Τι είναι τελικώς το Jitter;

To jitter μπήκε στην ζωή του audiophile με τα ψηφιακά συστήματα ήχου και απέκτησε βαρύτητα όταν όλοι άρχισαν να προβληματίζονται για τις συνέπειές του, την αξιολόγησή του και τους τρόπους αντιμετώπισής του. Κάθε κατασκευαστής που σέβεται τον εαυτό του αναφέρει τον όρο, τουλάχιστον μια φορά στα εγχειρίδια χρήσης, το διαφημιστικό υλικό και το site του.  Στην πραγματικότητα, η φύση του είναι απλή και η κατανόησή της εύκολη.  Όπως άλλωστε αρμόζει σε κάθε πραγματικά σοβαρό πρόβλημα που λύνεται δύσκολα.

Στην περίπτωση του ψηφιακού audio μας ενδιαφέρουν δύο πράγματα: Η τιμή κάθε δείγματος και η χρονική θέση του δείγματος αυτού σε σχέση με τα υπόλοιπα γύρω του! Μόνο με βάση τις δύο αυτές πληροφορίες, ένας μετατροπέας D/A μπορεί να ξαναδημιουργήσει το αναλογικό σήμα. Ωστόσο, δεν υπάρχει τρόπος ο DAC μας να γνωρίζει την χρονική θέση του δείγματος, παρά μόνο να την υποθέσει: Αν έχουμε κάνει sampling στα 44.1kHz, έχουμε πάρει 44.100 δείγματα του σήματος ανά δευτερόλεπτο (ανά κανάλι), δηλαδή ένα δείγμα ανά 22μS και αυτό ακριβώς θεωρεί ο μετατροπέας ότι συμβαίνει. Αν δεν συμβαίνει, απλώς αναδημιουργείται ένα αναλογικό σήμα που δεν συμπίπτει με το αρχικό.  Δεν μας αρκεί να παίρνουμε τα διαδοχικά δείγματα την σωστή χρονική στιγμή, όπως αυτή ορίζεται από τον ρυθμό δειγματισμού που έχουμε αρχικώς επιλέξει, το σύστημά μας σε οποιοδήποτε σημείο του θα πρέπει «να είναι βέβαιο» για το ποιος είναι ο ρυθμός αυτός. Κάθε λάθος πληρώνεται με απόκλιση από το αρχικό σήμα.

Όλα είναι ρυθμός: Η ιδέα του clocking.

Όταν αναφερόμαστε σε jitter, και το σχετίζουμε με τα συστήματα αναπαραγωγής ήχου, σπανίως το θέμα μας είναι το sampling jitter (το οποίο άλλωστε είναι ενσωματωμένο σε κάποιο δίσκο, επομένως μπορούμε –δύσκολα- μόνο να το ακούσουμε ως κακής ποιότητας πρόγραμμα) αλλά μία άλλη μορφή του ίδιου προβλήματος που ακούει στο όνομα Clock Jitter.

Τα πάντα μέσα σε μία ψηφιακή συσκευή συμβαίνουν κάτω από έναν συγκεκριμένο ρυθμό ο οποίος –συνήθως- είναι πολλαπλάσιος του sampling rate ώστε να υποστηρίζονται και περισσότερες της μίας διαδικασίες ανά δείγμα, όταν είναι απαραίτητο. Αυτό που είναι πάντως σημαντικό είναι η ύπαρξη ενός συγκεκριμένου ρυθμού. Γεγονός που μας φέρνει κοντά στην ιδέα του “Clock”.

Στην ελληνική γλώσσα ο όρος αυτός, όταν αναφερόμαστε σε κυκλώματα, μπορεί να αποδοθεί ως «χρονισμός» και το αντίστοιχο σήμα ως «σήμα χρονισμού» ή και ως «βάση χρόνου». Το σήμα χρονισμού είναι συνήθως τετραγωνικό με την διάρκεια του χρόνου “on” και του χρόνου «off” να είναι ίσες. Τα χαρακτηριστικά που πρωτίστως μας ενδιαφέρουν είναι η συχνότητά του και η σταθερότητά του. Όσον αφορά το πρώτο, ήδη θα έχετε διαισθανθεί ότι ο χρονισμός των κυκλωμάτων σε μία συσκευή ψηφιακού audio έχει συχνότητα που είναι συνάρτηση του sampling rate. Όσον αφορά το δεύτερο, την σταθερότητα δηλαδή, θα θέλαμε να είναι το καλύτερο δυνατόν, με δεδομένες τις τεχνικές μας δυνατότητες και το κόστος.

