих друг за другом импульсов будут отображаться как один, накладываясь двух на друга из-за послесвечения точек люминофора экрана. Такая характерная картинка называется глазковая диаграмма (eye pattern). Величина открытия глаза на диаграмме зависит от смещения по времени фронтов импульса. Узость глазного просвета показывает джиттер (меньше просвет — больше джиттер).

Используя цифровую обработку сигнала (DSP), можно вычислить идеальный задающий сигнал усреднением анализируемого сигнала. После этого есть возможность выделить сигнал и его джиттер с очень большой точностью. По этим данным анализатор может построить отклонение импульсов по амплитуде и времени в виде глазковой диаграммы (график 3); отобразить джиттер во временной области (график 4), или, используя БПФ, построить спектральное разложение джиттера (график 5).

График 4. Джиттер с основной частотой 5 кГц во временной области

График 5. FFT анализ выделенного из сигнала джиттера

Джиттер при семплинге

Джиттер может влиять на цифровой сигнал в двух широких областях: в процессе преобразования аналога в цифру и обратно, и при передаче в цифровом виде.

Джиттером дискретизации или джиттером семплинга (sampling jitter) называют ошибки выбора моментов времени квантования в процессе оцифровки в АЦП, при преобразования в аналог в ЦАП или в преобразователях частоты дискретизации (SRC). Большое значение джиттера в перечисленных случаях может привести к слышимом ухудшении качества сигнала.

Интерфейсный джиттер

В отличие от постепенного ухудшения звука при увеличении джиттера семплинга, большое значение интерфейсного джиттера при передаче звуковых данных может привести к потери целостности данных. Так что становится важным контролировать значение джиттера при передаче данных. Джиттер цифровых звуковых интерфейсов должен находиться в определенных допусках, чтобы его можно было скомпенсировать на приемной стороне.

Джиттер генератора синхросигнала

Во многих задачах цифрового аудио важно хранить, передавать и обрабатывать сигнал синхронно на всех участках цепочки. Это требует стабильной единой частоты дискретизации. В других задачах важно, чтобы частота семплирования сигнала была строго пропорциональной другой частоте, например частоте кадров видеоряда, чтобы не было расхождения видео и аудиодорожки. Способ управления таймингом в этом случае зовется тактовой синхронизацией (clock synchronization).

Когда тактовый генератор синхонизирован с внешним источником синхронизации, добавляется джиттер от генератора синхросигнала. Также джиттер может быть добавлен на этапе передачи сигнала синхронизации. К счастью, можно отфильтровать джиттер сигнала синхронизации. Зная характеристики джиттера генератора синхросигнала, можно отфильтровать джиттер на приемной стороне.

При тактовании от внешнего генератора таким образом, характеристики подавления джиттера сильно влияют на качество звукового сигнала. В других обстоятельствах это становится не так важно.

Фазовая автоматическая подстройка частоты (Phase-Locked Loop)

При быстром вращении тяжелого маховика на скорость его вращения влияют только продолжительно прикладываемые усилия по ускорению и замедлению, с полным игнорированием коротких по времени воздействий. Нечто похожее наблюдается при работе схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).

На входе ФАПЧ имеется фазовый детектор, который формирует управляющий сигнал на основе сравнения разности фаз входного сигнала и цепи обратной связи. Далее сигнал следует на ФНЧ и генератор управляемый напряжением (VCO). Управление возможно из-за наличия цепи отрицательной обратной связи с заданным коэффициентом усиления (PLL Loop Gain).

Если фазовая разность равна нулю, управляющее воздействие отсутствует, контур замыкается. Если же имеется разность фаз, она управляет источником тока (CP), подающего разностный периодический сигнал на ФНЧ. Отфильтрованный дельта-сигнал управляет генератором VCO, который преобразует напряжение в производную фазы по времени, т.е. в частоту. Происходит регулирование частоты таким образом, чтобы фазовая разность стала равной нулю. Происходит фазовая автоматическая подстройка частоты.

