其實說到jitter問題,日本與歐美其實網路上已經有許多的文章在釐清觀念
我一位朋友看到近期版上的討論, 熱心的幫忙摘譯了這篇河合先生的解說文
河合先生認為只有DA使用的Master Clock方能產生對於最終音質有影響的Jitter
除非直接拿S/PDIF訊號或是USB訊號解出的Clock當作DA Master Clock的系統外
系統乃至DAC Chip有許多方法來降低Jitter的影響
著者河合一先生現任於德州儀器的Application Engineer,過往長期任職於山水音響並兼職Audio評論家
或許看一下河合先生的觀點,有助益釐清Jitter的概念
azureimf
原文出處為
http://ednjapan.com/edn/articles/1208/24/news015.html
以下文章為非商業利用的摘譯, 著作權為河合一先生所有---
從Digital Audio的基礎而來的應用(5):
你是否誤解了!?解說Clock Jitter的「真相」這幾年,在Digital Audio分野的業界專門雜誌或是Audio雜誌,
PC Audio雜誌等頻繁登場的關鍵字就是「Clock Jitter」。
明明是重要的關鍵字,但是寫那些文章的筆者也明確寫清楚內容跟解說的case很多。
所以第五回,聚焦在Digital Audio的Clock Jitter,解說其定義和測定方法還有和Audio特性的關係。
Clock Jitter是時間軸誤差的特性的一個
接觸Clock Jitter之前,先簡單解說Clock。
關於Digital Audio,有存在很多的Clock源。
例如系統運作用的參考Clock或是Audio D-A轉換器 IC運作用的Master Clock,
也是PCM信號的Clock。
因為Clock是數位信號,基本上比起縱軸的振幅的誤差,
橫軸的時間誤差更為重要。舉例來說,
Clock頻率(週期)是最為重要的基本規格,
這個以外還有對於Clock信號的品質的好壞的很多的時間軸規格
(通常是Timing規格,還有Timing規定)。
Clock Jitter是,這些時間軸規格裡面的一個。
圖1表示一般的Clock的Timing規格。Clock週期是tp,半週期是td,
基準等級是50%的過渡點。Clock升起的時間是tr,
下降的時間是tf。基準等級是10%/90%的過渡點。這些規格是決定邏輯迴路的確定Timing的重要指標。
Clock半週期Timing td被規定是所謂的「Duty cycle」。Clock週期tp被表現成Clock頻率。
伴隨著被規定的初期誤差(偏差),一般會對於電源電壓或是運作溫度,
運作時間等的變化的漂移(drift)特性加以規定。
相對於這個Clcok Jitter是,初期誤差或drift應該有明確的區別,
為時間軸的不確定性要素。
例如頻率1MHZ的Clock的話,1秒裡面有10的六次方個clcok波形存在,
被當做頻率count(計數)的時候,Clock的數目就用來表示頻率。
這邊,各別分析10的六次方的各個Clock的週期是1000ns(1/1MHz,奈秒)的話,
並不是10的六次方次都是1000ns,1個Clock週期會有正負X ns的誤差存在。
這個就被定義是「Clock週期的不確定性=Jitter」。
對於Audio重要的是哪裡的Clock?然後讓話題繼續,來解說Clock Jitter吧。
被用一個詞所表現的Clock Jitter也有很多的種類,
沒解說「哪個Clock」跟「什麼樣的Jitter」為重要的case俯拾皆是。
首先,整理一下Clock的種類並介紹。圖2是一般的usb dac機器的Clock系統的概要。
對於包含了Audio 信號的Digital Audio 界面來說,
S/PDIF(Sony / Philips Digital InterFace)跟USB interface被當做標準來用著。
值得注意的是,
這些SPDIF或是USB的傳送Clock上的Jitter是所謂的「傳送Jitter」,跟Audio機器內部的Clock沒有直接的關係。
機器裡面存在著幾個Clock源,解碼器(Decoder)運作用的基準Clock,
微處理晶片等所用的系統控制用Clock,
Audio迴路用的Audio Master Clock則是其代表的例子。
就結論上來說,給與Audio特性直接影響的是,Audio Master Clock。
這個Clock被用在D-A變換迴路或D-A轉換器IC的運作,有和PCM的基準Sampling rate(fs)同步的必要。
因此,對於fs,和n×fs(例如、256×fs、384×fs等)有關係。
D-A轉換器IC的變換精度(Audio特性),會被這個Audio Master Clock的Jitter所影響。
Clock Jitter的等級是,基於Audio Master Clock的生成方法會有所不同。
一般主要的生成方法是(1)水晶振盪器Clock (2)Digital 合成器Clock (3)PLL Clock 的三個種類。
當然,水晶振盪器是最低Jitter的。然後,圖2的spdif Clock還有動作基準的Clock等Audio Master Clock以外的Clock源,
沒有與D-A 轉換器的變換精度的直接關係。
"Clock Jitter"的種類有主要3個接著解說Clock Jitter是有什麼樣的種類。Jitter有各種不同的表現方法,
基於Digital Audio的基本的Clock Jitter的概念表示在圖3.