To διάγραμμα οφθαλμού (eye pattern) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση του jitter. Αυτό που αναζητούμε είναι η σωστή ταχύτητα μετάβασης από την μια στάθμη στην άλλη και ένα αντικειμενικό κριτήριο είναι το άνοιγμα του οφθαλμού. Εδώ, με το κόκκινο τετράγωνο σημειώνεται το ελάχιστο άνοιγμα που γίνεται αποδεκτό για το πρωτόκολλο S/PDIF.

Ένα αβέβαιο ρολόι…

Ένα κύκλωμα που παράγει τετραγωνικό σήμα μίας συγκεκριμένης συχνότητας δεν είναι δύσκολο να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί, το πρόβλημά μας όμως στο ψηφιακό audio είναι ότι είναι ασύγχρονο: Από την στιγμή που δεν έχουμε στη διάθεσή μας το σήμα χρονισμού του μετατροπέα A/D δεν μπορούμε να ξεκινήσουμε ένα κύκλωμα clock την στιγμή που πρέπει ώστε να συγχρονιστεί με το σήμα μας. Η λύση στο πρόβλημα αυτό είναι να περιλάβουμε πληροφορίες χρονισμού μέσα στο ίδιο το σήμα που βρίσκεται στο δίσκο και με κάποιο τρόπο να τις ανακτούμε κατά την ανάγνωση του δίσκου ή μετά την μεταφορά του από κάποιο πρωτόκολλο (π.χ. μέσω S/PDIF). Στα χαρτιά, αυτό γίνεται εύκολα. Στην πράξη όμως υπάρχουν δυσκολίες. Οποιαδήποτε απόκλιση του σήματος από το ιδανικό, μεταφράζεται στην πραγματικότητα σε αλλοίωση της μορφής του και στην περίπτωση του σήματος χρονισμού αυτό είναι πολύ σοβαρό: Το σήμα αυτό φέρει την πληροφορία στις κάθετες πλευρές του, με άλλα λόγια ο ρυθμός δίνεται μέσω των μεταβάσεων από το «On» στο «Off» (δηλαδή την χαμηλή και την υψηλή τάση) και αντίστροφα. Αν αυτές οι πλευρές γίνουν ασαφείς, ή «αργές» (δηλαδή με μεγάλη κλίση) ο χρονισμός μας θα έχει πρόβλημα και το πρόβλημα αυτό έχει ένα γνωστό –πλέον- όνομα: Jitter, και μάλιστα η πιο γνωστή μορφή του, Clock Jitter.

Το διάγραμμα οφθαλμού μπορεί να μεταβάλλεται σε συνάρτηση με το sample rate. Εδώ φαίνεται το ίδιο ψηφιακό interface αλλά στα 88.2kHz. Η ταχύτητα έχει μειωθεί αισθητά και το άνοιγμα του οφθαλμού πλησιάζει επικίνδυνα το όριο του πρωτοκόλλου.

Δηλαδή; Υπάρχουν κι άλλα είδη Jitter;

Ε, ναι. Από τις περιγραφές είναι πιθανόν να έχετε υποθέσει ότι έχουμε δύο ειδών clock jitter. Το επαγώμενο λόγω θορύβου (induced jitter) και το επαγώμενο λόγω μεταφοράς (transmission line induced jitter). Στην πραγματικότητα, όμως, τα είδη είναι τρία. Από την στιγμή που οι μεταβάσεις από το On στο Off δεν είναι ακαριαίες αλλά απαιτούν χρόνο, οι τάσεις οι οποίες δημιουργούνται στην γραμμή μεταφοράς (δηλαδή η προσέγγιση του λογικού «1» και του λογικού «0») δεν είναι ίδιες αλλά είναι συνάρτηση του ίδιου του σήματος: Τι σημαίνει αυτό; Κάτι πολύ σοβαρό! Ότι υπάρχει και ένα είδος jitter το οποίο εξαρτάται από το ίδιο το σήμα. Το ονομάζουμε, πολύ λογικά, data dependent jitter.

Το διάγραμμα αυτό δείχνει τις δυνατότητες ενός ψηφιακού interface (για παράδειγμα μιας ψηφιακής εισόδου S/PDIF) να μειώνει την επίδραση του εισερχόμενου jitter. Εδώ, φαίνεται μια σταθερή καταστολή γύρω από τα -55dB, μια πολύ καλή επίδοση.

