Från Jitter till musikalitet

[Anders65]

Ja, då var det dags igen  En ny musikalitetstråd. Jag vill först reflektera lite var musikalitet till stora delar handlar om för mig. Att påverka musiksignalen så lite som möjlig anseende det vi hör. Det är just kopplingen till vår egen hörselförmåga som är så viktigt att alltid bära med sig. Det är även stor skillnad i hur distortion påverkar vår inbyggda hörselapparat. Harmonisk distortion är ju ofta naturligt och vi använder mixen av harmoniska övertoner, blandning av olika frekvenser och dess nivåer samt hur de förhåller sig tidsmässigt till varandra för att förstå och tolka ljud. När återskapar digitaliserad musik måste vi passa oss mycket noggrant för att inte skapa nya och därmed helt icke harmoniska frekvenser i ljudet. Även om vi inte uppfattar dessa direkt, så är lyssningströtthet ett tecken på just det. Men kan säga att vår hjärna försöker skapa en mening i tolkningen av ljudet som inkluderar hela frekvensspektrat. Och finns det ljud som saknar naturliga egenskaper misslyckas hjärnan tolka detta.

 

I denna tråd tänkte jag dels resonera kring jitter, orsaker till jitter, vilken påverkan jitter får på utsignalen från DACen och vad man kan göra för minska jitter. Vilken påverkan man får på grund av beror på vilken DAC-teknologi man använder sig av. Vi får se lite hur mycket av detta vi kommer in på i tråden. För enkelhetens skull kommer jag i början anta en traditionell R2R-DAC utan översampling.

 

Bilden nedan visar en enkel fyrkantvåg med jitter. Om man ska se jitter med ett oscilloskop så måste man trigga på signalen innan jitter adderas. Man kan därmed inte trigga på signalen som jittrar, eftersom bilden då blir beroende av trigg-ögonblicken. I bilden är det den undre signalen jag triggar på.

 

Jitter blir mest relevant när vi ska omvandla det digitaliserade ljudet till analogt ljud. För att förstå det hela tittar vi först på det digitala formatet I2S som är ett seriellt format för digitalt ljud som ofta används av DAC-kretsar. Exemplet nedan visar digitalt 16-bitars stereoljud i I2S-format. 

 

Ordklockan (LRCLK) visar till vilken kanal datat hör till. SCLK, samplingklockan, används för att på positiv flank klocka in data i DACen. Det är även den som uppdaterar utspänningen på DACen efter att varje ord (spänningsvärde) klockats in. 

 

Bilden nedan visar principen för hur utsignalen från DACen påverkas av jitter på samplingsklockan. Jitter på samplingsklockan kommer orsaka fel hos den analoga utsignalen enligt bilden nedan. Men ett bättre sätt att se effekten av jitter är att titta på frekvensspektrat.

 

 

För att visa hur jitter ser ut i frekvensdomänen använder jag min Denafrips Pontus DAC som testobjekt. Eftersom jag inte kan skapa jitter på samplingklockan så skapade jag jitter på själv signalen i sig. Jag tar en 12 kHz sinus som jag fasmodulerar med 1 kHz sinus till 500 ps RMS jitter. Den signalen (digital) kör jag från PCn över USB till DACen och mäter sedan på DACens analoga utgång. Kör en FFT på den analoga utsignalen signalen som ser ut enligt bilden nedan. Sidbanden  ligger 1 kHz från bärvågen som här är på 12 kHz. Amplituden på sidbanden är proportionell mot storleken på jittret. 

 

Notera att denna uppkoppling inte ger någon info om DACens egenskaper rörande jitter. Jag gjorde den bara för att demonstrera effekten av jitter, som motsvaras av jitter på samplingsklockan.

 

 

Fortsättning följer...

