Jitter

Jitter
Woord vooraf
Wanneer u geen problemen ondervindt met het geluid kan de waarde op ‘20’ blijven staan, dit is de grootte van de
softwarematige buffer. Wanneer er problemen zijn zoals bijvoorbeeld het stotteren van het geluid kan er voor
gekozen worden deze waarde aan te passen.
Als de waarde wordt verhoogd; wordt er meer gebufferd en levert dit een grotere vertraging op tussen de zender en
ontvanger.
Als de waarde wordt verlaagd; wordt er minder gebufferd en wordt de vertraging verminderd.
Ideaal staat deze waarde dus laag, echter is dit niet altijd mogelijk omdat de geluidskaart in deze de beperkende
factor wordt.
Advies, ‘20’ is over het algemeen een goede gemiddelde, mochten er echter problemen ontstaan dan wordt het een
kwestie van proberen. Verderop in dit document kunt u meer diepgaande informatie vinden.
Met vriendelijke groet,
Radio Eenhoorn
In het kort:
Bij de overdracht van digitale signalen is er altijd een bepaalde mate van onnauwkeurigheid in het precieze moment
waarop in de ontvanger het signaal geregistreerd wordt. Dat heet "Jitter"
Zolang deze onnauwkeurigheid kleiner is dan 1 bit-tijd dan kunnen alle bitjes correct ontvangen worden, bij sterkere
jitter ontstaan er bitfouten, die meestal ernstig zijn.
Bij de Analoog-Digitaal en Digitaal-Analoog omzettingen vertaalt jitter zich in een toename van de ruis, of -in een
ongelukkig maar zeldzaam geval-, in een toename van de vervorming.
Wat is jitter
Digitale signalen zijn bijna altijd gereleateerd een bepaalde klok. Dat is een elektronisch circuit dat met een bepaalde
regelmaat "tikt", een signaal afgeeft.
Jitter is het verschijnsel dat digitale signalen niet precies op de ideale tijd van die klok van toestand veranderen.
Zolang het om digitale signalen gaat is dat meestal niet zo'n probleem zolang bepaalde grenzen niet overschreden
worden, maar bij een A/D of een D/A converter vertaalt jitter zich in een bijgeluid dat niet in het muzieksignaal
thuishoort. Achteraf is er dan niets meer te doen aan deze invloed.
Hoe ontstaat jitter
Elk digitaal signaal is behept met tenminste een beetje jitter. In eerste instantie is de klok oscillator daarvoor
verantwoordelijk. Bij een CD-speler wordt het digitale signaal met die klok (of een daarvan afgeleide) uit de fifo
buffer gehaald en naar de digitale processor en de D/A converter gestuurd. Elke keer dat een klok-signaal (dus niet
de muziek-informatie) via een buffer of een frequentiedeler gaat komt er wat jitter bij. Ook als er signalen met een
"vreemde" klok in de buurt zijn of als het printplaat ontwerp ongelukkig gemaakt is kan er extra jitter ontstaan. Ook
onvoldoende ontkoppeling van- en ruis op voedingsspanningen veroorzaken jitter.
In de huiskamer-hifi situatie is een nog veel sterkere bron van jitter een eventuele optische verbinding, zoals een
TOS-link. Hier wordt het digitale signaal zowel in bandbreedte beperkt door de dispersie, als in elektrisch nivo
verzwakt tot een paar milli Volt bij de fototransistor van de ontvanger. Het gereconstrueerde signaal zal aanzienlijk
meer jitter bevatten dan het oorspronkelijke. Als je bang bent voor jitter moet je beslist geen optische verbinding
gebruiken.
In het bovenstaande voorbeeld heb ik een jitter spectrum aangenomen als van een witte ruis. Dat is het meest
voorkomende geval, en vrij eenvoudig te berekenen. Een veel voorkomende andere situatie is er als de jitter in een
serieel digitaal signaal (zoals SP-dif) gerelateerd is aan het aantal eenen en nullen in de voorafgaande bitjes. We
noemen dat nog wel eens : "data jitter". Deze vorm ontstaat ook gemakkelijk in een optische verbinding.
