Jitter知识--时基/时基抖动

什么是JitterJitter知识
原著：Charles Altmann
编译：王轩骞(hotpoint)
Chapter 1：什么是jitter
Episode 1:什么是jitter
所谓jitter就是一种抖动。具体如何解释呢？让我们来看一个例子。假如你有个女友，你希望她每天晚上下班之后7点来找你，而有的时候她6:30到，有的时候是7:23，有的时候也许是下一天。这种时间上的不稳定就是jitter。如果你多观察这种时间上的不规律性，你会对jitter有更深一些的理解。
在你观察的这段期间内，女友最早和最晚到来的时间被称为“jitter全振幅”（peak to peak jitter amplitude)。“jitter半振幅”（jitter-amplitude）就是你女友实际来的时间和7点之间的差值。女友来的时间有早有晚，jitter半振幅也有正有负。
通过计算，你可以找出jitter半振幅的平均值，如果你能够计算出你女友最有可能在哪个时间来，你就可以发现女友来的时间是完全无规律的（随机jitter radeom jitter）还是和某些特定事情有关系（关联jitter correlated jitter）。所谓关联jitter就是比如你知道你的女友周四要晚来，因为她要去看她的妈妈。如果你能彻底明白这点，你就已经是一个correlated jitter的专家了。
Episode 2：什么是时基抖动（Clock jitter）
在数字音频中，我们要直接和数字信号的发送与传输打交道。声音以二进制编码被储存在光盘或者DAT卡带中，在回放音乐的时候，这些010101的信号被送进DA转换器(Digital-Analog converter）并被还原为模拟波形信号；在录制数字音频的时候，一个参考时钟信号会和音频信息一起被送进AD转换器（Analog-Digital converter），转换器把模拟信号转换为0101的数字信号并且记录下来。
数字信号总是和一个参考时钟信号一起传送并且记录，一些数字音频传输格式如S/PDIF和AES/EBU，它们在一个信号中同时传送数据和时钟。数字音频的时钟信号是一种方波（square-wave），并且在频率以及振幅上被进行了修正，而且它的占空比要达到50%。信号的改变（方波波形的高低变化即电平的高低）记录着时钟信息。
如果信号传输所用的时间不相等，那么就产生了时基抖动，实际上，世界上是没有任何一个不存在时基抖动的电路（就好像你的女友不可能总是以1/1000秒的精确时间到达：）现在，你已经具备了时基抖动基本知识，下面，让我们看一些更深层的。
Joe Adler是这样定义时基抖动的：“对于数字信号在时间上正确位置有重大影响的短时间的改变。”（"Short-term variations of the significant instants of a digital signal from their ideal positions in time"）在Adler的这篇文章中，他还讲了关于如何测量jitter的技术。
Episode 3：什么产生了jitter
需要精确的东西都是越精确越难以做到。在后面的文章中，你将了解到，数字音频需要非常非常高的时钟精确度，因为我们的耳朵对于声音的质量似乎异常敏感。因此，为了得到最精确的结果，我们需要非常精确的测量仪器。通常，数字音频设备的时钟都是由非常精密的晶体振荡器产生的。
正如Mike Story说的：“基于晶振（晶体振荡器以及压控晶体振荡器产生的）产生的时钟具有非常的低的jitter，但是jitter仍然存在。”（"Crystal based clocks (XCO′s, VCXO′s) generally have the lowest jitter - but they still have some." ）“在设备中还有其他产生远比压控晶体振荡器产生更多jitter的jitter源。”（"There are other sources of jitter inside equipment that may contribute substantially more than the VCXO."）这里所说的其他jitter源主要是电源供电部分产生的电压波动，这些波动对于DA转换器是很致命的，它会导致转换点在逻辑上发生时间变化（causing variations in logic level switch points）。
Episode 4：CD player里面到底发生了什么
如果电源噪音（电压波动）导致切换点逻辑上的时间抖动，那么播放器（CD，MD，DVD，DSD，DAT）里面到底发生了什么？
一个简单的CD播放器里面有多个马达，驱动电路以及控制电路。为了能够正常读取盘片，机器要做以下工作：首先，主轴马达驱动CD盘片转动并达到预定速度，控制光头位置的定位马达驱动光头定位到预定轨道上，最后，驱动回路控制光头聚焦，光头发射激光并且接收反射信号。每一个马达和回路都会增加电源噪音，这些噪音直接影响DA转换器的内部工作状态。所以，每一个马达和回路都会为数字信号增加另外一种jitter（频率，振幅以及波形上的不同），这些干扰通过不同方式都会影响到声音的质量。
如果你明白了以上原理，我就可以给你解释那些HIFI爱好者以及录音师争论得很激烈的以下问题：
1，为什么不同的CD镇片（就是主轴上面用来固定盘片的铁片）会造成听感上的不同。
2，为什么一些转盘制造厂商使用皮带传动
3，为什么不同的转盘音质不同
4，为什么一些厂商在转盘中使用stray light(???)
5，为什么一些类似“消磁作用”的产品对转盘有效果
6，为什么不同的存储介质音质不同，尽管他们记录的都是0101的数字信号
答案主要是如下几点：
一些CD播放器或者CD转盘价格非常昂贵的原因是他们将整个解码系统源头，即读取设备产生的jitter降低到了最小。为此，它们需要使用非常稳定和干净的电源，多路供电，精确的时钟生成电路以及造价昂贵的机械结构。在后面，我们将在价格因素尽量小的情况下比较jitter的影响。但是，如何确定上面说的这些可以全面的解释jitter到底是什么呢？我们将在“jitter听起来是什么样子”用具体讨论。让我们先关注一下别的。
Episode 5：产生jitter的源
jitter可以分为两种：交界面产生的jitter（interface jitter）和采样中产生的jitter（sampling jitter）。交界面产生的jitter可以进一步被划分为传送过程中产生（transmitter jitter）的（比如为了把数字信号输出到转盘外部所产生的）和线材引起（line induced jitter）的。当我们把CD的数字输出和外部的DA转换器连接在一起的时候，不管使用同轴线缆，还是TOSLINK光纤接口，或者SToptical接口，都将在源信号中引入jitter。有趣的是，不同的接口会引入不同类型的jitter（波形，频率，振幅以及相关性上的不同）。具有了以上知识，你已经可以回答以下问题：
1，为什么不同的数字接口（光纤，同轴）音质不同，尽管他们传送的都是相同的信号。
2，为什么线材长度会直接影响音质。
3，为什么不同厂家生产的同样长度的同轴线缆音质不同。
这些都是线材引起的jitter。
Episode 6：采样jitter（sampling jitter）
在声音再生的过程中，我们通过许多方法削弱在DA转换器之前产生的jitter，对于这个，我们将在“如何消除jitter”中具体讨论。但是你应当知道，如果在数字信号的录制过程中jitter就已经产生了这怎么办呢？答案很简单，重新录一份：)数字录音过程中产生的时基抖动究竟是怎么一回事呢？答案是正确的采样记录在了时间轴错误的位置上。而在录音之后，这是jitter完全不可以被矫正的。传输过程产生的以及线材引起的jitter对于整套数字录音系统的品质有至关重要的影响。作为数字录音系统的主要器材，AD转换器的时钟发生器会夹杂相当数量的jitter。这些夹杂着jitter的时钟信号通过数字线路，被传送到AD转换器中，而在这个过程中，又会引入线材产生的jitter。这些带有jitter的信号会成为参考时钟信号被送入AD转换器，并且决定信号采样点的位置最终记录下来。AD转换器内部的电路可以削减一部分外部产生的jitter，但是它不能去掉全部。因此对于录音师来说，AD转换器时钟信号中引入越少量的jitter，最终得到的记录质量就越好。Bob Katz在他的文章中这样说：“模拟－数字转换器是整套数字音频电路中最容易受到jitter影响的部分。”（"The A to D Converter is one of the most critical digital audio components susceptible to jitter"）
对于低成本的设备来说，使用内部的参考时钟的AD转换器可以避免因数字接口以及参考时钟和外部转换器之间产生交界面jitter，但是如果需要在已有的音轨后面添加新的内容，那么就需要同步AD转换器和已经录制的音轨。这种情况下，你就需要一个外部参考时钟。高质量的录音工作室通常使用高精度（通常是可以控制的）的参考时钟来同步AD转换器。如果你有一个好的时钟发生器，它会大大减少传输过程中产生的jitter，但是你仍然要和传输过程中线材引起的jitter做斗争。