 

/Anders

 

[Anders65]

Juilan Dunn, Cambridge i England har publicerat flera intressanta artiklar kring jitter. Julian Dunn var en mycket respekterad ljudingenjör och musikteknolog inom den brittiska ljudindustrin. Han arbetade med en mängd olika artister och producenter och var känd för sin expertis inom digital ljudteknik. Tyvärr avled Julian Dunn 2003 i en ålder av endast 41 år efter en kort tids sjukdom i Leukemi. Hans bidrag till ljudindustrin och musikteknologi lever dock kvar genom hans artiklar och andra arbeten, och han är fortfarande högt respekterad inom branschen. Julian var ordförande i AES Standards Working Group som var ansvarig för AES3-gränssnittet och ledare av IEC Team som var ansvarig för IEC60958 (inklusive SPDIF-gränssnittet). Det var till exempel till stor del genom hans ansträngningar som jitter-specifikationer och utökad samplingsfrekvensstöd lades till dessa gränssnitt. För de som vill läsa mer i området rekommenderar jag som exempel artikeln "Jitter: Specification and Assessment in Digital Audio Equipment". I den artikeln finns bland annat detta intressanta diagram.

 

[calle_jr]

1 hour ago, Anders65 said:

detta intressanta diagram

Det gäller alltså i första hand att en transport/dac inte producerar jitter över 400-500Hz ?

Eller är det omvänt, att en transport/dac som inte producerar jitter över 100ps kommer endast påverka audiofrekvenser över 3kHz?

 

Jitter är väl inte sinusformat, men det spelar kanske mindre roll i sammanhanget.

 

[Anders65]

Min tolkning av diagramet är att det visar högbarhetsgränsen avseende jittrets storlek i förhållande till jitterfrekvensen antaget sinusformat jitter. Att det kvävs mycket jitter vid låga jitterfrekvenser beror på hörselns maskeringseffekt.

 

Jittret lägger sig som sidband till tonerna vi lyssnar på. Ligger frekvenserna hos jittret tillräckligt nära dessa toners frekvens maskeras de av hörseln. Man brukar säga att maskeringen ligger på ca 200Hz. 

[calle_jr]

 

Ja, men jag tänkte vad man skulle använda informationen till.

Dvs att man kan dra slutsatser i stil med de jag skrev och använda som designkriterier för en transport/dac.

 

[Anders65]

Jag ser nog problemet för apparater att ligga under kurvan är som störst från 2kHz o uppåt. Huvudfokus bör ligga där när man mäter jitterprestanda. Något som jag återkommer till i närtid i tråden.

 

Ett exempel på tillämpning är att detta påverkar vart man lägger loopbandbredden i PLLen. Man vill inte ligga på för låg frekvens bland annat på grund av lång tid för PLLen att låsa men inte för högt men tanke på denna kurva. Tycker det är en god hjälp i konstruktionsarbetet.

 

[Anders65]

Juilan Dunn tog fram en testsignal för att mäta jitter hos DACar med AES3 och SPDIF-gränssnitt, kallad J-Test. Signalen består av en grundton på 1/4 av samplingsfrekvensen (12 kHz vid 48 kHz sampling). På detta adderas en fyrkantvåg genom att toggla LSB med en frekvens på 1/192 av samplingsfrekvensen, vilket motsvarar 250 Hz vid 48 kHz sampling. Eftersom kodningen är 2-komplement så blir de så att de flesta symbolerna i bitströmmen slår om mellan "1" och "0" samtidigt med en frekvens av 250 Hz. Det motsvaras av att 2-komplementsignalen förutom ett mindre antal symboler växlar mellan 3,072MHz (ettor) och 1,536 MHz (nollor). Detta blir det maximala jitter som signalen i sig kan skapa. Genom att mata DACen med en sådan signal kan man se om klockåtervinningen klarar av att återvinna klockan utan jitter. Observera att denna testsignal bara fungerar för AES3 och SPDIF-gränssnitt.

 

Jag testade detta med programvaran REW på min Denafrips Ponus II. Först med sinusvåg på 12kHz (-3dB för att match nivån med J-Test) över AES3 till DACen. Mätt på XLR-utgångarna. Det jitter man ser intill 12 kHz är en modulation av 50Hz. 

 

Och sedan med J-Test (-0dB) över AES3 till DACen. Mätt på XLR-utgångarna.

Som synes ingen egentlig skillnad. Jag misstänker att Denafrips använder asynkron omklockning (ASRC/FIFO) för att åstadkomma detta fina resultat.