Op het eerste gezicht zou je denken dat er dan een sterk verband is tussen het jitterspectrum en het audio-signaal,
maar bij een nadere beschouwing blijkt dat nauwelijks het geval te zijn. Het SP/dif signaal zit bewust zo in elkaar dat
er nauwelijks een verband is tussen het spectrum van het audio signaal en het spectrum van het SP/dif signaal..
Hoe erg is jitter
In de huiskamer hifi-praktijk blijkt de invloed van jitter erg mee te
vallen. In diverse hifi- bladen en op sommige websites wordt het probleem vaak zwaar overdreven, meestal door
lieden die een handeltje hebben in spullen die jitter onderdrukken, of soms alleen maar beweren dat ze dat doen
terwijl hun spullen in feite onwerkzaam zijn.
Er zijn diverse publikaties waarin de "enorme verschillen" die zouden bestaan in de geluidskwalitet van verschillende
CD-spelers toegeschreven worden aan de verschillen in jitter, of in het jitter spectrum. Bij nadere beschouwing
blijken zulke rapportages de toets van een degelijke onderbouwing niet te kunnen doorstaan, oftewel: "whishful
thinking", fantasie dus.
Hoe werkt jitter in een digitaal signaal door in het analoge audio signaal.
Jitter is een willekeurige (eng: random) verschuiving in de tijd waarop de samples van een digitaal signaal
binnenkomen op de D/A converter.
Het onderstaande plaatje illustreert dat. De pijltjes geven de momenten aan waarop het signaal naar de D/A
converter gaat. (Bij de A/D converter werkt het precies zo).
Hieronder maak ik een berekening over hoe ernstig jitter op een digitaal signaal (bijv. S/Pdif) doorwerkt in het
uiteindelijke geluid.
Met een klein beetje inzicht in de wiskunde kun je de volgende redenering volgen:
Voor het gemak ga ik uit van een sinusvormig audio signaal van F= 10 KHz met een piek amplitude van 1 volt. De
snelheid waarmee dat signaal de nul doorgang passeert is
2 * pi * F * 1 Volt = 62800 V/sec.
Je kunt dan afleiden dat de jitter een ruisbijdrage geeft van tJ * 2 * pi * F * 1 Volt, waarin tJ de jitter in de tijd is
en F de frequentie van het audio signaal. Om de waarde in dB te krijgen moet je 20 maal de logarithme nemen.
Er zijn echter nog twee factoren. Ruis moet altijd bekeken worden in het licht van de signaal bandbreedte, en die is
afhankelijk van de sample frequentie Bij een hogere sample frequentie wordt de zelfde jitter energie over een groter
frequentie bereik uitgesmeerd.
We luisteren echter maar naar 20 KHz bandbreedte. Ruisspanningen
gaan altijd met de wortel uit de bandbreedte, zodat er nog een term bij
komt in de formule,
en het totaal wordt : 20 log [tj * 2 * pi * F * wortel (B / Fs)] in dB, waarin B de bandbreedte (20 KHz) en Fs de
sample frequentie van de DAC.
De tabel hieronder geeft enkele voorbeelden in dB (steeds bij 10 Khz signaal frequentie en 44.1 Khz sample
frequentie)
Oversampling DAC
1
8
256
1 usec
-27
-36
-51
1 nano sec
-87
-96
-111
1 pico sec
-147
-157
-171
Merk op dat een jitter van 1 usec op een SP/dif signaal onmogelijk is, want dat is meer dan de periode tijd van het
digitale signaal, en dan werkt de verbinding niet meer.
Realistische jitter waarden zijn 1 nsec of (veel) minder. Verder hebben zo goed als alle CD-spelers een flinke mate
van oversampling. (1 bit -converter)
Een bijkomstige omstandigheid is dat de ruis t.g.v. jitter gemoduleerd is met de signaalfrequentie. Kijk nog maar
eens naar het plaatje hierboven: Op de top van de sinus heeft jitter geen effect, omdat het signaal (nagenoeg) niet
verandert.
Modulatie betekent som- en verschil frequenties, bij een ruisspectrum dus zijbanden rond de signaal frequentie(s).
Omdat jitter meestal een random karakter heeft, hetgeen een "witte ruis" betekent, maakt deze frequentie
symmetrie niets uit; het ruis-spectrum blijft "wit".
Als de jitter een nadrukkelijke frequentie heeft in het audio gebied dan vind je alle som- en verschil frequenties
terug.
