что такое джиттер в аудио
Что такое джиттер в аудио
Джулиан Данн, Audio Precision, Inc.
Оглавление:
Введение
Цифровые аудио системы отличаются от аналоговых двумя главными особенностями:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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!
Джиттер. Теория. Часть 2
Джулиан Данн, Audio Precision, Inc.
перевод Максим Лядов, iXBT.com
перепечатка без разрешения редакции запрещена
Оглавление:
Джиттер цифрового интерфейса
Интерфейсный джиттер возникает, когда цифровой сигнал посылается с одного устройства на другое. В зависимости от свойств устройств цепи сигнала, джиттер может возникнуть, усилиться, накопиться или ослабнуть. Собственный джиттер передатчиков и приемников, потери в кабеле, шумы и наводки — всё это вызывает джиттер и порчу формы цифрового интерфейсного сигнала.
Формат цифровой передачи звукового сигнала AES3 регламентирует допуски на джиттер. Бытовая версия интерфейса — S/PDIF, описанная в стандарте IEC60958-3:20002, также содержит спецификации на джиттер. Это сделано для предотвращения проблем совместимости устройств, соединяющихся по цифровому интерфейсу.
Собственный джиттер
Если устройство работает автономно или синхронизировано с относительно безджиттерным сигналом, то джиттер, измеренный с передатчика сигнала, обусловлен лишь свойствами самого устройства. Такой джиттер называют собственным или внутренним джиттером (intrinsic jitter).
Уровень собственного джиттера определяется либо фазовым шумом собственного тактового генератора, либо характеристиками восстановления клока в ФАПЧ, если производится внешняя синхронизация.
Возьмем, например, кварцевый генератор, стоящий в CD плеере. Так как устройство работает автономно, джиттер на выходе определяется фазовым шумом тактового генератора и джиттером цифровых микросхем в цепи сигнала. Кварцевые генераторы имеют низкие фазовые шумы, а быстродействующие логические элементы имеют очень низкую флуктуацию времени задержки, так что джиттер мал — зачастую менее 1 пс RMS для частот джиттера выше 700 Гц.
Устройства, рассчитанные на внешнюю синхронизацию с перестраиваемой частотой,
могут иметь генератор управляемый напряжением (ГУН) в качестве клока. В этом случае фазовые шумы намного выше, чем для кварцевого генератора. Собственный джиттер ГУН обычно более 1 нс RMS для частот выше 700 Гц. Однако при восстановлении клока ГУН стоит в цепи ФАПЧ для синхронизации по внешнему источнику и собственный джиттер генератора ослабляется в ФАПЧ.
Собственный джиттер можно измерить даже при отсутствии референсного низкоджиттерного сигнала, если использовать в качестве последнего сигнал, восстановленный ФАПЧ. Характеристики ФАПЧ будут определять точку отсечки НЧ при измерениях. AES3 определяет допуск 3 дБ и частоту среза 700 Гц.
Джиттер, возникающий в кабеле
Другой источник джиттера цифрового интерфейса — неидеальные свойства линии передачи. Затухание в кабеле или несогласованность по импедансу может вызвать потери на ВЧ, что приведет к размыванию фронта импульсов, как показано на графике 7.
Это может и не стать серьёзной проблемой, если эффект проявится на каждом срезе фронта импульса, так как только повлечет за собой небольшую постоянную задержку в сигнале, что можно проигнорировать.
Однако это может быть только в случае постоянного следования импульсов — если следуют только нули или только единицы. Но реальный сигнал состоит из разных комбинаций битов, так что при порче сигнала в кабеле, это может привести к межсимвольным помехам или межсимвольной интерференции (intersymbol interference).
Проще говоря, импульсы сдвигаются и заходят на места соседних, и чем больше размывание фронтов сигнала в кабеле, тем дальше импульсы от теоретической точки пересечения нуля.
Так как интерфейс AES3 использует один и тот же сигнал для передачи тактового сигнала и данных, возможно возникновение джиттера из-за модуляции данных. Это означает, что нужно изучить закономерности взаимного влияния данных и тактового сигнала. Размывание формы сигнала в результате потерь в кабеле — одно из таких проявлений.
Межсимвольная интерференция
На графике 9 показаны варианты сигнала формата AES3, с различными данными в первых трех битах, от 1-1-1 до 0-0-0. Данные закодированы по схеме, под названием двухфазная маркировка (bi-phase mark), также известная как манчестерский код или частотно-модулированное кодирование (Manchester code, FM code), с обязательной сменой уровня перед каждым следующим битом и двукратной сменой уровня в случае «1».
