Джиттер. Теория. Часть 2

Джиттер Теория Часть 2 Оглавление:

  • Часть 1. Введение, виды джиттера, измерения джиттера
  • Часть 2. Джиттер цифрового звукового интерфейса (S/PDIF, AES/EBU)
  • Часть 3. Джиттер при семплировании (ЦАП, АЦП, ASRC)

Джиттер цифрового интерфейса

Интерфейсный джиттер возникает, когда цифровой сигнал посылается с одного устройства на другое. В зависимости от свойств устройств цепи сигнала, джиттер может возникнуть, усилиться, накопиться или ослабнуть. Собственный джиттер передатчиков и приемников, потери в кабеле, шумы и наводки — всё это вызывает джиттер и порчу формы цифрового интерфейсного сигнала.

Формат цифровой передачи звукового сигнала AES3 регламентирует допуски на джиттер. Бытовая версия интерфейса — S/PDIF, описанная в стандарте IEC60958-3:20002, также содержит спецификации на джиттер. Это сделано для предотвращения проблем совместимости устройств, соединяющихся по цифровому интерфейсу.

Собственный джиттер

Если устройство работает автономно или синхронизировано с относительно безджиттерным сигналом, то джиттер, измеренный с передатчика сигнала, обусловлен лишь свойствами самого устройства. Такой джиттер называют собственным или внутренним джиттером (intrinsic jitter).

Уровень собственного джиттера определяется либо фазовым шумом собственного тактового генератора, либо характеристиками восстановления клока в ФАПЧ, если производится внешняя синхронизация.

Возьмем, например, кварцевый генератор, стоящий в CD плеере. Так как устройство работает автономно, джиттер на выходе определяется фазовым шумом тактового генератора и джиттером цифровых микросхем в цепи сигнала. Кварцевые генераторы имеют низкие фазовые шумы, а быстродействующие логические элементы имеют очень низкую флуктуацию времени задержки, так что джиттер мал — зачастую менее 1 пс RMS для частот джиттера выше 700 Гц.

Устройства, рассчитанные на внешнюю синхронизацию с перестраиваемой частотой,
могут иметь генератор управляемый напряжением (ГУН) в качестве клока. В этом случае фазовые шумы намного выше, чем для кварцевого генератора. Собственный джиттер ГУН обычно более 1 нс RMS для частот выше 700 Гц. Однако при восстановлении клока ГУН стоит в цепи ФАПЧ для синхронизации по внешнему источнику и собственный джиттер генератора ослабляется в ФАПЧ.

Собственный джиттер можно измерить даже при отсутствии референсного низкоджиттерного сигнала, если использовать в качестве последнего сигнал, восстановленный ФАПЧ. Характеристики ФАПЧ будут определять точку отсечки НЧ при измерениях. AES3 определяет допуск 3 дБ и частоту среза 700 Гц.

Джиттер, возникающий в кабеле

Другой источник джиттера цифрового интерфейса — неидеальные свойства линии передачи. Затухание в кабеле или несогласованность по импедансу может вызвать потери на ВЧ, что приведет к размыванию фронта импульсов, как показано на графике 7.


График 7. Серым цветом: идеальная форма сигнала AES3.
Голубым цветом: сигнал, прошедший через кабель
На увеличенном фрагменте показано смещение
точки пересечения нуля фронтом импульса

Это может и не стать серьёзной проблемой, если эффект проявится на каждом срезе фронта импульса, так как только повлечет за собой небольшую постоянную задержку в сигнале, что можно проигнорировать.

Однако это может быть только в случае постоянного следования импульсов — если следуют только нули или только единицы. Но реальный сигнал состоит из разных комбинаций битов, так что при порче сигнала в кабеле, это может привести к межсимвольным помехам или межсимвольной интерференции (intersymbol interference).

Проще говоря, импульсы сдвигаются и заходят на места соседних, и чем больше размывание фронтов сигнала в кабеле, тем дальше импульсы от теоретической точки пересечения нуля.

Так как интерфейс AES3 использует один и тот же сигнал для передачи тактового сигнала и данных, возможно возникновение джиттера из-за модуляции данных. Это означает, что нужно изучить закономерности взаимного влияния данных и тактового сигнала. Размывание формы сигнала в результате потерь в кабеле — одно из таких проявлений.

