Джиттер, или так ли страшен черт, как его малюют.

[NovikovK]

Джиттер, или так ли страшен черт, как его малюют.

Собственно, тему давно хотел поднять, но руки не доходили.

Начнем с Википедии:

Джи́ттер (англ. jitter — дрожание) — нежелательные фазовые и/или частотные случайные отклонения передаваемого сигнала. Возникают вследствие нестабильности задающего генератора, изменений параметров линии передачи во времени и различной скорости распространения частотных составляющих одного и того же сигнала

Еще рекомендую прочесть длииинную статью на хоботе (ixbt.com) (аж из 3 частей). Там все грамотно, подробно, с картинками и пр. Еще можете обследовать интернет на эту же тему, где «гуру» Вам точно скажут, что 50пс джиттера еще нормально, а вот если больше, то у них, у истинных ценителей, к музыке с джиттером «такой личный неприязнь, что даже кюшать не могу». Получается, что 100пс – это только на помойку. А недавно один кадр заявил, что слышит 10пс джиттера…

Откуда ж берутся эти безумно маленькие значения? Вопрос о 96кГц и более, а также 24бит даже не будем рассматривать. Это все равно, что обсуждать «есть ли политическая жизнь на Марсе». Наш марсоход не смог улететь, так что мы это не узнаем.

Рассмотрим старый добрый 16/44. максимальная частота – 22кГц. За один отсчет сигнал успевает пролететь всю шкалу.

При линейном изменении сигнала получим t=x/V=(1/65636)/44100=346пс. Это время, за которое сигнал успевает измениться на один отсчет. Но у нас синус, а на синусе максимальная скорость изменения сигнала выше еще в 2*pi раз. 346пс/(2*пи)=55пс
Вот, собственно, на такую мизерную величину и вышли. Это справедливо для сигнала с максимальной амплитудой на экстремальной частоте.


Надо бы сделать небольшое отступление для более правильного понимания процесса. Рассмотрим один из видов джиттера – джиттер семплирования в процессе АЦП преобразования. Пока сигнал аналоговый никакого джиттера нет. Как переходим к цифре – получаем ошибки АЦП. А ошибки могут быть вызваны как джиттером клока, так и амплитудными ошибками АЦП. И здесь мы сталкиваемся с важным понятием амплитудно-временной неопределенности ошибки преобразования. По секрету скажу, что амплитудно-временная неопределенность ошибки – понятие более крепкое, неразрывное, чем корпускулярно-волновой дуализм. Ответить на вопрос: «Чем она обусловлена ошибка в данном конкретном отсчете? Джиттером клока или амплитудной ошибкой АЦП?», - может только Господь Бог. Всем остальным, кто готов Вам ответить на этот вопрос, можете смело плюнуть в морду лица.

Другой вопрос, что в исследовательских целях, мы, для определенности, можем рассматривать эти ошибки либо как временной джиттер, либо как амплитудные ошибки.


Давайте отступление закончим, вернемся к теме. Берем синус, воспроизводим, и с помощью АЦП снова цифруем. Полученный синус не совпадает бит в бит. Т.е. есть некоторое количество абсолютно случайного (как вариант) джиттера. Если рассматривать АЧХ этого джиттера, то можно увидеть, что он равномерно распределен. Пусть это спектр белого шума с очень низким уровнем – порядка единицы младшего разряда. Т.е. мы можем говорить о том, что наш сигнал определен с точностью 15 бит из 16. А с другой стороны мы можем говорить, что сигнал содержит джиттер на уровне менее 100пс. Это и есть амплитудно-временная неопределенность. Хотим – считаем ошибкой амплитуды, хотим – назовем временной ошибкой.
Расширим проблему джиттера следующим образом. У нас может быть не 16, а например 14 значащих разрядов, а оставшиеся два – это белый шум. О чем это говорит? Вместо 96дБ динамического диапазона останется только 84дБ.
Промежуточный вывод для себя сделаем такой. Джиттер, имеющий случайный характер ничего плохого, кроме уменьшения ДД не несет. Винил и ленту слушали с меньшим ДД, никто от этого не умер.

Если читать первоисточники, то обнаруживаем, что страшен другой вид джиттера. Это джиттер, зависящий от сигнала, приводящий к появлению новых гармоник с небольшим уровнем. Такой вид джиттера становится слышимым, несмотря на небольшой уровень. Вопрос любознательным: «А почему это он вдруг становится слышимым?» Для борьбы с этим джиттером используют волшебное слово… «дизеринг» - подмешивают псевдослучайный (а можно и просто случайный) шум с уровнем, равным или большим, чем уровень джиттера. Что это дает? Да то же самое. Увеличение джиттера, уменьшение динамического диапазона сигнала, но, самое главное – изменение спектра джиттера. Именно за спектр и идет борьба. Подобное лечат подобным. Запоминайте. Джиттер лечат еще большим джиттером.