理想Clock週期是tp,實際上存在週期變短(tj1)變長(tj2)等的不確定性,與理想的偏差(Δtj)就是Jitter。
Jitter有,下面的三個種類。
*時間間隔Jitter
與Clock的理想Timing point(升起點/下降點)的誤差
*半週期Jitter
與Clock的理想半週期的誤差
*週期Jitter
與Clock的理想週期的誤差
這裡面,和D-A的變換性能直接影響的Jitter是週期Jitter。
然後,計算週期的Clock是採用Clock的上升緣的間隔之週期的情形跟下降緣的間隔之週期的情形也都有,
給與D-A變換性能影響的是上升緣的間隔的週期Jitter。
也就是說,Digital Audio所表現的「Clock Jitter」,
應該要明確的說清楚是指Audio Master Clock的上升週期Jitter才行。
為上升的理由是,影響一般的D-A轉換器IC的變換精度的Clock是,
只有上升Timing決定的。另一方面,
SPDIF的傳送Clock的Jitter是基於IEC規格又或者是AES/EBU規格
的「UI(Unit Interval)」單位,而基於USB interface的傳送Clock的Jitter是
「USB Specifications」各自被規格化的。
Jitter的定義跟測定法表現Digital Audio的Clock Jitter這個詞的時候的感覺很曖昧不清,
Jitter是有其定義和測定法的。
只要他是物理量就存在有”單位“,只要他是時間軸要素,就有基本單位的“秒”是沒有錯的,
那個規定(定義)和測定的方法有複數個存在。
不過任哪個都是執行用特定時間(特定Clock數)來Sampling Jitter測定跟被測定Clock。
*Histogram 測定*眼圖測定*相位Noise測定*Spectrum測定基於這些Jitter測定法(定義),跟D-A變換特性(Audio 特性)相關性最高的,
能作為規格(Spec)單寸數值化的是Histogram 測定。
實際上,大部分的Clock製品(Clock 模組等)都是用Histogram 測定值。
也就是說,我們可以歸納出結論
基於Digital Audio的Clock Jitter應該是
「因為Audio Master Clock的上升週期Jitter,而由Histogram 測定的實效值(RMS)或是峰值而被規定的東西」
Clock Jitter給與D-A變換特性的不良影響現在的Digital機器鎖採用的D-A轉換器IC是ΔΣ調變還有SCF(Switched Cap Filter)
又或者是組合了Current segment的方式變成了主流。(關聯記事:Audio機器の關鍵「D-A轉換器IC」的機能與構成)
一般來說,SCF方式是比起採用Current segment的品種有更優秀的耐Jitter性,
但是耐Jitter特性跟每個裝置model,還有製品等級有所差異的也是事實。
因此,要判斷Jitter的正確的影響度,也只有實際條件下去測試以外沒其他的方法。
只要有Middle range・Hi-END等級的話,Jitter量是200ps(pico秒)未滿,
實際上可以說是對於Audio特性根本毫無影響。
這個200ps的數值是,一般SPDIF decoder IC的內藏PLL來生成的Master Clock的Jitter的實力值是同等的。
圖6表示了Audio D-A轉換器IC的THD+N對於信號等級特性因Jitter會有多少影響的例子。
對於沒有Jitter的(實際上,水晶Clock也有20~30ps的Jitter這點要注意一下)理想Clock狀態,
有Jitter的Clock當做輸入的話,這個THD+N的特性會有若干劣化。
具體來說,會發生ΔΣ調變器的帯域内的Noise上升(THD+Nの的N的惡化)
輸出信號的被稱作是含有”Aperture誤差“的誤差成分的線性誤差(THD+N的THD的惡化)。
Jitter的成分也有關係,相對於比較小的信號等級,劣化會顯得比較大,
對於比較大的信號等級的時候劣化比較大的case也存在。
當然,這個THD+N特性的劣化等級依照是Jitter量跟轉換器IC的品種而有所不同,注意一下這邊
只是舉了一個Jitter對於Audio特性劣化的例子而已。
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作者profile河合一專門評論Audio的評論家,Writer。
日本Audio協會會員,AES(Audio Engineer Managering Society)正會員。
1976年4月進入山水電器。
專於服務部門跟技術管理部等Audio機器跟電子迴路的設計,
半導體評價等基礎,應用技術的開發。
1985年1月去日本Burr Brown轉職,擔當了高精度的線性IC的Application 工程師。
業界最高水準的類比IC(opamp,計量amp,絕緣amp,對數amp等)
和轉換器IC的應用技術以及取得高精度類比信號處理技術。
1980年代後半以來,成為Digital auidio用的轉換器IC的專任,
專於許多的Device開發。擔當了對於全世界的Application Engineer Manager Manager以外,
還實施了對於Field Application Engineer Manager的技術訓練。
隨著Burr Brown被Texas Instruments買收,
2001年1月在移籍到日本Texas Instruments。
為Digital Audio用的轉換器製品的Application Manager,
Audio Expert(Audio上的專家)在系統,應用上的開發支援業務有相當廣泛的任職。
到目前為止,有執筆多數的Audio關聯的技術資料。
2009年6月作為評論家,Writer開始活動。