С начавшейся несколько десятилетий назад цифровой эры известная под названием «джиттер» ошибка синхронизации в ЦАПах обвинялась в нарушении качества звука. Утверждается, что джиттер вносит слышимые искажения и шумы, влияет на глубину баса и даже вредит ширине и глубине стереоизображения.

Это искажение, которое трудно генерировать искусственно и в контролируемых уровнях, поэтому тестов было не так много. Статья объяснит, что такое джиттер, каковы его причины и даже позволит вам услышать джиттер в контролируемых количествах, чтобы вы сами могли решить, насколько он вреден на самом деле.

Что такое джиттер?

Джиттер — это шумоподобный артефакт, вызванный небольшими временными ошибками в тактовом генераторе, который управляет передачей данных между аналоговыми и цифровыми форматами.

Джиттер возникает как во время захвата звука в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), так и на выходе из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В этой статье речь пойдет в основном о джиттере ЦАПа, поскольку потребители и их устройства не могут влиять на джиттер, появившийся на записи.

Джиттер указывается в единицах времени, обычно наносекундах (миллиардных долях одной секунды). Эта величина определяет, насколько раньше или позднее нормы может переключиться тактовый сигнал. На рисунке показан профиль прямоугольной волны идеального тактового генератора сверху и затем с добавлением некоторого джиттера — снизу.

В первом блоке выходной сигнал таймера включается немного позже, а выключается немного раньше, чем должен. Этот тип джиттера называется случайным, поскольку отклонения во времени более или менее случайны из-за вариаций теплового шума.

Джиттер приводит к тому, что тактовый сигнал переключается в неправильное время, что приводит к шуму на аудиовыходе.

Несмотря на то, что джиттер является проблемой синхронизации, он проявляется в виде боковых FM-полос — шумоподобных артефактов, которые добавляются к аудиосигналу. Именно поэтому он выражается в виде временного интервала, а не в виде величины фазового сдвига или отклонения частоты.

В зависимости от природы джиттера, боковые полосы могут быть гармонически связаны или не связаны с музыкой. Спектрально они также могут меняться. Оба этих фактора влияют на то, насколько слышимым будет джиттер при воспроизведении музыки из-за эффекта маскировки.

Шум, содержащий частоты, близкие к частоте источника музыки, будет менее заметен, чем шум с более отличными частотами. Абсолютная громкость или SPL также влияют на слышимость джиттера: чем громче, тем больше деталей мы можем различить. Шум джиттера в современных цифровых устройствах обычно ниже уровня шума компакт-диска даже для недорогих устройств потребительского класса. По моему опыту, он слишком тихий, чтобы быть слышимым. 

Для определенного количества джиттера уровень шума, добавляемого к звуку, также зависит от частоты источника. Джиттер сильнее проявляется на более высоких частотах просто потому, что ошибка синхронизации составляет больший процент от периода колебаний. Одна микросекунда джиттера составляет 0,1% от периода на частоте 1 кГц, но 1,0% на частоте 10 кГц.

На графике, приведенном на рисунке из книги «Искусство цифрового аудио» Джона Уоткинсона, показано количество джиттер-шума, которое можно ожидать на разных частотах, а в качестве эталона использован шумовой порог для различных битовых глубин. Для сравнения, джиттер обычно составляет менее 0,5 нс даже в скромных потребительских устройствах, то есть более чем на 100 дБ тише музыки. В тестах слушатели не могли обнаружить джиттер, если он не превышал 30 нс.

Влияние джиттера тактового генератора на отношение сигнал/шум (SNR) на разных частотах, в сравнении с теоретическими шумовыми уровнями систем с разным разрешением. (Изображение предоставлено в книге "Искусство цифрового аудио" Джона Уоткинсона).

Одним из возможных исключений является джиттер в аудиопотоке при HDMI-подключении. В феврале 2009 года британский журнал Hi-Fi News опубликовал результаты измерений джиттера для четырех популярных ресиверов. У всех, кроме одного, джиттер на HDMI-выходах был значительно выше, чем на SPDIF-выходах. Джиттер через HDMI-выход у одного из них составил 7,6 нс, в то время как через SPDIF-выход — всего 183 пс. Но все же и это ниже уровня слышимости.

