Daten-induzierter Jitter

Musikwiedergabe über PC und Mac
Fortepianus
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Daten-induzierter Jitter

Beitrag von Fortepianus »

Zunächst kurz, wie das Signal aussieht (die Bilder sind aus der AES/EBU-Spec Tech. 3250-E Third edition):

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Es zählt nur die Flanke, egal, ob von High nach Low oder von Low nach High. Die Vorschrift ist, dass für eine logische Eins beim ersten Taktzeitpunkt der Zustand gewechselt wird, und beim nächsten Taktzeitpunkt auch. War also der Zustand vorher 0, wird die Eins durch 10 dargestellt. War vorher 1, ist es 01. Für eine Null wird beim ersten Taktzeitpunkt gewechselt, beim zweiten nicht. War vorher 0, ist es 11. War vorher 1, ist es 00.

Solche Doppel-Bits (Biphase codiert) gibt es 32:

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Die ersten 4 Bit sind der Vorspann, und daraus wird der Takt rekonstruiert. Der Vorspann wird daran erkannt, dass die eigentliche Vorschrift, dass nach spätestens zwei Taktzyklen der Zustand gewechselt werden muss, bewusst verletzt wird. Kommt nämlich dreimal hintereinander der gleiche Zustand, befindet man sich am Anfang des Frames. Er kann die Struktur X, Y oder Z annehmen:

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X, Y und Z ist dafür da, dass man die gesendeten Status Bits, in denen Taktfrequenz, Emphasis usw. drin steht, in die richtigen Bytes einsortieren kann - davon gibt's 24 für jeden Kanal. Vorspann X sieht also z. B. so aus:

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Je nachdem, wieviele Nullen oder Einsen gesendet wurden, kann es sein, dass ein Offset vom idealen Mittelwert 0,5 übrigbleibt - diesen Offset kann man mit dem Paritybit ausgleichen, wenn nötig. Man kann das Signal also DC-frei übertragen, zum Beispiel mit den beiden Zuständen +0,2V und -0,2V oder auch +5V und -5V.

Mal angenommen, der Takt, der dies steuert, sei ideal präzise. Wodurch sollte dann ein Jitter entstehen? Da lässt sich doch genau sagen, wann's losgeht!

In der Theorie ja, in der Praxis nein. Nehmen wir mal an, wir wollen die Bitkombination 1-0 oder 1-1 senden. Ich habe mal hingemalt, wie das biphase codiert aussehen könnte:

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Oben die ideale Welt für 1-0 und 1-1, darunter die reale. Der Übertragungskanal unseres Signals hat eine untere und eine obere Grenzfrequenz. Die obere bewirkt, dass die Flanken nicht unendlich steil (also senkrecht) sind. Die untere Grenzfrequenz bewirkt, dass das Signal nach einem Zustandswechsel wieder absinkt (das Dach ist kein ideales Flachdach, sondern sinkt mit einer fallenden e-Funktion ab). Schaut man sich jetzt den Zustand am Ende von 1-0 an, sieht man im Gegensatz zur idealen Welt einen Offset, der durch die untere Grenzfrequenz bedingt ist. Welche Flanke auch immer nun zur Taktrekonstruktion heran gezogen wird - irgendwo liegt die Schwelle, ab der das Signal als "es hat gewechselt" erkannt wird. Wäre nun die Flanke exakt senkrecht (= unendliche hohe obere Grenzfrequenz), wäre es egal, mit welchem Offset das Signal daher kommt. Im unteren Bild sieht man aber, dass ein Offset im Signal bei endlicher Anstiegsgeschwindigkeit einen anderen Zeitpunkt zur Folge hat, an dem die Erkennungsschwelle überschritten wird.

Über lange Zeit betrachtet ist der DC-Offset natürlich Null. Aber von Frame zu Frame kann ein kleiner Offset entstehen, dessen Größe vom Signal selbst abhängt, wie im Beispiel für 1-0 und 1-1 gezeigt. Da ist er! Der dateninduzierte Jitter!

