Источник: http://rus.625-net.ru/audioproducer/2005/04/jitter.htm

Несмотря на то, что джиттер является общеизвестным артефактом цифрового аудио, его влияние на реальное звучание зачастую недооценивается. Влияние джиттера может быть особенно ощутимым в больших вещательных системах высокой плотности, где используются длинные соединительные кабели и имеет место несогласованность импедансов. Появление преобразователей нового поколения, отличающихся очень малым внутренним джиттером и широкими возможностями его снижения, позволило применять в вещательной отрасли высокоскоростные коаксиальные интерфейсы, которыми можно заменить широко распространенные кабели типа "витая пара". Это позволяет уменьшить уровень джиттера, обусловленного особенностями интерфейса. Новые конвертеры выпускает, в частности, компания Axon Digital Design и ряд других.

Джиттер в цифровых звуковых интерфейсах может возникать в источнике сигнала или генерироваться самим интерфейсом. Нестабильность тактовых импульсов (clock jitter), вызванная генерированием сигнала AES/EBU, может стать началом снижения разрешения, но главной причиной появления джиттера и возрастания его значения до критичного уровня является ограничение полосы пропускания самого интерфейса. Причем это проявляется именно там, где особенно нежелательно – при преобразовании цифрового сигнала в аналоговый. Зачастую ускользает от внимания тот факт, что преобразователи частоты дискретизации тоже порождают интерфейсный джиттер – несмотря на то, что эти преобразователи могут иметь очень малую нестабильность тактовой частоты, они все равно наносят ущерб сигналу при преобразовании. Передискретизированные звуковые данные с искаженной информацией синхронизации приводят к появлению ошибки в реконструированном потоке данных. Нестабильность тактовой частоты будет малой, но форма аналогового сигнала исказится. Анализатор джиттера при исследовании интерфейсного джиттера не позволяет определить, какой формы должен быть аналоговый сигнал. Таким образом, малый уровень джиттера после преобразования частоты дискретизации не является гарантией сохранения качества сигнала.

Теперь рассмотрим практические примеры того, какое воздействие оказывает стандартная витая пара на процесс аналогово-цифрового преобразования и как двойная схема ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты) с малым джиттером позволяет корректировать его. Ряд диаграмм, построенных анализатором джиттера высокого разрешения, применявшимся при проведении исследований, показывает, как искажения, вызванные джиттером данных и интерфейсным джиттером, сказываются на качестве сигнала и обрабатываются стандартными схемами одинарной системы ФАПЧ. Джиттер в цифро-аналоговом преобразовании может привести к снижению разрешения при воссоздании аналогового сигнала до уровней, когда искажения становятся хорошо слышными. Это демонстрирует тот вред, который наносит джиттер целостной и прозрачной работе системы.

Джиттер, который приводит к потере разрешения и искажениям воссозданного аналогового сигнала, называется нестабильностью тактовой частоты (clock jitter). Эта нестабильность тактовой частоты присутствует в сигналах синхронизации word clock или master clock, генерируемых микросхемой ЦАП. Измеряемый на этом этапе джиттер представляет собой отклонение от частоты синхронизации при преобразовании от идеального тактового сигнала.

Эти отклонения частоты делятся на джиттер по частоте и джиттер по амплитуде. Визуализированная картина исследований этих сигналов с помощью осциллографа дает представление о максимальных значениях (от пика до пика), но не предоставляет никакой информации о частоте джиттера. Использование осциллографа для исследования джиттера длительностью менее 1 наносекунды является практически невозможным, поэтому необходим специальный анализатор джиттера.

Высокочастотные сигналы больше страдают от джиттера определенного уровня, чем низкочастотные.