[Bebop]

20 minutes ago, Anders65 said:

Jag misstänker att Denafrips använder asynkron omklockning

Jag har förstått det så att USB alltid är asynkront medan AES är synkront och att man där är mer beroende av att de sändande och mottagande enhet funkar ihop (= håller sig till standarden inklusive impedansen 110 Ohm i kabeln). Eller?

[Anders65]

Jo, det stämmer bra att AES är synkront. Det finns två moder i USB, men själva transporten av ljuddata är alltid asynkron.

 

Det finns egentligen två saker som kan spela roll för själva gränssnittet AES. Den ena är du inne på. Att sändande och mottagande enhet följer standard inklusive impedansen och detta över ett stort frekvensområde. Till det bör man även inkludera kabelns impedans. Men hur kritiskt allt detta är beror på mycket på hur bra konstruktionen är på att undvika/ta bort jitter på klockan som används i själva digital till analog-omvandlingen. Det finns olika sätt att skapa den klocka som klockar datat till D/A-omvandlingen i den takt som det skickas in till DACen. PLLer är ett sätt En kombination av PLL och FIFO/ASRC är ett annat. Sen beror konsekvenserna av jitter även på typen av D/A-omvandlare. Förutom detta så är det viktigt att störningar, som alltid finns i streamers mm inte letar sig in i DACen och påverkar dess känsliga PLLer eller analoga steg. En bra metod mot detta är att isolera det digitala gränssnittet galvaniskt med ex. en pulstransformator. Då slipper man även jordströmmar mellan enheterna.

[Anders65]

Vill skriva ett par rader om en skillnad mellan AES, SPDIF, USB och I2S. Det finns de som säger att man inte ska använda I2S mellan enheter eftersom det inte är tänkt för det. Det stämmer att I2S inte är tänkt för det, men till skillnad från de andra alternativen så är I2S både synkront och att klockan inte behöver återskapas. Den ingår som en separat signal i gränssnittet. Detta är optimalt, om det inte är så att klockan jittrar på grund av källan där den skapas. Om man löser drivningen av I2S-signalerna genom en kabel bra så är det inga problem med den biten. Men, har man en smutsig klocka så kan I2S vara sämre än de andra alternativen. Detta kanske inte tillför så mycket, men det är lätt att det uppstår "sanningar" som bygger på för stora förenklingar.

[Bebop]

11 hours ago, Anders65 said:

En bra metod mot detta är att isolera det digitala gränssnittet galvaniskt med ex. en pulstransformator.

Jag antar att det är så min dac är byggd (Aesthetix). De argumenterar ungefär som du. ”The real solution is separate transformers”. Utöver detta tillåter de ingen gemensam jord med själva dacen plus att de kör dacarna balanserat för att få bort störningar från musiksignalen som eventuellt lyckats ta sig förbi.

 

http://www.aesthetix.net/digital.php?aac_mobile=no samt under ”editions” för eventuell inspiration/alternativa lösningar.

[calle_jr]

11 hours ago, Anders65 said:

Vill skriva ett par rader om en skillnad mellan AES, SPDIF, USB och I2S

Mycket välkommet.

Det svåra med detta är att det finns så många workarounds och förutsättningar, så det går ofta inte säga att det är si eller så. Det kommer ju versionsuppdateringar också.

 

Denna preliminära sammanställning var ett försök till kartläggning av de vanligaste gränssnitten i artikeln digital audio;

 

 

[Anders65]

När vi kopplar ihop digitala källor med D/A-omvandlare tycker jag att man alltid borde ha galvanisk isolation i alla anslutningar till DACen. Det tillför förstås kostnader, men det löser många problem som annars kan uppstå genom störningar och jordströmmar.

 

För AES och elektrisk SPDIF är det enklaste att använda pulstransformatorer. På så sätt kan man få galvanisk isolation oavsett BNC, RCA eller XLR. Optisk SPDIF ger förstås galvanisk isolation i sig. Där måste man dock vara noggrann i att hantera det extra jitter som uppstår i den opto-elektriska omvandlingen.