Er ist um so ausgeprägter,

1. je langsamer der Anstieg der Signalflanke ist, und
2. je schneller das Signal nach einem Flankenwechsel wieder absinkt.

Zu 1. In der Spec steht, dass die Signalanstiegszeit zwischen 5ns und 30ns betragen soll. Je schneller, desto mehr Störstrahlung, je flacher, desto mehr Jitter. Ich klopf' deshalb die Pulse mit 1ns raus, da kenn' ich nix.

Zu 2. Das ist nun ein ganz interessanter Punkt - die schrägsten "Dächer" gibt's nämlich, wenn man einen Trenntrafo verwendet. Das gehört ja zum guten Ton, es trennt ja auch galvanisch (Stichwort Masseschleife), und für so manches Haienten-Trafölein kann man ordentlich Geld ausgeben. Bis ich die Zusammenhänge begriffen hatte, habe ich mich immer gewundert, warum die symmetrische AES/EBU mehr Spektakel auf meinem in der DAC-Vorstellung beschriebenen Jittermonitor verursacht als die eigentlich verpönte S/PDIF. Es liegt am Trenntrafo (in AES/EBU Vorschrift) und seiner hohen unteren Grenzfrequenz. Die Trenntrafos haben in der Studiowelt natürlich ihre Berechtigung (Thema Masseschleifen). Heute verwende ich die symmetrische AES/EBU, aber unvorschriftsmäßig ohne Trenntrafo.

Ich hoffe, ich konnte ein wenig zur Verwirrung beitragen :P

Viele Grüße
Gert
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SirAeleon
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Beitrag von SirAeleon »

Hi Gert,

Bis jetzt sind alle Klarheiten beseitigt. :mrgreen:

Ernsthaft: eine superklasse Erklärung (für mich zumindest), die ich so nicht nur verstanden habe sondern mir auch neue Einsichten bringt. Bisher hielt ich einen Trenntrafo nämlich für den Königsweg.

viele Grüße und besten Dank

Chris
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Fortepianus
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Beitrag von Fortepianus »

Hallo Chris,
SirAeleon hat geschrieben:Bisher hielt ich einen Trenntrafo nämlich für den Königsweg.
ja, ich auch! Ich habe die Trenntrafos auch bei der normalen S/PDIF rein gemacht, gehört ja zum guten Ton :roll: . Aber den kleinsten dateninduzierten Jitter habe ich ohne Trafo hingekriegt.

Gruß Gert
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wgh52
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Beitrag von wgh52 »

Hallo Gert,

ich bin dabei einen digitalen SP/DIF Quellenumschalter von FUNK zu kaufen.

Was bringt dieses Gerät "jitterproblematikmässig". Irgendwelche Vorteile?

CAS-2_V3-SE-Jitter-Diagramm

CAS-2_V3-SE Beschreibung

CAS-2_V3-SE technische Daten

Danke und Gruss,
Winfried
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Fortepianus
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Beitrag von Fortepianus »

Hallo Winfried,

das Gerät macht den Daten nach zu urteilen einen sehr guten Eindruck.
wgh52 hat geschrieben:ich bin dabei einen digitalen SP/DIF Quellenumschalter von FUNK zu kaufen. Was bringt dieses Gerät "jitterproblematikmässig". Irgendwelche Vorteile?
Keine Nachteile, würde ich sagen :D. Die Taktungenauigkeit eines Eingangssignals wird meiner Meinung nach nicht verändert. Dazu müsste das Signal z. B. in einen FIFO (Zwischenspeicher) und dann mit neuem Takt wieder ausgelesen werden. Das Synchronisieren dieses neuen Auslesetaktes ist aber nicht trivial, das war ja das Hauptthema bei meiner DA-Wandler-Vorstellung. Variante zwei wäre ein asynchroner Sampleratenkonverter (ASRC) - aber für meinen Geschmack ist das erst dann gut, wenn man den ASRC schon auf der Eingangsseite mit einem "gesäuberten" Takt versorgt, wie vorgestellt. Macht man nur einen ASRC rein und liest die Daten mit dem Wackeltakt des Eingangssignals ein, hat man zwar hinten einen supersauberen Ausgangstakt. Man hat aber gewissermaßen die Taktungenauigkeit in eine Datenungenauigkeit übersetzt. Mit Filterwirkung, klar, aber wenn das Datum einmal falsch ist, ist es das für immer. Einen wackeligen Takt dagegen kriegt man mit entsprechendem Aufwand wieder hin. Deshalb finde ich übrigens die kürzlich diskutierte Modifikation des Sonos mit einem ASRC nicht besonders glücklich.