В нижней части показаны сигналы так, как они могут выглядеть после потерь при передаче по кабелю большой длины. Сигналы были получены с использованием симуляции кабеля на измерительной станции Audio Precision System Two. Потери в реальном кабеле могут вызвать тот же эффект: спад высоких частот с увеличением времени нарастания и спада импульсов.
В каждом случае данным предшествует заголовок Y, начинающий субфрейм B (График 8). Этот заголовок фиксирован и продолжается 5 битовых периодов (то есть 10 интервальных единиц, 10 UI). В результате этого, независимо от последующих данных сигналы после заголовка имеют примерно тот же самый уровень, так как они перед этим прошли тот же самый путь. Заголовок номинально длится 8 UI, но так как конец предшествующего бита и начало последующего фиксированы схемой кодирования, в результате постоянная часть имеет продолжительность 10 UI.
Черный, серый и синий графики имеют начало смены модуляции в момент времени 1465 нс (9 UI) от времени начала субфрейма, так как они имеют в начале своих данных «1». Голубой и синий пунктирный графики начинаются с «0», так что у них импульс еще не начался. Все пять графиков меняют направление в момент 1628 нс (10 UI), соответствующий концу первого бита (частота семплинга данных 48 кГц, так что 1 UI здесь равен 162,8 нс).
Пунктирные линии «a» и «b» показывают, что моменты пересечения нуля равны 1705 нс и 1745 нс. Более раннее время относится к графикам, соответствующим данным с «1» в первом бите, более позднее — с «0».
В результате потерь высокочастотной составляющей при эмуляции кабеля, переходные процессы увеличиваются, так что точка пересечения нуля смещается примерно на 100 нс. Такое взаимодействие между значением первого символа данных и временем начала второго символа данных называется межсимвольными помехами или межсимвольной интерференцией (intersymbol interference).
Эта интерференция ещё более сложная после второго битового символа (около 2050 нс с начала субфрейма, показана на увеличенном фрагменте графика 9). Здесь четыре различных момента времени пересечения нуля в соответствии с четырьмя возможными сочетаниями первых двух битов субфрейма. Наибольшая разница во времени обусловлена значением второго бита, но есть небольшая разница и в зависимости от значения первого бита.
Джиттер, вызываемый содержимым данных
Джиттером данных (data jitter) называют смещение фронтов импульсов части сигнала AES3, вызванного содержимым данных. Эта форма джиттера часто служит индикатором межсимвольной интерференции.
На графике 9 показан механизм образования джиттера данных, амплитудное значение которого составляет около 50 нс. Джиттер данных также может быть вызван нелинейностью линии связи, так что положительные и отрицательные составляющие фронта импульсов могут смещаться на разные значения.
Джиттер заголовка фрейма
Джиттер, вызванный шумами и помехами
Если фронты импульсов не размываются из-за потерь в кабеле, время нарастания и спада будет коротким, так что точка пересечения нуля практически не зависит от добавленных шумов. Но в случае длительного переходного процесса, вызванного потерями в кабеле, шумы и помехи «гуляют» по фронту импульса, тем самым, сдвигая точку пересечения нуля фронтом импульса по шкале времени.
Так, шум может изменить время определения фронта импульса. Чувствительность к шуму зависит от продолжительности переходного процесса, что, в свою очередь, обусловлено потерями в кабеле.
Сказанное проиллюстрировано на графике 10, где показано пять идентичных фрагментов Y-заголовка субфрейма B. (Как говорились выше, это неизменяемая комбинация данных нечувствительно к джиттеру данных, что позволяет изучить вызванный шумом джиттер более точно.) Две отметки, «a» и «b», показывают временной диапазон пересечения нуля третьим по счету импульсом. Интервал равен 31 нс. В этом примере производимое шумом отклонение является низкочастотным синусоидальным сигналом с амплитудой около 300 мВ. Такая помеха может быть вызвана линиями питания сети переменного тока.
Джиттер, вызванный шумами в кабеле, напрямую зависит от наклона фронта импульса в точке пересечения нуля. В случае короткого переходного процесса любые помехи не приведут к росту джиттера: изменение уровня сигнала вызовет лишь небольшое смещение по времени.
