Thursday 16 May 2013

[轉] 基礎 -- jitter是啥?

所謂的jitter是指一個週期波,例如44.1KHz,每個個別波出現的時間有點小誤差,
對CD訊源而言,音樂當初記錄時是以每秒44.1K次記錄下當時的音壓,再生時,也應該用每秒44.1K次還原;
這似乎不太難,但若是考量到jitter呢?
假設錄音時,jitter是0(這當然不可能,不過我們也沒輒),再生時有jitter呢?
這聽來會是如何?
想想,你唱歌時拉個長音,卻中氣不足,唱出來的聲音就有點抖,
原本該唱個La,卻忽快忽慢聽來就點So與Si了。

jitter這東西,認真分析,也是有其頻譜分布,類似音樂一般,也類似電源雜訊,
也就是每個週期波的誤差不會都相同,有時快有時慢,快慢的時間差也是不停在變動,統計這變動,就會看見有些固定的成份在,
例如電源雜訊造成的,60、120、180Hz週期,
各種不同成分組合就形成不同的聲音,這,就是為何CD轉盤透過S/PDIF送給DAC唱,會聽來每隻轉盤都不同囉~
轉盤的聲音特色,源自於其jitter的頻譜。

jitter聽來會是啥樣子?
由其原理就能猜到,jitter像是抖音,音調會降低,這聽一些極高頻的聲音就知道,我建議聽風鈴聲;
再來當然還是與高頻有關的,例如泛音,也就是聲音的諧波,例如鋼琴一個個音,聽來是否豐富、自然?而不是怪怪的帶著微微的刺耳聲?
再來的比較複雜,音像的穩定度、定位、凝聚、形體,這是因為人耳判斷聲音發出的位置的其中之一項是根據時間差,
當各個頻率的聲音發出的時間不穩定時,人耳會錯亂,像是那個發聲體在晃動一般,因此音像就不凝聚、穩定。
當這問題很嚴重時,聽來音像就是很大一沱,沒啥明確的音場呈現可言,
相對之下,稍微弄的好的LP系統在這方面都大大勝過那些jitter高的數位系統。

那jitter實際上是如何轉進我們聽見的聲音中?
這當然是發生在數位轉類比這過程,digital to analog conversion,DAC。
但這裏說的並非指一般說的DAC機,而是其中的最核心部位,真正執行數位轉類比的那塊電路。

本質上,DAC有個時鐘,就是那44.1KHz,還有一長串持續輸入的音樂數位資料,
時鐘每走一格,就將一筆資料轉成類比音樂訊號輸出,jitter就是指這時鐘準不準,穩不穩,
因此這時鐘必須很準,多準?
10ppm,也就是百萬分之十這種等級,能夠越低當然越好,人耳對此很敏感。

一般而言,這時鐘由個零件產生,就是石英錶這名詞的由來,是一顆石英震盪子,
 
原理看這裡 http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_oscillator
chen3058之前是這行的

這個東西準不準,差異很大,其中的細節真是多如牛毛,單是看chen3058解釋我就暈了...
換個方式看,Digikey上賣的 http://www.digikey.com/product-search/e ... als/852333
看Frequency Stability,頂多就是+-9ppm,也就是一般大量生產四處賣的,頂多就是這種等級,
要更精準,那得訂製,而且實際上,往往是生產一批後,挑出來的。

那麼,只要用上jitter最低的石英震盪子就搞定囉?
事情當然沒那麼簡單,正如擴大機需要乾淨的電源,石英震盪子也是,電源不佳,jitter就會冒出來;
此外,溫度也是個重點,石英震盪子的頻率與溫度有關連,因此才會有TCXO(temperature compensated crystal oscillator)這種東西。

搞定了石英震盪子,就一切OK?
沒那麼簡單,石英震盪子輸出的時鐘訊號傳遞到DAC這過程,也得步步為營,小心翼翼,
例如說,A報數給B複述,A很嚴謹的一秒喊一次,1, 2, 3...B卻漫不經心,聽到A喊,有時高興立刻複述,有時拖個半秒才複述,這當然就很糟囉~
那麼該注意啥?
電路走線當然得注意,另一個重點還是電源,
數位電路雖然說有相當大的抗雜訊能力,但這是指資料0或1不會誤認,但不表示判斷出是0或1的時間很精準,也就是時間這點並不抗雜訊。




這張圖顯示一個數位buffer的輸入與輸出之間的關係
 
 
以這個buffer來說,當輸入訊號振幅達到Vcc的某個比例時,才會觸發輸出轉為輸出高電壓,也就是1,
而這比例,其實是個不穩定的數值,
 
 
每顆IC都不同,也隨著溫度而變化
其中一個重點是,對特定一顆IC,某個溫度狀態,觸發的threshold是VCC(工作電源)的某個比例,
threshold不穩,那麼每次訊號輸入時,觸發(也就是接收到)的決定電壓就不同,
那麼,縱使輸入訊號非常完美穩定,每個波都很準,觸發的電壓點(也等於時間點,波形是個斜斜的上升波)就會變化。


倘若電源不穩呢?那這threshold電壓就不穩,
如此縱使輸入訊號的jitter很低,輸出的jitter還是會拉高,而這額外加入的jitter就帶著電源雜訊的頻譜。

綜合以上二點,還有個手法也很必要,
便是讓波形非常陡,那麼也能壓低觸發時間差異(等於壓低jitter),
這得靠用好的石英震盪子,而且電路也夠漂亮,訊號cross talk少,波形反射低,才能得到很漂亮的方波。

以上談的jitter vs 電源,這能解釋為何CD player唱同一片CD的第一曲 vs 最後一曲,聲音聽來差不少,第一曲較佳,越是後面越差,
相當大的可能是CD片旋轉時非常不穩,抖動的相當嚴重,這會讓讀取頭不時朝三個維度移動嘗試著讀取資料,
這種步進馬達忽動忽停,對電源的衝擊相當大,若器材的電源不夠紮實,便會導致DAC與其他部分的電源波動,因而拉高jitter。

拆開CD player成轉盤與DAC可以解決一部分問題,但也引入另一部分問題...
這作法其實並沒有完全壓低jitter,只能排除轉盤造成DAC的電源波動導致的jitter,但並沒有解決轉盤輸出的S/PDIF訊號上的jitter。
但卻又額外引入S/PDIF導致的jitter。

S/PDIF這介面上傳遞的不只資料,也包含clock,但這clock並非用方波方式傳遞(也就是比較可能精準的方式),
這是因為方波無法傳遞遠距離,波形很容易嚴重扭曲,一如前面討論的狀況,因此必須嵌入資料中,由接收端解開,
這解開的電路就是個猜測clock的電路,猜,當然是有時猜的快,有時猜的慢,只是一段時間平均值與前端的clock頻率會很接近。
這是為了解決前後二隻機器間若是用獨立的clock頻率差這問題,
但這就造成送到DAC的clock不斷的抖動,忽快忽慢,嚴重的jitter,
典型的jitter量高達100ps。

因此,取CD player的S/PDIF輸出另外接DAC,就DAC的類比電路而言可能會比較好,電源較乾淨,聽來較細緻;
就jitter而言,倒不見得會比較好,往往jitter較高,聽來比較糊/朦朧,高頻較差。
 
 
 

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