Lange Rede, kurzer Sinn: Das Gerät sieht gut gemacht aus und fügt dem Signal keinen nennenswerten Jitter hinzu.

Viele Grüße
Gert
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wgh52
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Beitrag von wgh52 »

Hallo Gert,

Danke für den netten Rat! Soweit ich weis, wird das Gerätchen seit Jahren gerne in Studios eingesetzt, die HiFi Enthusiasten sind für FUNK ein (allerdings wachsender) Nebenmarkt.

Gruss,
Winfried
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Kienberg
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Beitrag von Kienberg »

Hallo Gert,

danke für die schöne Darstellung des Zeitdeltas bei der Erkennung der log. "1", was ja den Jitter impliziert.
Naja und Trafos im Signalweg, die konnte ich schon vor Jahrzehnten bei den Röhrenendstufen aus klanglicher Sicht nicht ausstehen, eine stete Quelle von Eigenklang, den ja manche Hochender sogar schön finden. :wink: :mrgreen: Ein Eisenkern macht halt immer was er will, und das noch dazu zeit- und temperaturabhängig. Es erstaunt mich, dass sie auch noch in der digitalen Welt uns "in die Suppe" spucken.

Christoph Zingel hat bei einer Präsentation bei Silbersand ausgeführt, dass die USB-Schnittstelle, im Gegensatz zu S/PDIF, wesentlich weniger anfällig für Jitter wäre. Das wurde allerdings von einigen hier bezweifelt.

Wie ist den Deine Meinung/Erfahrung zum Thema Jitteranfälligkeit S/PDIF vs. USB ?

Ich lese an meinen Denon Prepro die files direkt vom USB-LW ein (also ohne PC, daher auch ohne S/PDIF-Interface dazwischen) und das Klangbild ist bei allen CDs sowohl in der Raumabbildung als auch in der Darstellung der Klangfarben deutlich besser, was ich auch auf eine Reduzierung des Jitters zurückführe.

Gruss Sigi
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JoeBroesel
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Beitrag von JoeBroesel »

Hi,
so wie ich es verstanden habe, wird im professionellen Einsatz der Takt separat übertragen. Das habe ich früher selber so gemacht. Der Takt wird nicht aus den Signalen gewonnen, sondern separat erzeugt, und über separate Leitungen allen zur Verfügung gestellt.

Aber das war ja auch kein SPDIF.
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Kienberg
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Beitrag von Kienberg »

JoeBroesel hat geschrieben:Aber das war ja auch kein SPDIF.
Hallo Joe,

was war es denn dann ?

Die S/PDIF (Sony/Philips-DigitalInterface) ist halt eine typische "Quick and Dirty" Schnittstelle für die Consumer-Elektronik, die auch nicht mehr weiterentwickelt wird. Die Zukunft gehört bei HD-Formaten eben der HDMI-Schnittstelle.
Leider wird aber von den HighEnd Audioherstellern bis dato HDMI völlig vernachlässigt.
Nur die Japaner machen da bisher Nägel mit Köpfen (Denon, Marantz, Yamaha, etc), AudioNet, Lexicon, Meridian und Co. bisher: FEHLANZEIGE....leider. :oops:
Verkehrte Welt, dass gerade die selbsternannten Audiogurus meinen, man bräuchte die HD-Formate nicht.