ФНЧ вводится намеренно, для достижения ФАПЧ свойства «маховика». ФНЧ сглаживает ВЧ-помехи во входном сигнале и уменьшает полосу, в которой частота VCO стабилизируется схемой ФАПЧ.

Ниже частоты сопряжения, благодаря ООС, выход ФАПЧ практически повторяет сигнал на входе, при этом фазовый шум ГУН подавляется. С ростом частоты ООС ослабевает, так что джиттер на выходе ФАПЧ будет в большей степени зависеть от собственного фазового шума ГУН и в меньшей от джиттера входного сигнала. Ключевой момент в реализации ФАПЧ приемника или передатчика состоит в компромиссе между собственным джиттером и его подавлением.

Источник

Джиттер всемогущий

Сохранить и прочитать потом —

Цифровой звук хорош тем, что описание сигнала не изменится со временем — копируйте его сколько угодно. Но при переводе кода в собственно аналоговую волну это самое время, порезанное плохоньким клоком на неравные отрезки, сыграет злую шутку со слушателем. Музыка отыграет паршиво, хотя формально все биты «на бумаге» остались на месте. Так работает джиттер, о котором сегодня поговорим чуть подробнее.

Наберусь смелости заявить, что в современных Hi-Fi-аудиоисточниках проблема джиттера более-менее решена и самые страшные картинки остались в 90-х. Однако ЦАПами сейчас оснащаются даже электрочайники, поэтому во многих периферийных устройствах и даже AV-ресиверах тактирование может быть не очень точным. К чему это приводит — посмотрим на примере аудиовыхода неоднократно мною упомянутого Wi-Fi-роутера Airport Express.

В отличие от портативных устройств iOS Apple с блестящими измерениями, Airport Express показывает средненькие цифры. Более того, после обновления прошивки ради совместимости с мультирумом AirPlay2, из чрева Airport Express начинают валить неадекватно адские искажения. Причем как на аналоговом, так и на оптическом аудиовыходах модема, что указывает на проблему уровня первичной обработки беспроводного аудиосигнала. Об этом факте на форумах иногда раздаются одинокие жалобные попискивания. Но уважаемая компания давно забила на подразделение роутеров и не спешит чесаться в отношении модели, снятой с производства.

К счастью, Airport Express не использует подписывание хеша, как это учинено в мобильных устройствах. Благодаря этому, его прошивку можно откатить назад на что-то из старого — лишь бы ниже роковой 7.8 с AirPlay2. И тогда через старый однотуннельный AirPlay на оптический выход Airport Express возвращается режим bit perfect. То есть все крестики и нолики вроде бы передаются. Вроде бы. Но тухловатый звук при этом наблюдается на обоих вариантах вывода звука. Как же так? Помимо опубликованных ранее измерений, настало время оценить уровень джиттера (т.е. микронарушения фазы) Airport Express.

Фундаментальные основы исследования джиттера в аудиоустройствах впервые были заложены знаменитым специалистом Audio Engineering Society (AES) Джулианом Данном (Julian Dunn) в начале 90-х. Здесь можно ознакомиться с посмертной публикацией Данна, посвященной данному вопросу.

Строго говоря, не существует цифровых устройств, полностью свободных от джиттера. Любой клок-генератор, задающий частоту дискретизации, формирует поток импульсов, фронт которых будет отличаться от математического идеала.

Уровень и характер джиттера обычно проверяют по спектральной реакции аналоговых выходов ЦАПа на тон, представляющий собой четверть частоты дискретизации — так называемый J-Test signal. Для CD-стандарта (44,1 кГц) высота тона будет установлена на 11025 Гц. Для дискретизации 48 кГц потребуется другой тестовый сигнал с частотой, как уже несложно догадаться, 12 кГц.

Любые артефакты в J-тесте, которые образуются вокруг референсного сигнала, указывают на модуляцию вследствие джиттера. И чем дальше паразитные пики отстоят от основного тона, тем более высокочастотным является характер джиттера.

