Джиттер всемогущий

Цифровой звук хорош тем, что описание сигнала не изменится со временем — копируйте его сколько угодно. Но при переводе кода в собственно аналоговую волну это самое время, порезанное плохоньким клоком на неравные отрезки, сыграет злую шутку со слушателем. Музыка отыграет паршиво, хотя формально все биты «на бумаге» остались на месте. Так работает джиттер, о котором сегодня поговорим чуть подробнее.

Наберусь смелости заявить, что в современных Hi-Fi-аудиоисточниках проблема джиттера более-менее решена и самые страшные картинки остались в 90-х. Однако ЦАПами сейчас оснащаются даже электрочайники, поэтому во многих периферийных устройствах и даже AV-ресиверах тактирование может быть не очень точным. К чему это приводит — посмотрим на примере аудиовыхода неоднократно мною упомянутого Wi-Fi-роутера Airport Express.

В отличие от портативных устройств iOS Apple с блестящими измерениями, Airport Express показывает средненькие цифры. Более того, после обновления прошивки ради совместимости с мультирумом AirPlay2, из чрева Airport Express начинают валить неадекватно адские искажения. Причем как на аналоговом, так и на оптическом аудиовыходах модема, что указывает на проблему уровня первичной обработки беспроводного аудиосигнала. Об этом факте на форумах иногда раздаются одинокие жалобные попискивания. Но уважаемая компания давно забила на подразделение роутеров и не спешит чесаться в отношении модели, снятой с производства.

К счастью, Airport Express не использует подписывание хеша, как это учинено в мобильных устройствах. Благодаря этому, его прошивку можно откатить назад на что-то из старого — лишь бы ниже роковой 7.8 с AirPlay2. И тогда через старый однотуннельный AirPlay на оптический выход Airport Express возвращается режим bit perfect. То есть все крестики и нолики вроде бы передаются. Вроде бы. Но тухловатый звук при этом наблюдается на обоих вариантах вывода звука. Как же так? Помимо опубликованных ранее измерений, настало время оценить уровень джиттера (т.е. микронарушения фазы) Airport Express.

Фундаментальные основы исследования джиттера в аудиоустройствах впервые были заложены знаменитым специалистом Audio Engineering Society (AES) Джулианом Данном (Julian Dunn) в начале 90-х. Здесь можно ознакомиться с посмертной публикацией Данна, посвященной данному вопросу.

Строго говоря, не существует цифровых устройств, полностью свободных от джиттера. Любой клок-генератор, задающий частоту дискретизации, формирует поток импульсов, фронт которых будет отличаться от математического идеала.

Уровень и характер джиттера обычно проверяют по спектральной реакции аналоговых выходов ЦАПа на тон, представляющий собой четверть частоты дискретизации — так называемый J-Test signal. Для CD-стандарта (44,1 кГц) высота тона будет установлена на 11025 Гц. Для дискретизации 48 кГц потребуется другой тестовый сигнал с частотой, как уже несложно догадаться, 12 кГц.

Любые артефакты в J-тесте, которые образуются вокруг референсного сигнала, указывают на модуляцию вследствие джиттера. И чем дальше паразитные пики отстоят от основного тона, тем более высокочастотным является характер джиттера.

Поскольку AirPlay использует передачу данных CD-стандарта, то проверять его будем по первому варианту с сигналом 11025 Гц. И, разумеется, собственный джиттер измеряющего устройства должен быть намного ниже испытуемого, иначе в тесте не будет никакого смысла.

Характер джиттера аудиовыхода роутера Airport Express. Имеет место значительный низкочастотный джиттер, а также периодическое смещение частоты основного тона (см. второй график).

Итак, на графике видно, что наш Airport Express показывает целую «юбку» низкочастотного джиттера вокруг основного тона, причем она не выглядит стабильной, постоянно колышется. Бывает, что вместо 11025 Гц пик смещается в ту или иную сторону, допустим, на 11022 или 11030 Гц. Это разнузданное поведение непременно даст о себе знать, когда мы подключим такой S/PDIF-транспорт к внешнему ЦАПу. Доводилась читать на форумах, что некоторые внешние ЦАПы теряли синхронизацию с Airport Express. Вот, видимо, поэтому и теряли. Не хватало сил у PLL в конвертере.

И каким бы High-End этот DAC ни оказался, в силу законов S/PDIF-цепи он является slave-устройством. То есть в буквальном смысле послушным «рабом», частоту тактирования которому задает master-транспорт. Продемонстрируем это на примере отличника — рекордера Sony PCM-D100. Посмотрим на уровень его собственного джиттера при воспроизведении J-Test signal из собственной памяти. Очень хорошо.

Характер джиттера аудиовыхода воспроизводящего тракта рекордера Sony PCM-D100

А теперь в режиме DAC подадим на оптический вход Sony PCM-D100 сигнал от Airport Express и посмотрим изменение джиттера на его аналоговом выходе.

Характер джиттера аудиовыхода рекордера Sony PCM-D100 в режиме ЦАПа, при подаче на его оптический вход сигнала от AirPort Express. Сохраняется смещение частоты основного тона.

Спору нет, это лучше, чем то, что творится на собственном аналоговом выходе Airport Express, но! Здесь мы видим ряд симметричных полос, которые добавились от S/PDIF-приемника Sony PCM-D100. Они относительно невелики, но сохраняются и при подключении других источников по оптике к рекордеру. Как видите, в роли ЦАПа Sony тоже имеет чуть больший уровень джиттера, чем в режиме плеера.

Но в данном случае самое важное то, что референсная частота 11 025 Гц, увы, тоже может смещаться, так же, как велел Airport Express. И ничего с этим не поделать. Хреновое тактирование S/PDIF-транспорта уже не исправить никакой прошивкой — разве что выдрать клок и заменить более точным. Или все-таки можно что-то еще исправить без паяльника?

Давайте попробуем не спешить выводить J-Test signal наружу в аналог. Пока просто запишем его с AirPort Express непосредственно в память рекордера Sony PCM-D100. А затем воспроизведем содеянное. О чудо! Все блуждания и боковые полосы частот пропали, а опрятная картинка вернулась.

Теперь Sony PCM-D100 выводит переданный от Airport Express сигнал, но уже из своей памяти и опираясь на собственный клок. Что-то подобное, но только «на лету», выполняют ЦАПы снабженные специальным SRC-ресемплером для отвязки от часов транспорта.

Однако устройств с подобным функционалом на рынке предлагается довольно мало. А самое главное, даже там, где используется реклокинг, отсутствует диагностическая информация. Какова была фазовая погрешность входящего потока транспорта и стоило ли ее пересчитывать? Пользователю совершенно не очевидно, кого в этой паре назначить «мастером». Так что окончательный выбор опять приходиться делать на слух.

Итак, мы видим, что S/PDIF-источник с ужасным джиттером может испортить показатели любого прекрасного ЦАПа. Но при этом на уровне цифрового домена все еще сохраняется способность транспорта передать информацию без ошибок. Иными словами, все хорошо, пока сигнал бежит себе в виде кода. Все беды начинаются на рубеже преобразования PCM в аналог. Поэтому очень важно расколдовать этот код с должным тактом. Сверим часы!

Оригинальный материал на сайте stereo.ru:
Джиттер всемогущий