В чем причины джиттера?

Каждое цифровое аудиоустройство, содержащее тактовый генератор, имеет осциллятор, генерирующий тактовую частоту. В лучших осцилляторах (тактовых генераторах) используется тонкая пластина кварцевого кристалла, помещенная между металлическими пластинами, которую заставляют колебаться при подаче на пластины электрического тока.

Если не требуется высокая точность, вместо кварца можно использовать керамику. Оба таких элемента имеют очень узкую полосу пропускания (высокий уровень Q — добротности), подобно камертону, и поэтому они колеблются на одной стабильной частоте.

Резонансная частота кварцевой пластины меняется в зависимости от температуры окружающей среды, поэтому, когда требуется максимальная точность, плату генератора помещают в миниатюрный термостат, температура которого точно регулируется на уровне чуть выше температуры окружающей среды.

На рисунке показана схема одного из кварцевых генераторов. Здесь кристалл помещен в цепь положительной обратной связи операционного усилителя, что способствует возникновению колебаний. В каждом цикле выходной сигнал операционного усилителя меняет полярность, когда напряжение на входе достигает определенного переходного уровня. 

В этом генераторе кварцевый осциллятор включен в цепь положительной обратной связи операционного усилителя.

Все электронные компоненты характеризуются определенным уровнем теплового шума, который представляет собой крошечное напряжение, вызванное случайным движением молекул. Например, резистор сопротивлением 10 кОм при комнатной температуре выдает среднеквадратичное значение 0,4 мкВ в полосе пропускания 10 кГц.

Поскольку резисторы задают напряжение перехода, ничтожный уровень их теплового шума может изменить напряжение перехода на случайную величину. Шум от источника питания также может попасть в цепь генератора. Если этот шум содержит «сетевые» компоненты с частотой 60 или 50 Гц, то возникающий джиттер может быть промодулирован этой частотой.

Даже если джиттер слишком мал, чтобы повлиять на качество звука, его все равно можно измерить. В июне 2010 года журнал Sound On Sound (SOS, Великобритания) опубликовал статью с подробным описанием тестов семи внешних тактовых генераторов, о каждом из которых утверждалось, что их низкий уровень джиттера улучшает качество звука по сравнению с генераторами, встроенными в типичные преобразователи и звуковые карты. 

Внешние тактовые генераторы полезны в сложных аудиосистемах, содержащих множество цифровых устройств, которые должны работать совместно, например, в радио- и телестанциях. Но когда технический редактор SOS Хью Робджонс (Hugh Robjohns) сравнил шумы и искажения нескольких ЦАП, он обнаружил, что все они имеют меньший уровень шума при использовании встроенных генераторов, чем при подключении к внешним. 

Из его заключения: «В целом, из этих тестов следует, что использование внешнего тактового генератора не способно и не будет улучшать качество звука цифровой аудиосистемы». Таким образом, хоть внешний генератор и полезен, когда несколько устройств должны быть синхронизированы с одним и тем же сигналом, он не улучшит качество звука в типичной системе с одной звуковой картой или ЦАП.

Возможно, самый важный момент, касающийся слышимости джиттера, подытожил журнал The Audio Critic, где эксперт по цифровому аудио Роберт В. Адамс (Robert W. Adams) из Analog Devices написал: «Традиционные тесты THD+N в зависимости от частоты и графики спектра БПФ (быстрое преобразование Фурье — прим. перев.) для входных сигналов различных частот достаточны для отражения эффектов, вызванных джиттером. Нет никаких причин выделять компоненты искажений, вызванные джиттером, в отличие от компонентов, вызванных другими эффектами, такими как нелинейность ЦАП, искажения операционных усилителей и т. д.»

Таким образом, нет никаких оснований полагать, что джиттер может влиять на полноту баса или стереоизображение, как это обычно утверждается. Полнота — это вопрос частотной характеристики, который легко проверить, а для изменения стереокартины потребовались бы гораздо большие ошибки синхронизации, которые также различаются между левым и правым каналами.