Замечание: В этом примере была проведена эмуляция длинного кабеля на измерительной станции Audio Precision System Two Cascade. Однако в случае короткого соединения уровень джиттера может быть по амплитуде меньше на несколько порядков.
Учтите, что направление смещения по времени зависит от направления переходного процесса. При нарастании сигнала добавление шума приведет к опережению фронта, тогда как при спаде фронт будет запаздывать. В отличие от джиттера данных, вызванного межсимвольной интерференцией, обсуждаемая форма джиттера больше касается устройств с восстановлением клока по кромке фронта импульса в заголовочной части данных. Так как этот фронт имеет только одно направление (положительный знак производной), смещение по времени последующих фронтов будет суммироваться.
В то же время, есть системы, использующие несколько кромок импульсов в субфрейме, где в равной степени берутся переходные процессы в обоих направлениях. Для таких систем взаимное погашение смещений уменьшает влияние низкочастотных составляющих вызванного шумом джиттера на восстанавливаемый тактовый сигнал. Смещения от высокочастотного шума не обладают такой корреляцией, так что взаимное подавление для ВЧ помех не работает.
Допуск на джиттер
Приемник (ресивер) цифрового звукового сигнала AES3 должен иметь возможность декодирования интерфейсных сигналов, у которых присутствует небольшой уровень джиттера по сравнению с длинной импульсов, которые необходимо декодировать. По мере увеличения уровня джиттера ресивер начинает неточно декодировать сигнал, а впоследствии теряет возможность его декодировать вообще – порой вызывая временное прекращение звука или даже полностью теряя захват цифрового сигнала (lock). Максимальный уровень джиттера до начала появления ошибок в данных называется допуском на джиттер (jitter tolerance).
Как было показано в соответствующем параграфе, ФАПЧ имеет свойства низкочастотного фильтра аналогично маховику: она реагирует на изменения, которые медленнее, чем значение частоты среза, и не обращает внимания на более быстрые изменения.
Допуск на джиттер, следовательно, не зависит от частоты джиттера выше частоты среза ресивера, но при уменьшении скорости дрожания фазы (то есть частоты джиттера), ресивер имеет больше шансов отследить эти измерения.
Это значит, что при низких скоростях джиттера ресивер может среагировать на бОльшие значения джиттера, поэтому допуск на джиттер возрастает.
По мере приближения частоты джиттера к частоте среза, допуск существенно уменьшается. Это происходит потому, что резонансы в ресивере приводят к тому, что согласование между отклонением времени синхронизации передачи входных данных и приблизительного подсчета времени синхронизации самим ресивером, получается хуже, чем, если бы ресивер совсем не реагировал на джиттер.
Спецификации интерфейса AES3 определяют шаблон допуска по джиттеру, показанный на графике 11. Допуск задается в интерфейсных единицах, UI. Линия на графике показывает нижний предел допуска по джиттеру ресивера к синусоидальному джиттеру на частоте, отложенной по оси X. Обратите внимание — этот шаблон подразумевает, что у ресивера частота среза больше приблизительно 8 кГц. Это значит, что ФАПЧ ресивера не сможет подавить джиттер ниже этой частоты, поэтому сигнал с джиттером проследует дальше. Если необходимо значительное снижение джиттера, нужно использовать вторую ФАПЧ с меньшей частотой среза.
Передаточная функция и коэффициент усиления джиттера
При синхронизации устройства от внешнего клока (например, S/PDIF, word clock или синхросигнал видео), джиттер внешнего источника может повлиять на выходной цифровой сигнал. В результате джиттер цифрового выхода равен комбинации этого полученного и собственного джиттера устройства. Хотя зависимость между входным и выходным джиттером может быть достаточно сложной, можно приближенно рассмотреть передачу как простой линейный процесс. Передаточная функция джиттера (jitter transfer function) равна отношению входного джиттера к выходному, как функция частоты джиттера. Отношение называют коэффициентом усиления джиттера (jitter gain) на данной частоте.
График 12 показывает передаточную функцию джиттера для ФАПЧ с частотой среза 100 Гц. Обратите внимание, что на частотах ниже частоты среза коэффициент усиления равен примерно 0 дБ. Выше частоты среза ФАПЧ начинает уменьшать джиттер, с наклоном характеристики 6 дБ на октаву. Данная схема имеет ФНЧ второго порядка в цепи обратной связи с частотой среза 1 кГц, так что выше этой частоты наклон усиливается и становится равным 18 дБ.
