Jitter và ảnh hưởng của nó đến âm thanh

Kính các bác
Sau khi cùng các anh em thảo luận trên diễn đàn về đề tài so sánh giữa âm thanh dùng kỹ thuật analog và kỹ thuật digital thì nhận ra rằng phần đông giới audiophile và người mê kỹ thuật âm thanh analog thường bàn đến hiện tượng Jitter làm ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh dùng kỹ thuật digital.

Jitter đã đường trình bày ở nhiều đề tài nhưng hình như chưa bao giờ được mở thành một đề tài độc lập nên em xin mạo muội mở ra đề tài này mong được các bác hưởng ứng.

Em xin được mở đầu với những câu hỏi thường được đặt ra như

Jitter là gì?

Nguyên nhân chính gây ra Jitter

Ảnh hưởng Jitter đến tín hiệu chính ví dụ như nhạc

Phương pháp giảm thiều Jitter

Và tất nhiên Jitter đến mức nào mới thực sự gây ảnh hưởng không tốt đến âm thanh

.....

Xin mời các bác tiếp

Thân
Dzê

 

Bác mở chuyên mục này hay quá, mong các bác "cao thủ" khai bút, cho phần đông "thấp thủ" chúng em được "khai trí" ạ!
Em xin "dựa cột" đầu tiên.
Kính các bác!

 

Cái này để viết ra cho có đầu có đuôi thì các bác chờ để em tìm tài liệu tham khảo và tóm lược lại cho nó dễ hiểu.

 

Em xin bắt đầu với câu hỏi 1 của bác Dze: Jitter là gì?

Việc truyền dữ liệu trong thiết bị digital thông thường gắn liền với các xung đồng hồ (clock). Dữ liệu số được truyền trên 1 kênh DATA thì đi kèm với nó có thể có 1 hoặc nhiều xung đồng hồ. Các xung đồng hồ này là điểm đánh dấu:

- bắt đầu/kết thúc 1 bit dữ liệu
- bắt đầu hay kết thúc một khung dữ liệu (data frame hoặc data word)

Mỗi xung đồng hồ này được thiết kế là xung vuông (vuông là về lý thuyết còn trên thực thế nó giống hình thang hơn là hình vuông) hoạt động ở tần số cố định.

Jitter là hiện tượng xung đồng hồ nói trên bị méo dạng hoặc bị sai lệch một cách không đồng đều.

Mạch digital xác định thời gian theo cạnh bên của xung đồng hồ (từ trạng thái Thấp --> Cao hoặc Cao --> Thấp) Khi xung đồng hồ bị jitter thì cạnh bên của các xung vuông này bị nghiêng ngả, méo mó, xê dịch làm cho mốc thời gian bị sai lệch tại từng thời điểm.

Đó là khái niệm cơ bản về jitter. Về nguyên nhân gây ra jitter xin xem tiếp hồi sau sẽ rõ.

 

BCK là xung đồng bộ với từng bit dữ liệu. WS là xung đồng bộ với từng khung dữ liệu.

 

Hay quá tiếp tục đi bác Hành tinh ơi !

 

Jitter ảnh hưởng đến tín hiệu nhạc như thế nào? Ở đây em xin mô tả quá trình xử lý diễn ra trong chip DAC cho dễ hình dung.

Hãy hình dung tín hiệu analog có dạng một đồ thị 2 chiều trục x là thời gian, trục y là độ lớn của tín hiệu.

DATA chứa đựng trị số trục y còn xung đồng hồ chính là trục x. Đưa DATA vào chip DAC đồng bộ với xung nhịp đồng hồ thì chip DAC sẽ cho ra tín hiệu analog.

Trong sơ đồ sau đường đỏ là mô tả tín hiệu analog ra khi xung đồng hồ không bị jitter còn đường vàng là khi bị jitter.

 

Cái hình trên em lấy từ tài liệu của Burr Brown. Đến đoạn này hãng có đoạn rất hay như sau:

“How sour, sweet music is when time is broke and proportion kept!”,
Shakespeare, Richard II.

Câu này của Shekespeare em ko dịch nổi ra tiếng Việt tuy nhiên hãng Burr Brown chua thêm rằng "Shakespeare chắc không thể nghĩ là ông đã mô tả hay đến thế về một hiện tượng trong âm thanh digital gọi là “Jitter”.

 

Tiếp tụ theo tài liệu của BB

Jitter gây ra 2 hiệu ứng chính đã được biết đến

1. Tạo ra các hài âm giả

2. Tần số của tín hiệu cơ bản bĩ giãn ra

Sơ đồ sau mô tả thông số SNR của bộ DAC bị ảnh hưởng bởi các mứac jitter từ 1 đến 10 nS

Với công nghệ 16 bit và 8x oversampling để đạt được thông số SNR lý thuyết là 98.08 dB thì jitter phải <2nS

 

hình minh họa xung clock bị jitter.

Cũng theo tài liệu của BB

"Jitter khó có thể đo được trong hầu hết các hệ thống và hiện nay có rất ít thiết bị phân tích jitter."