Аудиопримеры

Выше я упоминал, что джиттер трудно генерировать искусственно в контролируемых количествах. К счастью, я обнаружил программу Distort, доступную бесплатно на сайте distortaudio.org. Distort принимает входные данные из файлов WAV и позволяет в контролируемых количествах добавлять различные артефакты, такие как гармонические искажения, дизеринг, шум, гул и жужжание, уменьшенную битовую глубину (шум квантования) и, конечно, джиттер.

Чтобы читатели могли сами услышать, на каком уровне джиттер слышен, я создал четыре набора музыкальных файлов, каждый из которых содержит все большее количество джиттера. Эти музыкальные примеры в основном представляют собой «мягкое, открытое звучание», а не громкие компрессированные поп-мелодии, которые могут быть слишком плотными для слышимости слабого добавленного шума или искажений.

Все мелодии были записаны с оригинальных компакт-дисков в виде WAV-файлов в полном качестве. Обратите внимание, что я применил агрессивное количество джиттера, чтобы сделать его очевидным. Самое маленькое значение — 10 нс, что примерно в 10-20 раз больше, чем даже у аудиоустройств потребительского класса.

При 10 нс я не слышу разницы с первоисточником, но, возможно, молодые слушатели с более развитым ее слухом услышат. Затем я добавил 10 мкс джиттера (в 1 000 раз больше), что подняло уровень шума примерно до -30 дБФС, а затем — 100 мкс, что подняло шум до -15 дБФС. При 100 мкс вы можете отчетливо услышать ударный звук артефактов джиттера, а также общую зернистость звука.

Перед добавлением джиттера я нормализовал файлы до уровня -4dBFS, чтобы гарантировать, что звук будет значительно ниже уровня клиппирования любого ЦАП. Чтобы не заставлять читателей жонглировать большой серией аудиопримеров, я создал пятиминутное видео, в котором четыре раза подряд воспроизводится и идентифицируется каждая мелодия с нарастающим количеством джиттера.

Я также извлек джиттер из двух песен, чтобы вы могли услышать, как звучит один только джиттер. Видео на YouTube сжимает звук с потерями, поэтому я перевел это видео в форматы QuickTime и Video for Windows, используя кодирование PCM CD-качества.

Заключение

После просмотра видео, я думаю, понятно, что самое важное откровение в том, что джиттер, даже вдесятеро больший чем тот, что обычно присутствует в недорогих аудиоустройствах, вполне безобиден и не вредит музыке. Обычные козлы отпущения, «полнота и ширина», явно не страдают от добавления джиттерного шума.

Даже при джиттере в 10 мкс, который является огромным и ограничивает отношение сигнал/шум (SNR) до уровня всего 35 дБ, можно оценить силу маскирующего эффекта. В отличие от шипения ленты и треска виниловой пластинки, шум джиттера присутствует только во время воспроизведения музыки. Таким образом, он всегда маскируется музыкой и никогда не слышен между песнями. Тогда почему многие считают, что джиттер влияет на воспроизведение низких частот и стереосцену?

Исследовав акустику помещений, я пришел к мнению, что акустическое явление, известное как гребенчатая фильтрация, является наиболее правдоподобным объяснением многих различий, которые, как утверждают люди, они слышат от кабелей, кондиционеров питания, изолирующих устройств, внешних генераторов с низким джиттером, сверхвысоких частот дискретизации и так далее.

Гребенчатая фильтрация — это тип ошибки частотной характеристики, которая возникает, когда прямой звук из громкоговорителей смешивается в воздухе с отражениями от стен, пола, потолка и других близлежащих объектов. Это приводит к слышимым изменениям частотной характеристики даже при удивительно малых смещениях.

В моей предыдущей статье «Почему мы верим» рассказывается об этом явлении и показано, как перемещение головы даже на несколько сантиметров может сильно изменить то, что вы слышите. Разница, которую слышат люди, на самом деле может быть реальной, но она не вызвана заменой проводов или добавлением «силового» продукта электропитания или изолирующего устройства.

Оригинал: Audio Electronics Is Digital Jitter Really a Problem