 

För USB finns det ett flertal olika alternativ. Dels finns det färdiga kretslösningar för galvanisk isolation direkt innanför USB-kontakten, men det går även att sätta en galvanisk isolation bakom USB-transceivern. I det fallet finns flera olika tekniska lösningar, som GMR, kapacitiva isolatorer och optokopplare. Man måste dock i sin konstruktion hantera det jitter som uppstår i den typen av galvanisk isolation.

 

Det går även att göra galvanisk isolation för I2S men där blir jitter på samplingsklockan kritiskt i konstruktionen. Ska kolla lite på hur Denafrips gjort sitt I2S-gränsnitt.

[Anders65]

1 hour ago, Bebop said:

”The real solution is separate transformers”. Utöver detta tillåter de ingen gemensam jord med själva dacen

Bra tänkt tycker jag. Även Denafrips är ett exempel där man insett vikten av galvanisk isolation mot känsliga delar i DACen.

 

Det finns många sätt att lösa det tekniskt, men oavsett det så vinner man mycket på principen.

[Anders65]

1 hour ago, calle_jr said:

Det svåra med detta är att det finns så många workarounds och förutsättningar, så det går ofta inte säga att det är si eller så. Det kommer ju versionsuppdateringar också.

Alltid svårt att säga si eller så. Mycket tycker jag handlar om konstruktörens kunskaper o om det finns ekonomiskt utrymme att göra riktigt bra lösningar. Finns dessa förutsättningar tror jag beroendet till vilket gränsnitt som är bäst för digital audio minskar radikalt. Nu tar jag dock inte hänsyn till begränsningar avseende vilka format som respektive gränssnitt stödjer.

[Anders65]

Jitter kan uppstå på många ställen i signalkedjan fram till själva D/A-omvandlingen. Grupperar dem i olika typer,

- Mekaniskt jitter (tänker på CD-spelare)

- Gränssnittsjitter

- Överföringsfunktionsjitter (PLLer och övergång mellan olika klockdomäner)

- Oscillatorjitter

- Störningsrelaterat jitter

 

Funderar på om det finns områden kring jitter som är mer intressanta än andra att resonera kring? 

[triomio]

1 hour ago, Anders65 said:

- Oscillatorjitter

Yttre påverkan av vibrationer till klockan kan väl också ge upphov av jitter?

[Anders65]

1 hour ago, triomio said:

Yttre påverkan av vibrationer till klockan kan väl också ge upphov av jitter?

Det stämmer bra att kristallers och oscillatorns jitter-egenskaper (fasbrus) kan påverkas av betydande mekaniska vibrationer. Men på ett kretskort i en DAC som står i ett rack eller motsvarande är det extremt små vibrationer på grund av ljudtryck eller andra yttre vibrationer. Så mitt svar är att det inte är något vi behöver ta hänsyn till i denna typ av applikation.

 

Men det finns andra tillämpningar där detta är relevant. Jag läste om ett fall där man för en flygradar krävde en mycket lågbrusig klocka. Där fick man jobba både med att minska vibrationerna från flygplanet och att minska ett mycket högt ljudtryck för att få ner fasbruset. 

[calle_jr]

11 hours ago, Anders65 said:

Funderar på om det finns områden kring jitter som är mer intressanta än andra att resonera kring? 

Alla de delarna är intressanta 

 

Jag tycker också att det är intressant med kopplingen till latens. Ingen latens, inget jitter, och latens är lite mer gripbart eftersom det väl är roten till uppkomsten av fel i alla de delar du nämner.

Jag funderade på Julian Dunns diagram, som ju avser effekten i den analoga domänen, steget efter vad vi pratar om här.

Digital audio är en fyrkantvåg som inte har någon egentlig koppling till audiobandet. Alltså måste jitter ligga under en viss nivå, tex 100ps, för hela signalen, överallt. Jag kan inte se hur man kan urskilja delar av audiobandet i något av stegen?

 

För att då knyta ihop min tanke med detta spretiga inlägg; att latens blir känsligare ju högre samplingsfrekvens man har. Dvs att väldigt höga samplingsfrekvenser kan skapa mer jitter och således mer hörbara modulationsprodukter. Sant eller falskt?