 

Bác cho em hỏi, khi dùng CD transport và DA rời thì cái tín hiệu digital chạy qua dây Coaxial hoặc Balance có chứa xung clock không ạ ? nếu có thì cơ chế đồng bộ nó như thế nào ? có gặp nhiều khó khăn hơn là khi chạy nội bộ trong CD Player không ?

Xin cảm ơn.

 

Để truyền tín hiệu từ transport sang DAC có nhiều cách khác nhau. Các mà bác Viagraless nói là dùng chuẩn giao tiếp SPDIF. Đâu là format phổ biến nhất.

Theo chuẩn này data và các tín hiệu xung clock được trộn vào nhau theo một cách mã hóa gọi là bi-phase mark code. Trong DAC có 1 con IC nhận tín hiệu SPDIF con IC này có nhiệm vụ phục hồi lại xung clock từ tín hiệu SPDIF đưa vào và từ đó dưa data và các xung clock vaod DAC IC theo định dạng mà DAC IC đó chấp nhận.

Truyền tín hiệu qua SPDIF bị ảnh hưởng khá lớn của jitter vì

1. tần số của tín hiệu SPDIF rất cao (sóng vuông khoảng 2,8mhz) khi truyền qua cáp đồng trục băng thông bị giới hạn nên xung vuông sẽ nghiêng đi và thành dạng gần như sóng sin.

2. Phối hợp trở kháng kém đặc biệt là khi dùng giắc RCA không đảm bảo trở kháng 75ohm

3. mạch phục hồi xung clock có sẵn trong con IC nhận tín hiệu khá tồi.

Do vậy truyền tín hiệu từ transport sang DAC thường bị nhiều jitter hơn là tín hiệu chạy trong đầu CD 1 cục.

Tuy nhiên đó chưa phải là toàn bộ câu chuyện. Người ta cũng đã nghĩ cách giải quyết vấn đề này và có một số giải pháp khác nhau.

Cũng cần đề cập thêm rằng jitter đối với tín hiệu digital có thể "lọc" được để giảm jitter chứ không phải như analog. Analog mà bị méo nhiễu thâm nhập vào thì bó tay không thể lọc ra được nữa.

Lọc giảm jitter cho DAC có ít nhất là 3 cách mà em biết. Tuy nhiên chủ đề này khá là chuyên sâu về kỹ thuật không biết các bác có quan tâm hay không nữa. Các phương pháp này cũng phải rất thạo về mạch digital thì mới thực hiện được.

Những DAC loại high end thì cũng nhiều loại áp dụng những pp lọc jitter như vậy. Có thể bộ DAC của bác Viag có mạch lọc jitter cũng nên. Một đặc tính kỹ thuật của DAC mà ta nên quan tâm là khả năng lọc jitter (jitter rejection)

 

Ấy ấy em đợi mãi để mong được nghe câu này !

Ấy ấy đề tài này quan trọng lắm xin bác đừng bỏ qua không khéo chúng ta lại đi đến ngõ cụt đấy
Cám ơn bác rất nhiều bác ráng viết tiếp đi nhé bác Hành Tinh ới ời !

 

Em tiếp đây ạ.

Để giảm jitter do dùng kết nối SPDIF người ta thường dùng mấy pp sau:

1. Thiết kế thêm mạch Phase Locked Loop chất lượng cao cho IC nhận tín hiệu. Mạch này cần một con XO loại jitter thấp.

2. Thiết kế mạch Asynchronous reclocker. Mạch này cũng cần 1 con XO loại jitter thấp

3. Dùng bộ đệm FIFO buffer cho DAC cũng cần 1 con XO loại jitter thấp.

Phương pháp thứ 3 là một phương pháp mới hiện nay chưa áp dụng phổ biến lắm. Trên lý thuyết nếu DAC có áp dụng phương pháp 3 này thì transport cỏ hay high end sẽ cho âm thanh không khác gì nhau. Tuy nhiên nhiều người vẫn cho biết có sự khác nhau ở mức độ nhất định. Câu hỏi làm sao jitter chạy qua được FIFO buffer chưa có câu trả lời rõ ràng.

Trên thực tế nhiều bộ DAC giá tầm cỡ high end dùng kết nối SPDIF mà không có biện pháp xử lý jitter khoa học. Những bộ DAC này bắt buộc phải xài transport loại high end, kén chọn dây tín hiệu SPDIF nếu không kết quả rất tệ. Nhiều người lầm tưởng nếu DAC khi nghe có phân biệt được rõ chất lượng của transport là DAC tốt. Kỳ thực là dở vì những bộ DAC này chịu jitter kém nên kén transport.

Tuy nhiên các phương pháp xử lý jitter nói trên cũng chỉ có tác dụng giảm jitter xuống ngang tầm với đầu CD 1 cục thôi chứ không thể nào loại bỏ hoàn hoàn jitter. Kể cả bộ DAC có thể không bị nhiễm jitter từ transport sang qua đường SPDIF thì nó vẫn bị jitter ở mức độ nhất định phát sinh trong nội tại bộ DAC đó là jitter do con XO chưa hoàn hảo, các nguồn nhiễu bên trong DAC chưa xử lý triệt để được.

