Jitter in audio-apparatuur – wat is het en wat doet het?

In deze aflevering rondom d/a-converters gaan we in op jitter. Wat is jitter precies? Welke typen jitter zijn er en niet onbelangrijk: wat zijn de consequenties van jitter als het gaat om muziekreproductie? 

Bij Alpha Audio zijn we vrij regelmatig bezig met het meten van jitter (en phase noise). De reden is dat we vrij gemakkelijk de impact van externe factoren kunnen zien aan de hand van verhoogde of verlaagde jitterwaarden. We gebruiken daar zowel de Wavecrest SIA3000 voor als de Aeroflex PN9000 (phase noise). Beide apparaten hebben voor- en nadelen, maar gezamelijk krijgen we vrij goed inzicht in wat er gebeurt.

Wat is jitter?

Als we jitter plat slaan, is het niets meer dan een afwijking in een (klok)signaal dat constant hoor te zijn.

Jitter is dus vooral van toepassing op signalen die een digitaal circuit timen. Denk aan het verzorgen van een timing-signaal voor een dac-chip. Als dit signaal – of dus beter: kloksignaal – bijvoorbeeld op 11,2 MHz moet werken, maar er zit een kleine variatie in, dan zal de dac-chip soms te vroeg en soms te laat een conversie doen. En dat zorgt voor vervorming van het audiosignaal.

Jitter wordt doorgaans gemeten in picoseconden of soms zelfs femtoseconden. Dat zijn zéér, zéér kleine afwijkingen. Echter weten we inmiddels dat het hoorbaar is. Afwijkingen van een paar picoseconden kunnen we waarnemen.

Nu zien we in specificatie-sheets veelal maar één waarde voor jitter. Er staat bijvoorbeeld: 10ps jitter. Héél soms zien we ook de phase-noise beschreven. Dat gebeurt in dBc/Hz. We leggen later het verschil voor u uit.

Het punt is: jitter kan worden uitgesplitst in meerdere segmenten. Het is niet zomaar uit te drukken in één waarde. Als er dus niet bij staat welk segment het is, hebben we er niet zoveel aan. In veel gevallen gaat het om de 1-Sigma waarde, maar goed: dat is onze aanname na talloze metingen en vergelijkingen met de specificatie-sheets.

Meetwaarden voor jitter

Absolute jitter

De absolute jitter geeft aan wat de afwijking is van de positie van de flank ten opzichte van het ideaal. Bij de Wavecrest zien we hier de uitschieters. De SIA-3000 geeft ook nog in het histrogram en de avg-jitter aan wat de gemiddelde afwijking is.

Cycle Jitter (Period jitter)

Cycle jitter geeft de variatie in duur van opeenvolgende klokcycli aan. Het meet dus de tijdsduur van een cyclus en geeft de verschillen aan ten opzichte van het gemiddelde of ideaal.

Cycle to Cycle

Dit is de variatie in tijdsduur van een cyclus ten opzichte van elkaar. (dus opeenvolgende cycli).

Soorten Jitter

Random Jitter

Random jitter – de naam zegt het eigenlijk al – is een onvoorspelbaar component binnen jitter. Het wordt ook wel Gaussian jitter genoemd. Random jitter kan veroorzaakt worden door zaken als thermische ruis.

Deterministic Jitter

Deterministische jitter is wél voorspelbaar en reproduceerbaar. Het wordt veroorzaakt door zaken die we kunnen controleren. Denk aan interferentie, schone voeding en bijvoorbeeld crosstalk.

Total Jitter

Total jitter is de som van random jitter en deterministische jitter.

Phase noise

Phase noise hangt samen met jitter. U kunt het beste zien dat phase noise jitter visualiseert in het frequentiedomein. Jitter specificeert klokstabiliteit in tijd. Phase noise beschrijft de variaties (ruis) in de fase van een signaal als functie van frequentie. Vandaar ook de eenheid dBc/Hz. Deze waarde komt dan ook op een bepaalde ‘offset’ van de carrier (draaggolf). Bijvoorbeeld -110 dBc/Hz bij 10 Hz. Daarmee bedoelen we dat de ‘noise’ -110 dBc/Hz is bij 10 Hz van de carrier (draaggolffrequentie). Bijvoorbeeld 20 MHz.

Uit de phase noise is jitter te berekenen. De Aeroflex PN9000 heeft daar bepaalde gereedschappen voor. De rms-jitter die we berekenen komt meestal wel redelijk overeen met wat we op de Wavecrest zien.

Waarom zouden we dan zowel jitter als phase noise willen meten? Het zijn twee manieren om naar iets te kijken. Phase noise plot op frequentie. Jitter plot op tijd.

Hoe is jitter hoorbaar?

Nu u een beetje inzicht hebt in welke soorten jitter er zijn en wat de overeenkomsten en verschillen zijn tussen phase noise en jitter, kunnen we ingaan op het effect.

Hoe jitter zich uit, is verschillend. Het ligt er namelijk ook aan wat een fabrikant heeft gedaan om jitter te onderdrukken. Er zijn diverse ‘anti-jitter-circuits’. Denk aan buffers, phase locked loops, of andere ‘dejitter’ technieken. Denk aan reclocking, geavanceerde oversampling, etc…

Fabrikanten plakken daar allerhande mooie namen op, maar feit is: het is vaak een combinatie van een phase-locked-loop en een elastische buffer die het signaal tijdelijk opslaat en daarna herklokt weer doorstuurt. En dat werkt. Maar het lost niet alles op. Laagfrequente jitter is vaak nog aanwezig. En laat dat nu nét de jitter zijn waar audio last van heeft…

In veel gevallen is jitter hoorbaar in scherpte (vooral t’s en s’en), verlies van detaillering en vloei in de weergave en een plat en slecht gefocust stereobeeld. Kortom: alles wordt wel beïnvloed. Echter wat er meestal direct uitspringt, is scherpte.

Het vervelende is dat veel mensen deze eigenschappen associëren met digitale bronnen. Analoog zou beter zijn, omdat het deze eigenschappen niet kent. Echter hoeft een digitale bron deze eigenschappen ook niet te hebben. Als een fabrikant simpelweg aandacht besteedt aan een fatsoenlijk klokcircuit, dan is de basis in ieder geval in orde.

Volgende aflevering

In de volgende aflevering gaan we eens kijken naar up-en oversampling. Wat is het? Wat zijn de verschillen? En wanneer heeft het zin?