Alltså att det inte är så att 24/96 i sämsta fall bibehålls för en 24/192 ljudström. Den högre samplingsfrekvensen skapar mer jitter som moduleras i hela audiobandet, inte bara för skillnaden mellan 192 och 96kHz.

 

 

[Anders65]

Då ska jag resonera lite kring alla delar 

 

1 hour ago, calle_jr said:

Digital audio är en fyrkantvåg som inte har någon egentlig koppling till audiobandet. Alltså måste jitter ligga under en viss nivå, tex 100ps, för hela signalen, överallt. Jag kan inte se hur man kan urskilja delar av audiobandet i något av stegen?

Jag förstår inte riktigt. Diagrammet visar hörbarhet relaterat till jitterfrekvensen och jitteramplituden (i tid). Om jitterfrekvensen ligger för nära de toner som spelas kommer vi normalt inte höra det. Men ju högre frekvens desto längre ifrån spelade toner kommer sidbanden orsakade av jitter ligga och vår maskeringseffekt avtar. Sen tror jag inte detta är hela sanningen eftersom jag är tveksam till att vi hör en viss jitterfrekvens och amplitud lika bra oavsett "bärvågfrekvens" inom det hörbara området. Men det kanske inte var kring detta din fundering var?

 

1 hour ago, calle_jr said:

Alltså att det inte är så att 24/96 i sämsta fall bibehålls för en 24/192 ljudström. Den högre samplingsfrekvensen skapar mer jitter som moduleras i hela audiobandet, inte bara för skillnaden mellan 192 och 96kHz.

En spontan ogenomtänkt tanke kring detta... I D/A-omvandlingen motsvarar en viss jitteramplitud (tid) ett visst spänningsdelta för säg en diskret sinussignal. Hur stort spänningsdeltat blir beror då inte av samplingsfrekvensen utan bara av jitteramplituden 

[conan]

Det blir ett tidsfel som flyttar samplet fram eller tillbaka från sitt ideala läge. En sorts fasmodulering. Resultatet blir ju ett amplitudfel vid det ideala sampelläget när man lagt på rekonstruktionsfiltret.

 

Frågan är hur en bra modell skulle se ut för det här?

 

[Danke]

Några tankar om varför ofta en hyfsat Cd spelare till 3-6k har bättre ljudkvalitet en streamers? I ca samma prisläge?

 

Dac och cd drev synas alltid vara lite bättre… Detta beror väl på jitter. Med bra kablar och el så blir streamers bättre men inte helt Cd även om det är flack eller småkallt hi-Rez…

[calle_jr]

7 hours ago, Anders65 said:

Diagrammet visar hörbarhet relaterat till jitterfrekvensen och jitteramplituden

Ja, för en da-omvandlad signal.

Men om vi håller oss till den digitala domänen så ska ju inte det tolkas som att endast högfrekventa delar av audiosignalen är känsliga för jitter, utan den digitala signalen påverkas oberoende av vad audiosignalen innehåller (mängden jitter är densamma oavsett om audiosignalen innehåller en bastuba eller en piccolaflöjt).

Däremot undrar jag om det finns en koppling mellan jitter och samplingsfrekvens, dvs om mängden jitter beror på ljudströmmens samplingsfrekvens.

 

 

6 hours ago, conan said:

Frågan är hur en bra modell skulle se ut för det här?

Ja precis, och att vi håller oss helt i den digitala domänen.

 

 

[Anders65]

8 hours ago, calle_jr said:

Däremot undrar jag om det finns en koppling mellan jitter och samplingsfrekvens, dvs om mängden jitter beror på ljudströmmens samplingsfrekvens.

Det var en bra fråga. Det jag kan tänka mig är jittret från PLLen för klockåtervinning kan påverkas i viss mån. Högre samplingsfrekvens borde vara bättre avseende detta.

[Anders65]

10 hours ago, Danke said:

Några tankar om varför ofta en hyfsat Cd spelare till 3-6k har bättre ljudkvalitet en streamers? I ca samma prisläge?