Gruss Sigi
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JoeBroesel
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Beitrag von JoeBroesel »

Hallo Sigi,
bei mir war es ADAT. Ich habe auch jetzt noch den PC per ADAT mit der Stereoanlage verbunden.

Nachteil: 192 kHz gehen nicht.
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Fortepianus
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Beitrag von Fortepianus »

Hallo Sigi,
Kienberg hat geschrieben:Wie ist den Deine Meinung/Erfahrung zum Thema Jitteranfälligkeit S/PDIF vs. USB ?
sorry, mit USB habe ich leider (noch) gar keine Erfahrung. Musik von der Festplatte kommt bei mir als .flac über's Sonos und dann via S/PDIF in den DAC.

Viele Grüße
Gert
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Kienberg
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Beitrag von Kienberg »

Hallo Joe, hallo Gert,

danke für Euer Feedback.

Wg S/PDIF habe ich noch keinen Sonos in Betrieb genommen.
Ich warte halt weiterhin auf Denon, die werden hoffentlich bald einen Streaming-Client mit Denon-Link III oder IV bringen.
Beim neuen DVD/SACD/BR -"Überplayer" wird ja DNLK IV dazu verwendet, den Jitter der HDMI-Schnittstelle zu eliminieren.

Gruss Sigi
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Fortepianus
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Beitrag von Fortepianus »

Hallo Sigi,

habe mir zumindest mal grob die USB-Schnittstelle angesehen. Wenn ich das richtig verstehe, muss wie bei S/PDIF der Takt rekonstruiert werden. Allerdings hat die physikalische Übertragung meiner Meinung nach einen großen Vorteil: Sie ist nicht DC-frei, kann also nicht wie S/PDIF mit ihren Leveln dorthin schwimmen, wohin es ihr der (Daten-bedingte) DC-Offset und die untere Grenzfrequenz vorgeben. Es gibt klar definierte Level, nämlich TTL. Das Protokoll wird differenziell im Gegentakt übertragen auf zwei Leitungen.

Damit dürfte, wenn ich das richtig verstehe, der Daten-induzierte Jitter zumindest durch den Mechanismus, den ich bei S/PDIF gezeigt habe, keine Rolle spielen.

Interesant finde ich übrigens, dass das Hauptübel der S/PDIF, nämlich genau diese Jitterart, bei den üblicherweise gemachten Jittermessungen gar nicht auftaucht. Dazu müsste man nämlich nicht die über einen bestimmten Frequenzbereich gemittelte zeitliche Schwankung des Signals ansehen, sondern das Jitterspektrum genau analysieren bzgl. Seitenbändern, die durch das Nutzsignal verursacht sind. Das aus dem allgemeinen Rauschsignal raus zu lesen ist so ähnlich wie Kaffeesatz lesen. Deshalb ist ja die einfache Methode, mit der ich - wie beschrieben - bei mir das Jitterverhalten beurteilen kann, so effektiv: Das Ohr ist ein prima Spektrumanalyser! Und zwar nicht, wie beim Messgerät, nur zu einem eingefrorenen Zeitpunkt, sondern zeitaufgelöst, kontinuierlich. Ich merke gerade, dass ich dabei bin, eine technische Beschreibung des Hörvorgangs zu versuchen :). Dem Gehör jedenfalls fällt der Daten-induzierte Jitter der S/PDIF-Übertragung sofort auf, wenn man das in den Hörbereich verschobene Taktsignalspektrum anhört. Bei einem gemessenen Jitterspektrum dagegen muss man sehr genau hinsehen und ein geeignetes Testsignal verwenden, um ihn zu finden.

Mit der digitalen Audio-Übertragung bei HDMI habe ich auch noch keinerlei Erfahrung. Man hört aber ein allgemeines Gejammer im Netz darüber, dass die Schnittstelle so jitteranfällig sei? Was weißt Du darüber? Oder sonst jemand?