Ngoài mấy pp trên thì còn có thể làm cách khác là không sử dụng kết nối SPDIF mà sử dụng các kết nối đặc biệt do từng hãng thiết kế riêng. Các kiểu này không theo chuẩn công nghiệp nào nên cũng khá đa dạng.

 

muốn mod một con clock trong DAC như phương án 1, 2 ở trên thì làm thế nào ạ?

 

Cách 1 em chưa nghiên cứu kỹ còn cách 2 thì em biết cách làm nhưng làm cái này thì phải mổ xẻ con DAC ra hơi ghê răng đấy ạ.

Cách 3 cũng không khó lắm vì cái này hiện giờ AD và BB đã tung ra mạch tích hợp. Kiểu gì cũng phải mổ xẻ rất là ghê.

Nếu bo mạch của DAC mà là loại 2 lớp thì dễ còn trên 2 lớp thì bó tay luôn ạ vì mạch nó chạy chìm bên trong.

DAC của bác chạy ad1865 thì về mặt thiết kế mạch dễ lắm ạ chỉ cần reclock kênh LE thôi.

 

Bác Hành Tinh ới ời bác có công thức hay số liệu để cho biết tỉ lệ giữa Jitter và chất lượng âm thanh giữa SPDIF và 1 cục không bác?

Đội ơn bác trước.

 

Theo chuẩn AES-3, thì data jitter phải <+/-20nS. Nếu jitter vượt ngưỡng này thì có thể DAC sẽ không nhận được tín hiệu. Đây là trường hợp quá tệ nên yêu cầu tối thiểu này không có ý nghĩ về mặt chất lượng âm thanh.

So sánh giữa SPDIF và đầu CD 1 cục thì khó có chuẩn rõ ràng để so sánh vì cùng là chuẩn SPDIF nhưng có DAC tốt hơn có DAC tồi hơn về khả năng chống chịu jitter. Có nhiều hãng sản xuất con IC nhận tín hiệu SPDIF và chất lượng của chúng cũng khác nhau. Ngay cả khi dùng cùng 1 con IC thì thiết kế mạch cho nó cũng khác nhau giữa các DAC khác nhau nên thông số về jitter sẽ khác nhau.

Ví dụ BB quảng cáo con DIR1703 là jitter cực thấp thì cho thông số là 75ps (typical). Trên thực tế theo em khó có thể đạt được thông số này.

Theo báo cáo của Julian Dunn trình bày trong một hội nghị của AES (Audio Engineering Society, US), với tín hiệu âm thanh 20khz thì jitter trên 20ps sẽ làm giảm chất lượng âm thanh có thể nghe thấy được. Ở tần số thấp hơn thì ảnh hưởng của jitter sẽ thấp hơn. Bài báo cáo cũng nói rằng việc sử dụng digital filter để làm oversampling sẽ cho ảnh hưởng của jitter tăng lên rất nhiều vì khi đó DAC làm việc ở tần số cao gấp 4 đến 8 lần so với 44.1khz. Đây có lẽ là lý do mà nhiều người khi nghe DAC loại non-oversampling cho rằng âm thanh tự nhiên hơn so với có sử dụng digital filter.

 

Lại học hỏi được nhiều kiến thức :idea:
- rút ra được 1 kết luận bổ ích

Viết tiếp đi bác nhé, để a-e mù kỹ thuật như mình có thêm hiểu biết. cảm ơn bác !

 

Em sắp hết vốn rồi bác ơi

Em cũng nghịch ngợm vài món DIY liên quan đến cái jitter này nhưng chẳng có thiết bị gì để đo đạc cả mà chỉ đánh giá theo cảm quan. Bác Dze mà hỏi thông số kỹ thuật là em cũng khó trả lời lắm ạ.

 

nghe đĩa than thôi vậy

 

Bác ráng ... sức thêm 1 chút cho các anh em nhờ mừ !
Khi bác mệt rồi thì ta ... tính tiếp

 

Em sợ hiện tượng điều biên (Amplitude Modulation) của kỹ thuật analog còn đáng ngại hơn nhiều lần cái Jitter này đấy.

Đợi bác Hành Tinh chia xẻ với anh em về cái nạn "Chít Tơ" trong kỹ thuật digital để chúng ta biết thêm thông tin lúc đó dễ dàng so sánh 2 kỹ thuật hơn.

 

Cho đến giờ thì em mới hỉu lơ mơ về cái # nhau giữa cách thức điều biến với kỹ thuật Digital (lượng tử) và Analogue (liên tục) Jitter có thể tạm so với cái méo pha (có t mừ) trong tín hiệu tương tự kô ạ ?

 

Jitter là hình thức của độ Ồn Pha hay ngược lại. Em dịch sát nghĩa là độ ồn pha (Phase Noise) hơn là méo pha (Phase Distortion)

Kỹ thuật nào cho dù digital hay analog khi khóa với 1 tần số chuẩn (Reference Frequency) đều bị ảnh hưởng hiện tượng này.