Теперь посмотрим на джиттер со стороны идеала. Предположим, что мы имеем идеальный тракт, позволяющий пропустить все до динамика без дополнительных искажений и задержек. Мы можем рассматривать ошибки динамика как джиттер или как ошибка положения в пространстве. Давайте с точки зрения джиттера посмотрим. В определенный момент времени динамик должен находиться в определенной точке пространства. Но динамик либо опаздывает попасть в эту контрольную точку, либо опережает требуемый график. Опаздывает-опережает на… пусть 100пс – это ошибка на уровне единицы младшего разряда (чуть больше). Зная скорость звука в воздухе… правильно, находим ошибку расстояния, для звуковой волны, опоздавшей на 100пс – получаем 34.3 нм. С чем сравнить? Можно сравнить с технологией изготовления процессоров. Сейчас как раз 32нм начинают широко осваивать. Можно конечно говорить о том, что в диффузоре звук распространяется быстрее, но это будет в 3-5 раз бОльшее значение на выходе. Скажем 100-150нм.
Еще один промежуточный вывод поклонников (вернее обличителей) джиттера – на слух мы слышим систематические отклонения положения динамика от 30нм и выше. Ну а адепты джиттера, утверждающие, что слышат 10 пс, могут на слух проверять точность изготовления микросхем для 32, 22 10? нм техпроцесса. Не пропадать же таланту определения на слух систематической ошибки 3нм? Патефон, острая игла (1нм), и сможете проигрывать 300мм кремниевые пластины. На слух определять качество изготовления процессоров. Еще много лет для вас будет работа в силиконовой долине. Звоните, там люди парятся с выбраковкой, а вы золотыми ушами наладите техпроцесс.

А теперь давайте посмотрим на эту же проблему с точки зрения акустики. И смотреть мы будем на… источники ошибок положения диффузора в пространстве (они же джиттеры) в самой акустической системе. А источников этих… Мама дорогая! Давайте просто посчитаем их для начала:
1. Вибрация всего корпуса АС в пространстве
2. Вибрация передней стенки АС, на которой закреплен динамик
3. Вибрация остальных стенок, излучающих звук и наружу и внутрь
4. Переотражения волн внутри АС
5. Разность давлений снаружи акустической системы и внутри за счет работы фазоинвертора
6. Гибкость подвеса
7. Упругая деформация диффузора
8. Упругие деформация корзины динамика
9. Упругие деформации крепежа динамиков
10. И так далее

Почему всё, вплоть до крепежа? Скажу честно, сопроматом не занимался никогда, но подозреваю, что порядок величин деформации в крепеже будет как раз на уровне единиц-десятков нанометров.

Все источники рассматривать подробно не будем, так же как и вычислять погрешности. Единственное, что скажу – все эти источники джиттера завязаны на сам сигнал. Т.е. корреляцию этого джиттера с сигналом можно посчитать, измерить. Например, волна, отраженная от задней стенки будет на диффузоре через время, равное удвоенной глубине АС (время на туда и обратно), а вот колебания диффузора, связанные с колебанием задней стенки жестко привязаны к частотам ее собственных колебаний. И так далее…

На лице имеем все признаки «плохого» джиттера. Во-первых он есть, во-вторых коррелирован с сигналом.

Рассмотрим только один из этих «джиттеров». Колебание передней стенки, на которой закреплен динамик. Если это крупная и мощная АС (условно 150Вт и более), то колебания передней стенки могут легко составлять величины порядка 1мм и более на номинальной мощности. Зависит естественно от конструкции АС, материала АС, текущей мощности и т.д. Можно все это проверить собственной рукой, приложив её к передней стенке АС.

Давайте сопоставим полученные ранее 30нм и 1мм. Отличаются они совсем немножко – в 33 тысячи раз. Даже на слабой АС колебания передней стенки будут на порядки больше, чем 30нм. То есть вот он, самый злобный джиттер. Мы его поймали.
Физические перемещения АС в пространстве также имеют место быть и сопоставимы с колебаниями передней стенки. (Вспомните всякие шипы для акустики и пр. ухищрения для уменьшения этого эффекта).

По мере углубления в дебри источников джиттера в самой АС, мы будем получать все меньшие величины, чем рассмотренная. Скажем, деформация литой люменьтьевой корзины может оказаться меньше, чем 30нм, и значит, вносить меньшие искажения, чем джиттер клока в 100пс. Но «плохой» джиттер от корзины динамика в любом случае существует.