Поскольку AirPlay использует передачу данных CD-стандарта, то проверять его будем по первому варианту с сигналом 11025 Гц. И, разумеется, собственный джиттер измеряющего устройства должен быть намного ниже испытуемого, иначе в тесте не будет никакого смысла.

Характер джиттера аудиовыхода роутера Airport Express. Имеет место значительный низкочастотный джиттер, а также периодическое смещение частоты основного тона (см. второй график).

Итак, на графике видно, что наш Airport Express показывает целую «юбку» низкочастотного джиттера вокруг основного тона, причем она не выглядит стабильной, постоянно колышется. Бывает, что вместо 11025 Гц пик смещается в ту или иную сторону, допустим, на 11022 или 11030 Гц. Это разнузданное поведение непременно даст о себе знать, когда мы подключим такой S/PDIF-транспорт к внешнему ЦАПу. Доводилась читать на форумах, что некоторые внешние ЦАПы теряли синхронизацию с Airport Express. Вот, видимо, поэтому и теряли. Не хватало сил у PLL в конвертере.

И каким бы High-End этот DAC ни оказался, в силу законов S/PDIF-цепи он является slave-устройством. То есть в буквальном смысле послушным «рабом», частоту тактирования которому задает master-транспорт. Продемонстрируем это на примере отличника — рекордера Sony PCM-D100. Посмотрим на уровень его собственного джиттера при воспроизведении J-Test signal из собственной памяти. Очень хорошо.

Характер джиттера аудиовыхода воспроизводящего тракта рекордера Sony PCM-D100

А теперь в режиме DAC подадим на оптический вход Sony PCM-D100 сигнал от Airport Express и посмотрим изменение джиттера на его аналоговом выходе.

Характер джиттера аудиовыхода рекордера Sony PCM-D100 в режиме ЦАПа, при подаче на его оптический вход сигнала от AirPort Express. Сохраняется смещение частоты основного тона.

Спору нет, это лучше, чем то, что творится на собственном аналоговом выходе Airport Express, но! Здесь мы видим ряд симметричных полос, которые добавились от S/PDIF-приемника Sony PCM-D100. Они относительно невелики, но сохраняются и при подключении других источников по оптике к рекордеру. Как видите, в роли ЦАПа Sony тоже имеет чуть больший уровень джиттера, чем в режиме плеера.

Но в данном случае самое важное то, что референсная частота 11 025 Гц, увы, тоже может смещаться, так же, как велел Airport Express. И ничего с этим не поделать. Хреновое тактирование S/PDIF-транспорта уже не исправить никакой прошивкой — разве что выдрать клок и заменить более точным. Или все-таки можно что-то еще исправить без паяльника?

Давайте попробуем не спешить выводить J-Test signal наружу в аналог. Пока просто запишем его с AirPort Express непосредственно в память рекордера Sony PCM-D100. А затем воспроизведем содеянное. О чудо! Все блуждания и боковые полосы частот пропали, а опрятная картинка вернулась.

Теперь Sony PCM-D100 выводит переданный от Airport Express сигнал, но уже из своей памяти и опираясь на собственный клок. Что-то подобное, но только «на лету», выполняют ЦАПы снабженные специальным SRC-ресемплером для отвязки от часов транспорта.

Однако устройств с подобным функционалом на рынке предлагается довольно мало. А самое главное, даже там, где используется реклокинг, отсутствует диагностическая информация. Какова была фазовая погрешность входящего потока транспорта и стоило ли ее пересчитывать? Пользователю совершенно не очевидно, кого в этой паре назначить «мастером». Так что окончательный выбор опять приходиться делать на слух.

Итак, мы видим, что S/PDIF-источник с ужасным джиттером может испортить показатели любого прекрасного ЦАПа. Но при этом на уровне цифрового домена все еще сохраняется способность транспорта передать информацию без ошибок. Иными словами, все хорошо, пока сигнал бежит себе в виде кода. Все беды начинаются на рубеже преобразования PCM в аналог. Поэтому очень важно расколдовать этот код с должным тактом. Сверим часы!

Источник