 

 

Jitter：一般翻译作时基误差，是数字音讯播放音质劣化的原因之一。Jitter会造成声音的改变，成因并非振幅信息本身的错误，而是时间部分出错。在前文数字化的过程中我们知道一个采样点包括振幅和时间这两项信息，而Jitter造成振幅没有在准确的时间呈现出来就使得波形扭曲。在普通的CD唱机中，由于读取机构是由信息流量来判断转速是否合适，而电路的工作时基又是以读出的一连串数字信号的多少来决定，因此当转速不稳定时，每秒读出的信息数量就有误差，而电路工作时基就受到影响，由电路工作时间所决定的各个采样点的出现时间与实际的时间就产生误差，这就是Jitter的成因之一。还有很多影响工作时脉的因素可能造成Jitter，例如音乐CD的重量与厚度是否均匀影响转动稳定性、反射面的材质、石英震荡的品质、CD转盘到DAC解码器之间的连接线都会造成Jitter。避免Jitter发生最直接的方法就是re-clock，将接收的数字信号先存到缓冲存储器中，在精确的时钟工作下重新送出这些数字信号，并且让后续的数字电路以这个时钟为工作基准。有些Hi-End器材使用不同于普通S/PDIF的单线数字传输接口，加入了包含时钟信号的接线。而S/PDIF将工作时基信息藏在信息的变化中，因此信息流量会影响工作时脉。
　　
　　为了让读者对Jitter有更深刻的认识，在此提出一个相关实验：准备一张音乐CD，通过这张母盘再复制一张音乐CD，然后用抓音轨软件检查确保这两张音乐CD的信息内容相同。可是，放入CD唱机中聆听时却发现两张CD的音质还是有很大差异。开始笔者猜测是因为CD唱机的读取机制不如计算机光驱精确，尝试用Digital Audio Labs公司出品的专业声卡CardDeluxe录制从CD唱机数字输出（SPDIF Out）的数字录音信号，再经过多次对比，我们发现数字录音的结果与直接抓音轨的信息内容相同，也就是说CD唱机读取信息内容并没有问题，而影响音质的主要原因就是Jitter——单位时间信息流量不稳定的变动造成Jitter，但这些信息内容本身并没有出错，因此不能单从数字录音的信息发现错误。