Итого получается вот такая вот загогулина: всё прогрессивное человечество, весь передний край науки в виде светочей из AES носится с джиттером, как с основным источником проблем в аудио. Эту проблему обсуждают все, включая маркетологов и потребителей, рассказывающих друг другу всякие ужасы, порожденные джиттером клока. Но джиттер клока – это песчинка на бревне в масштабах пирамиды Хеопса. Есть в тракте другие источники «нехорошего» джиттера, несопоставимо бОльшие по масштабам со 100пс клока, но, по непонятным причинам они остаются за скобками. А почему, собственно?

Вместо послесловия. Возможно, более правильным было бы оценивать ошибку положения динамика через его колебательную скорость…? Но колебательная скорость диффузора примерно на 2 порядка меньше, чем скорость звука в воздухе. А значит и ошибки в пространстве будут... на 2 порядка меньше. Для 10пс это будут размеры, сопоставимые с диаметрами атомов и молекул. Вот это красота. А ученые парились, микроскопы всякие туннельные придумывали... "Золотое ухо - 10пс", - вот решение всех проблем с измерениями.

[SPU]

В аналоговом смысле все вроде бы и так, но в цифре...
В обычном S/PDIF данные передаются пачками. Одна пачка на один "такт" для всех каналов (для простоты будем считать что канал у нас один разрядность 16 бит, частота 44.1 кГц). Соответственно, на сколько бы не изменялся уровень сигнала в цифровом представлении, физическое изменение его на аналоговом выходе должно происходить всегда за 1/44100 с, т.е. примерно за 22.7 мкс.
Дальше в дело вступает внутреннее устройство ЦАП.
Для матричного ЦАП изменения равномерности тактовой вроде бы особо ничего не значат, ну изменится уровень сигнала немного раньше или позже, не важно, все равно это изменение выглядит как ступенька.
А вот сигма-дельта ЦАПу, работающему со значительной передискретизацией достанется куда сильнее, т.к. изменение уровня сигнала происходит не "мгновенно", как в матричном ЦАП, а плавно, соответственно любые подвижки в тактовой выльются в искажение формы аналогового представления перехода от одного цифрового "отсчета" к другому, т.е. добавятся паразитные частоты. И чем больше амплитуда такого перехода, тем больше будут заметны искажения.
Ну и последним пунктом тут будет стоять загадочный человеческий мозг, который очень чувствителен к одним видам искажений и совсем игнорирует другие

P.S. Соглашусь, что джиттер и в моем описании можно рассматривать как некий "шум", который тем значительнее, чем больше искажение тактовой. Но это уже не абстрактный шум, представляющий собой отклонение от идеального сигнала в какой-то момент времени, а именно паразитная добавка, которая напрямую зависит от самого сигнала.

[NovikovK]

SPU, я не зря изначально отправил почитать статьи про джиттер на хоботе. Можете посмотреть сразу третью часть с понятными картинками, которые подтверждают всё, что я сказал. Да, на разные ЦАП джиттер действует по-разному. Но его будет слышно независимо от типа используемого ЦАП.

Ответ на "вопрос для любознательных": небольшие уровни джиттера (приводящего к образованию новых частот) хорошо слышно по одной причине: слух, как и обычно, логарифмический, а при уменьшении уровня сигнала до -60dBFS относительный уровень джиттера станет больше -30dB.

[antiluser]

На "Веге" зреет интересный проект низкоджиттерной ФАПЧ, которая позволит отказаться от сигнала внешней синхронизации из ЦАПа в источник. Таким образом можно будет использовать в качестве транспорта любой аппарат со стандартным S/PDIF, лишь бы он выдавал достоверный цифровой поток http://www.vegalab.ru/forum/showthre...синхронизации.

[NovikovK]

Проект интересный, но он не поможет. Низкоджиттерный ФАПЧ это хорошо, но как быть с возможными задержками между фреймами и блоками? Эксперименты с разными драйверами для USBAudio дали разные результаты по качеству на выходе. И дело тут вовсе не в том джиттере, с которым предполагается бороться в данном проекте.
FIFO буфер позволит избавиться от любых нестабильностей, в том числе нестабильностью выдачи данных драйверами. Всё упрется только в разбег скоростей, от которого зависит переполнение или опустошение буфера за определенное время.

[antiluser]

Про USB не знаю, а с разными S/PDIF источниками работать будет.

[NovikovK]

Мы на разные источники ориентируемся. Я на компьютер, а Вы на транспорт. С транспортом всё хорошо получится. Там не важно есть данные или нет, всё равно каждый такт транспорт что-то выдает (либо данные, либо предыдущий отсчет, либо интерполированный).