Viele Grüße
Gert
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wgh52
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Beitrag von wgh52 »

Also Gert,

"jetzt mal: Butter bei de Fische" :wink: :

Ich muss z.B. mit dem digitalen Signal ca. 7m überbrücken bis zum D/A Wandler. Was kann ich denn machen, wenn's nur SPDIF als Verbindungsmöglichkeit gibt und ich die Jitterproblematik "loswerden" will??

Danke und Gruss,
Winfried
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Fortepianus
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Beitrag von Fortepianus »

Hallo Winfried,
wgh52 hat geschrieben:Ich muss z.B. mit dem digitalen Signal ca. 7m überbrücken bis zum D/A Wandler. Was kann ich denn machen, wenn's nur SPDIF als Verbindungsmöglichkeit gibt und ich die Jitterproblematik "loswerden" will??
7m Kabel nehmen :roll:

Den Jitter, der am Sender rauskommt, wirst Du natürlich nicht los. Aber Du willst wahrscheinlich auf der Kabelstrecke nicht mehr als unbedingt nötig zusätzlich einfangen, nehme ich an :P

Ein Kabel hat drei unangenehme Eigenschaften in diesem Zusammenhang:

1. Es reflektiert das Signal an den Enden, wenn es nicht exakt mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen ist
2. Es dämpft das Signal frequenzabhängig
3. Es hat eine frequenzabhängige Laufzeit (Dispersion)

Zu 1. Die Signalgeschwindigkeit auf einem typischen Kabel beträgt ca. 20cm/ns (Licht im Vakuum 30cm/ns). Die niedrigere Geschwindigkeit im Vergleich mit Vakuum liegt am Epsilon-r (griechische Buchstaben mit Index gehen hier irgendwie nicht :lol: ). Das, was also am DA-Eingang zurückläuft durch nicht idealen Abschluss, kommt 35ns später am Ausgang Deiner Quelle wieder an. Auch dort wird wieder ein Teil reflektiert, der weitere 35ns später wieder am DA-Eingang ankommt. Also die Signalflanke, die vor 70ns kam, klimpert jetzt auf dem aktuellen Signal rum. Ein Bit ist bei S/PDIF mit 44,1kHz ca. 177ns lang. Bei 7m Kabel ist das also noch nicht kritisch. Erst bei 17,7m Länge würdest Du mit der Reflexion genau die nächste Flanke treffen. Bei 96kHz sind 8,14m kritisch. Also aufpassen, denn genau das willst Du ja unbedingt übertragen, wie wir alle wissen 8) . Bei der Betrachtung haben wir jetzt die zweite, dritte usw. Reflexion nicht berücksichtigt - da der reflektierte Anteil bei ordentlichem Kabelabschluss aber klein ist, kannst Du die Effekte höherer Ordnung getrost vernachlässigen.

Zu 2. Das bewirkt einen langsameren Anstieg der Flanken und damit eine Erhöhung des Daten-induzierten Jitters. Also Kabel mit hoher Grenzfrequenz nehmen. RG59, das klassische S/PDIF-Kabel, ist bei der Länge schon nicht mehr richtig gut. Ein doppelt geschirmtes Satkabel z. B. hat auch 75Ohm und dämpft die hohen Frequenzen deutlich weniger. Gute Schirmung ist zudem wichtig, damit Du keinen Jitter durch Störeinstrahlung von außen kriegst (ein überlagerter 50Hz-Brumm kann auch hässliche Seitenbänder im analogen Signal verursachen).

Zu 3. Hohe Frequenzen kommen später an als niedrige. Die Signalrechtecke kannst Du Dir ja Fourier-zerlegt denken in eine Überlagerung von einzelnen Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen. Die Dispersion bewirkt wie 2. ein Verschleifen der Signalflanken. Kabel mit niedrigerer Dämpfung bei hohen Frequenzen haben in der Regel auch eine geringere Dispersion.

Fazit: Ordentliches Kabel genommen und nicht gerade 8,14m lang gemacht, sehe ich kein Problem.

Viele Grüße
Gert
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