Интерфейсный джиттер, вероятно, вносит наибольшую лепту в общий уровень джиттера всей системы. В частности, ограничения полосы пропускания соединений цифрового звука, выполненных кабелем типа "витая пара", могут вызвать серьезное понижение общей эффективности цифро-аналогового преобразователя. В силу ограничений по полосе пропускания, присущих интерфейсному кабелю, и в результате изменения формы сигнала AES/EBU появляется значительная деградация сигнала синхронизации в наиболее распространенных микросхемах приемников. Наиболее часто применяемые микросхемы CS8412 и CS8414 фирмы Crystal характеризуются частотой понижения джиттера 25 кГц. Это частота, на которой встроенная схема ФАПЧ начинает понижать джиттер входного сигнала. Если иметь в виду, что частота джиттера любого происхождения может достигать 40 кГц, то можно сделать заключение, что возможностей этих микросхем в плане снижения джиттера явно недостаточно. Большим преимуществом этих микросхем является способность надежно привязываться к сигналам с высоким джиттером различной амплитуды и продолжать непрерывно работать. Это является ключевым условием надежной работы любого цифро-аналогового преобразователя.

Для реализации надежного восстановления данных и снижения джиттера требуется подход, предусматривающий двойную обработку. Если схема способна делать корректно что-то одно, она, как правило, не способна с такой же высокой точностью выполнять какую-либо другую задачу.

Поэтому появилась концепция использования топологии с двойной ФАПЧ, что нашло применение, к примеру, в четырехканальном ЦАП ADA-524 компании Axon. Входные цепи созданы на основе уже упоминавшейся здесь микросхемы CS8414 в сочетании с преобразователем тактовой частоты с большой пропускной способностью, что позволяет обеспечить точное и надежное восстановление данных. На следующем этапе применена схема дискретной ФАПЧ на базе специально разработанных микросхем VCXO. На один канал используются две такие микросхемы, обеспечивая декодирование четырех наиболее распространенных тактовых частот: 44,1 и 88,2 кГц декодируются первой VCXO, а 48 и 96 кГц – второй. Частота 32 кГц также воспринимается устройством, но к ней не применяется процедура снижения джиттера. Новый фазовый компаратор используется для реализации механизма привязки к сигналу синхронизации без так называемых "мертвых зон", имеющих место при применении ряда других фазовых компараторов и схем ФАПЧ. Это также позволяет снизить уровень собственного джиттера.

Важной характеристикой высокопроизводительного звукового цифро-аналогового преобразователя является собственный джиттер устройства при подключении источника сигнала, свободного от джиттера. Микросхема CS 8414 имеет собственный джиттер примерно 150 пс в среднеквадратичном значении.

Чтобы обеспечить полное использование разрешения микросхем 24-разрядного ЦАП модели ADA-524, вторая схема ФАПЧ имеет собственный джиттер всего 2 пс в среднеквадратичном значении. В сочетании с частотой понижения джиттера 25 Гц и возможностью подавления джиттера более чем на 60 дБ ADA-524 может работать с входными сигналами с крайне высоким значением джиттера без ухудшения общей производительности системы.

Рисунок 1 – Сигнал AES/EBU до (красный) и после (синий) прохождения по кабелю типа "витая пара" длиной 100 м

Если посмотреть на тестовый сигнал стандартного потока данных AES/EBU на выходе нормального кабеля AES/EBU длиной 100 м, то деградация сигнала при использовании одинарной схемы ФАПЧ становится очевидной. На рисунке 1 можно видеть осциллограмму сигнала AES/EBU, снятую до и после его прохождения по стометровому кабелю.

Тестирование качества звука цифро-аналогового конвертера при помощи статичных сигналов полезно лишь в том случае, когда соединительные линии имеют небольшую длину, а источники цифрового сигнала имеют очень малый уровень джиттера, что в реальности случается очень редко. Использование коаксиальных соединений с волновым сопротивлением 75 Ом позволяет уменьшить деградацию производительности системы по сравнению с витой парой. Если есть необходимость в цифро-аналоговом преобразовании, применение на входе схемы с двойной ФАПЧ (не любой, а высококачественной) позволяет существенно снизить уровень деградации сигнала.