Обратите внимание, что ниже частоты среза коэффициент усиления достигает максимального значения, примерно равного 0.5 дБ. Подобное небольшое усиление вполне обычно для частот, чуть ниже частоты среза. Это явление носит название пиковый джиттер или всплеск джиттера (jitter peaking). Оно возникает из-за особенностей фазовой характеристики цепи обратной связи ФАПЧ.
Стандарт AES3 ограничивает коэффициента усиления джиттера значением +2 дБ.
Джиттер от нелинейности
К сожалению, линейная теория передачи джиттера не учитывает нелинейных зависимостей. Так, фазовый детектор ФАПЧ часто имеет мертвую точку, где теряется чувствительность к небольшим фазовым отклонениям. В результате наблюдается дрейф сигнала на выходе ФАПЧ, пока фазовый детектор не заработает и не внесет коррекцию. Этот дрейф вызывает периодическое смещение вперед и назад, порождая джиттер.
Накопление джиттера
При соединении цифровых звуковых устройств в цепочку, каждое последующее устройство синхронизируется от предыдущего и вносит свой вклад в джиттер. Каждое устройство добавит собственный джиттер, а каждый соединительный кабель внесет джиттер, образующийся в кабеле при передаче. На каждом этапе джиттер также может усилиться или ослабнуть.
Этот процесс называют накоплением джиттера (jitter accumulation). Эффект зависит от характеристик каждого устройства и структуры данных на каждой стадии, и в самом худшем случае джиттер накладывается в наиболее нежелательном варианте. В цепи устройств с восстановлением клока джиттер также в худшем случае накапливается. Как показано в таблице 1, это может привести к значительному усилению джиттера, несмотря на всего несколько стадий передачи сигнала.
Для подсчета максимального значения возьмем джиттер на частотах ниже частоты среза передаточной функции, то есть там, где подавление джиттера отсутствует. Примем, для упрощения, что все устройства имеют одинаковое количество джиттера J (джиттер в кабеле и собственный джиттер). Также представим, что каждое устройство усиливает джиттер предыдущей стадии на то же самое значение, принимая во внимание, что усиления возможно только для частот джиттера вблизи максимума передаточной функции.
Таблица 1 отображает суммарный джиттер для трех цепочек устройств в виде множителя J.
Как мы видим, в случае отсутствия усиления (0 дБ) выходной джиттер просто суммируется. Помните, что это справедливо только для частот ниже граничной, на более высоких частотах джиттер подавляется, так что рост значительно замедляется.
Усиление более 0 дБ отражает явления подъема джиттера передаточной функции, который происходит только вблизи частоты среза. При широкополосном джиттере будет усилена только небольшая часть сигнала, однако есть причины, почему джиттер концентрируется в районе подъема.
Во-первых, джиттер данных дает узкие по спектру компоненты. Для низких уровней сигнала джиттер будет связан со знаком сигнала, так как при приближении сигнала к нулю старшие значащие биты данных изменяются одновременно. Если по интерфейсу передается сигнал одной частоты низкой амплитуды, возникающий в кабеле джиттер стремится к меандру на этой частоте. Зачастую максимум на спектре совпадает с подъемом в передаточной функции джиттера.
В цепи устройств с восстановлением клока с похожими характеристиками эффект повторяется на каждом этапе. Строчка со значением 6 дБ в таблице отражает уровень подъема джиттера оборудования, разработанного до того, как об этой проблеме стали серьёзно задумываться. Как показано в таблице, в таком случае суммарный джиттер достигает огромных значений, несмотря на небольшое число стадий.
Обычным признаком ненормального уровня накопления джиттера служит частая потеря данных или постоянный срыв синхронизации. К сожалению, такие ситуации сложно воспроизвести и служба технической поддержки здесь оказывается бессильной.
Начиная с 1997 года, спецификация AES3 имеет параграфы, которые посвящены потенциальной проблеме накопления джиттера. Основной из них определяет, что все устройства должны ограничить усиление джиттера значением 2 дБ для любых частот.
В дополнение, имеется установленное значение подавления джиттера, которому должны удовлетворять устройства подавления интерфейсного джиттера. Оговорено значение как минимум в 6 дБ для частот выше 1 кГц. Эта частота намного ниже, чем частота среза шаблона допуска на джиттер, так что устройствам необходим передающий тактовый сигнал, отличный от восстановленного, который определяется допуском на джиттер.