Ανεξαρτήτως του είδους του, πάντως, το jitter διαμορφώνει το σήμα, κάτι που μπορεί να φανεί σε μετρήσεις που περιλαμβάνουν φασματική ανάλυση ενός καθαρού ημίτονου. Μία τέτοια μέτρηση θα περιλαμβάνει την θεμελιώδη συχνότητα η οποία περιβάλλεται από ένα φάσμα θορύβου σε πολύ χαμηλότερη στάθμη. Αν όλες οι υπόλοιπες συνθήκες ήταν ιδανικές, θα βλέπαμε δύο αιχμές εκατέρωθεν της θεμελιώδους συχνότητας οι οποίες θα οφείλονταν στο jitter και θα εξηγούσαν επαρκώς την θεωρία της διαμόρφωσης. Στην πράξη βεβαίως, είναι συχνά δύσκολο να ξεχωρίσουμε τέτοιου είδους μορφές σε ένα διάγραμμα, πολύ δε περισσότερο να αποφασίσουμε ότι αυτό που παρατηρούμε οφείλεται ειδικά σε κάποιο από τα είδη του jitter που αναφέραμε και όχι σε κάποιο άλλο χαρακτηριστικό του κυκλώματος ή σε συνδυασμό όλων των ειδών jitter ή ακόμη σε έναν συνδυασμό όλων των προβλημάτων του συστήματος (κάτι που είναι και το συνηθέστερο…).

Το jitter διαμορφώνει το ηχητικό σήμα. Εντελώς σχηματικά, ένας καθαρός τόνος το φάσμα του οποίου εμφανίζεται εδώ θα αποκτήσει δύο πλευρικά φάσματα (sidebands) που οφείλονται στην διαμόρφωση αυτή. Στην πράξη, βεβαίως, τα πράγματα δεν είναι τόσο ξεκάθαρα. Στο συγκεκριμένο διάγραμμα μπορεί κανείς να δει άνετα την διαμόρφωση από τον θόρυβο του τροφοδοτικού (σε απόσταση 100Hz εκατέρωθεν της θεμελιώδους) αλλά και ίχνη ενδοδιαμόρφωσης στην περιοχή των +/-25Hz που θα μπορούσαν να αποδοθούν σε jitter.

Ανοχή, Καταστολή και Εγγενές (Intrinsic) Jitter.

Σε μια συσκευή αυτό που μας ενδιαφέρει είναι -κατά βάση- δύο επιδόσεις. Πρώτον το πόσο ανεκτική είναι σε ψηφιακά σήματα που χαρακτηρίζονται από υψηλό jitter, κατά πόσο, δηλαδή, επηρεάζεται η απόδοσή της αν η αρχική πηγή έχει προβλήματα. Αυτό εξαρτάται από μια σειρά παράγοντες όπως η ποιότητα του ψηφιακού interface και, πιθανώς, κάποιοι αλγόριθμοι που χρησιμοποιεί ο κατασκευαστής. Μπορούμε να αξιολογήσουμε την επίδοση της συσκευής μετρώντας την αλλοίωση των επιδόσεων της, όταν το σήμα έχει σημαντικό jitter. Η πλέον εύκολη στην κατανόηση της απεικόνιση είναι το διάγραμμα καταστολής του jitter (καταστολή σε dB, συναρτήσει της συχνότητας του jitter).  Η δεύτερη επίδοση που μας αφορά είναι το jitter που εισάγει η ίδια η συσκευή, δηλαδή το εγγενές jitter. Ο πρώτος ύποπτος εδώ είναι, φυσικά, το clock. Οι κορυφαίες ψηφιακές σχεδιάσεις βασίζονται σε ταλαντωτές μεγάλης ακρίβειας ενίοτε της τάξης του fs (femtosecond, δηλαδή 1/1.000.000.000.000.000 του δευτερολέπτου), αλλά θα πρέπει να έχει κανείς στο μυαλό του ότι υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση εδώ όπως για παράδειγμα η ποιότητα της τροφοδοσίας των ψηφιακών κυκλωμάτων. Η διαδικασία αξιολόγησης του εγγενούς jitter μιας συσκευής δεν είναι απλή υπόθεση και, συνήθως περιλαμβάνει ανάλυση του φάσματος εξόδου της συσκευής και απομόνωση των προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης που οφείλονται στο jitter (με περισσότερο γνωστή τεχνική το J-Test, του Julian Dunn).

Το άρθρο δημοσιεύτηκε στο πρώτο τεύχος του περιοδικού YELLOW BOX από τον έγκριτο συντάκτη Δημήτρη Σταματάκο.

 

YELLOW BOX MAGAZINE info@yellowbox.gr

Copyright © 2020 Yellow Magazine | All rights reserved Viva payments