 

Dac och cd drev synas alltid vara lite bättre… Detta beror väl på jitter. Med bra kablar och el så blir streamers bättre men inte helt Cd även om det är flack eller småkallt hi-Rez…

En av de svårare frågorna som jag bara kan spekulera i. Jitter kan absolut vara en anledning, men även EMI. En CD transport borde generera mindre högfrekvent brus än en streamer. En streamer har betydligt mer digitala kretsar som genererar både utstrålade och ledningsbundna störningar väldigt högt upp i frekvens. Jag tror att det är svårare att göra en streamer lika bra som en CD transport till samma pris - mycket på grund av EMI.

[Anders65]

9 hours ago, calle_jr said:

13 hours ago, conan said:

Frågan är hur en bra modell skulle se ut för det här?

Ja precis, och att vi håller oss helt i den digitala domänen.

Ska fundera lite på det..

[calle_jr]

8 hours ago, Anders65 said:

Det var en bra fråga. Det jag kan tänka mig är jittret från PLLen för klockåtervinning kan påverkas i viss mån. Högre samplingsfrekvens borde vara bättre avseende detta.

Ok.

Jag tänker att mängden jitter generellt beror på om latens är proportionellt mot antal sampel eller mot samplingsperioden.

Eller finns det ingen sådan koppling alls?

 

 

Edit:

 

Man kan dela in latensproblem i slumpmässigt jitter och deterministiskt jitter.
Slumpmässigt jitter beror på termiskt brus i kretsen, så det kan vi bortse från i min fråga.
Deterministiskt jitter beror på klock- eller datasignalen. Det korrelerar antingen mot dataströmmen (DDJ) eller inte. Mängden jitter är proportionellt mot signalens slew rate och mot klockans absoluta fel. Men är slew rate oberoende av samplingsfrekvens för en klocka?

 

Quote

Data-dependent jitter (DDJ) is a specific class of timing jitter. In particular, it is a form of deterministic jitter which is correlated with the sequence of bits in the data stream.

 

(https://en.wikipedia.org/wiki/Data-dependent_jitter)

 

Quote

DDJ is one type of deterministic jitter that results from residual effects of prior bits on a data threshold crossing time. It degrades BER (bit error rate) and link performance as the data rates increase, while the system bandwidth budget is restricted.

 

(https://chic.caltech.edu/wp-content/uploads/2013/05/Analui_MTT_05.pdf)

 

[Anders65]

1 hour ago, calle_jr said:

Jag tänker att mängden jitter generellt beror på om latens är proportionellt mot antal sampel eller mot samplingsperioden.

Eller finns det ingen sådan koppling alls?

Jag hänger inte med i resonemanget men chansar med ett par svar kring påverkan av jitter 

 

J-Test maximerar amplituden på jitter genom att växla så många ettor resp. nollor i rad som möjligt eftersom det gör det så svårt som möjligt för PLLen. Detta mönster tillsammans med låg samplingsfrekvens borde vara det svåraste för PLLen. 

 

När det gäller latens så skapas det huvudsakligen i minnefunktioner o filter. Den koppling till jitter med dessa som jag kommer på är det jitter som uppstår när man synkar två klockdomäner och förstås av klockningen i sig.

[Anders65]

Tackar för uppdateringen.  Förstår lite bättre nu 

J-Test är ett exempel som ger determiistiskt jitter. Reflektioner i transmissionen är ett annat exempel som jag nog tycker är deterministiskt.

 

Slew rate ger ett mer  slumpmässigt jitter då det påverkar en "osäkerheten" vid tröskelnivån. Slew rate i sig beror på drivförmågan hos sändaren o lastkapacitansen - om vi tittar på spänningen. Sen har strömmen en slew rate med, men det är nog inte relevant här.

[conan]

Vad händer om man bara klockar in data på jittrande klockans flank och sen väntar att klocka ut tills samplet ska ut med den jitterfria klockan? Skulle det vara tomt i bufferten skickar man noll ut. Är det fullt i bufferten låter man bli att klocka in.

 

Låter det illa om man gör så?