Samen gevat is het effect van jitter:





Evenredig met de signaalsterkte. Jitter leidt dus niet tot een
verhoging van het ruisnivo in stille passages.
Evenredig met de audio frequentie. Dat maakt het alleen nog maar minder erg, want er is dan alleen "veel"
ruis door de jitter als er ook veel hoge frequenties in de muziek zitten. En bij veel hoog in de muziek hoor je
een evt. ruis minder. (Het schuren met de wire brushes maskeert zo goed als alle ruis in een opname)
In de praktische gevallen van huiskamer hifi zo gering dat het onhoorbaar is door het maskerings effect van
het menselijk gehoor.
Als het in een onwaarschijnlijk extreem geval merkbaar zou zijn ervaar je het als een ruis die fluctueert met
de sterkte van de muziek. Niet aan de niet meer zo strakke bas of de ruimtelijkheid, de "lucht" en de
plaatsbaarheid van de instrumenten.
Jitter heeft meestal een "witte ruis" karakter, maar dat kan ook anders zijn. De jitter in een SPdif signaal
heeft vaak enige correlatie met de voorafgaande bitjes. We noemen dat "signaal gecorreleerde" jitter. Vergis
je echter niet door te denken dat de jitter nu gecorreleerd is aan het audio signaal dat over de SPdif
verbinding gaat. Het spectrum van het SPdif signaal zelf is in hoge mate onafhankelijk (ongecorreleerd) van
het audio signaal. Dat komt vooral omdat in het seriele digitale signaal de meest- en de minst significante
bitjes even zwaar wegen. (experiment 3)
Wat kan er aan jitter gedaan worden (jitter killer)
Er is slechts 1 manier om bestaande jitter in een digitaal signaal te verminderen: Opnieuw sampelen met een jitterarme klok.
Voor het opnieuw sampelen is een jitterarme locale klok-oscillator nodig, waarvan de frequentie over langere tijd
gemiddeld exact gelijk moet zijn aan de klok van het oorspronkelijke signaal. Als je dat niet doet ga je vroeg of laat
bitjes missen, en dat is ontoelaatbaar. De frequentie van de locale klok moet dus bijgeregeld worden. En wat gebeurt
er als je die klok te snel bijregelt? Juist, ja..... jitter. Dat bijregelen moet dus heel langzaam gebeuren, de
regelfrequentie moet minder dan 10 of 20 Hz zijn. Dat kan in principe wel, maar daar is een tamelijk gecompliceerd
en zeer delicaat circuit voor nodig. Voor de techneuten: Een Fase-vergrendelde kring (PLL) met een zeer ruisarme
oscillator en een bandbreedte van 10 Hz of minder. Nu staat bij een PLL de bandbreedte altijd op gespannen voet
met het vang- en houd- bereik, dus je moet iets slims doen om na invangen de bandbreedte te beperken. Als zo'n
"jitter killer" ook nog met diverse datasnelheden moet kunnen werken (32, 44.1, 48, 96 kHz of nog hoger) dan wordt
het een redelijk ingewikkelde schakeling.
Alle "jitter killers" die niet op het principe van de hierboven genoemde methode berusten zijn boerenbedrog.
Misschien dat ze de flanken van een verzwakt signaal weer scherp maken, maar jitter verminderen doen ze niet.
Ook "Sample-Rate-Converters" bieden geen oplossing. Op de maat van de jitter-arme klok voor het uitgaande signaal
vindt er n.l een hersampling plaats van het geinterpoleerde ingangssignaal, dat vaak eerst "ge-upsampled" wordt. De
jitter van het ingangssignaal heeft zich dan al vertaald in een signaal-amplitude.
Er zijn voor sommige CD-spelers ombouw kitjes te koop die pretenderen om de jitter te verminderen. Waarschijnlijk
werkt dat wel, maar zoals ik in dit hoofdstuk betoog is jitter in huiskamer audio apparatuur nooit een echt probleem
is. Bij een verbinding tussen een digitale signaal bron en je PC, met het doel om een CD of een DVD te branden is
jitter nooit een probleem, tenzij er bitjes gemist worden. Een eventueel jitter probleem speelt uitsluitend bij de D/A
en de A/D converter een rol.