Межсимвольная интерференция


График 9. Межсимвольные помехи сигнала AES3
Черным цветом: 1-1-1
Серым цветом: 1-1-0
Синим цветом: 1-0-0
Голубым цветом: 0-1-0
Пунктирным синим: 0-0-0

На графике 9 показаны варианты сигнала формата AES3, с различными данными в первых трех битах, от 1-1-1 до 0-0-0. Данные закодированы по схеме, под названием двухфазная маркировка (bi-phase mark), также известная как манчестерский код или частотно-модулированное кодирование (Manchester code, FM code), с обязательной сменой уровня перед каждым следующим битом и двукратной сменой уровня в случае «1».

В нижней части показаны сигналы так, как они могут выглядеть после потерь при передаче по кабелю большой длины. Сигналы были получены с использованием симуляции кабеля на измерительной станции Audio Precision System Two. Потери в реальном кабеле могут вызвать тот же эффект: спад высоких частот с увеличением времени нарастания и спада импульсов.



График 8. Структура данных формата AES3. Заголовочная часть Y одинакова в каждом фрейме

В каждом случае данным предшествует заголовок Y, начинающий субфрейм B (График 8). Этот заголовок фиксирован и продолжается 5 битовых периодов (то есть 10 интервальных единиц, 10 UI). В результате этого, независимо от последующих данных сигналы после заголовка имеют примерно тот же самый уровень, так как они перед этим прошли тот же самый путь. Заголовок номинально длится 8 UI, но так как конец предшествующего бита и начало последующего фиксированы схемой кодирования, в результате постоянная часть имеет продолжительность 10 UI.

Черный, серый и синий графики имеют начало смены модуляции в момент времени 1465 нс (9 UI) от времени начала субфрейма, так как они имеют в начале своих данных «1». Голубой и синий пунктирный графики начинаются с «0», так что у них импульс еще не начался. Все пять графиков меняют направление в момент 1628 нс (10 UI), соответствующий концу первого бита (частота семплинга данных 48 кГц, так что 1 UI здесь равен 162,8 нс).

Пунктирные линии «a» и «b» показывают, что моменты пересечения нуля равны 1705 нс и 1745 нс. Более раннее время относится к графикам, соответствующим данным с «1» в первом бите, более позднее — с «0».

В результате потерь высокочастотной составляющей при эмуляции кабеля, переходные процессы увеличиваются, так что точка пересечения нуля смещается примерно на 100 нс. Такое взаимодействие между значением первого символа данных и временем начала второго символа данных называется межсимвольными помехами или межсимвольной интерференцией (intersymbol interference).

Эта интерференция ещё более сложная после второго битового символа (около 2050 нс с начала субфрейма, показана на увеличенном фрагменте графика 9). Здесь четыре различных момента времени пересечения нуля в соответствии с четырьмя возможными сочетаниями первых двух битов субфрейма. Наибольшая разница во времени обусловлена значением второго бита, но есть небольшая разница и в зависимости от значения первого бита.

Джиттер, вызываемый содержимым данных

Джиттером данных (data jitter) называют смещение фронтов импульсов части сигнала AES3, вызванного содержимым данных. Эта форма джиттера часто служит индикатором межсимвольной интерференции.

На графике 9 показан механизм образования джиттера данных, амплитудное значение которого составляет около 50 нс. Джиттер данных также может быть вызван нелинейностью линии связи, так что положительные и отрицательные составляющие фронта импульсов могут смещаться на разные значения.

Джиттер заголовка фрейма

Джиттером заголовка (preamble jitter) называют смещение фронта импульсов в заголовках фрейма AES3. Заголовки фрейма - это унифицированный несменяемый набор данных, используемый для определения начала блока фреймов данных и начала субфрейма (График 8). Заголовок Y в начале второго субфрейма B имеет абсолютно четкую постоянную последовательность битов. Эта неизменяемая часть данных может быть использована для измерений джиттера, так как нечувствительна к межсимвольной интерференции, и поэтому служит индикатором джиттера передающего устройства, а не джиттера, вызванного модуляцией данных.

Джиттер, вызванный шумами и помехами

Если фронты импульсов не размываются из-за потерь в кабеле, время нарастания и спада будет коротким, так что точка пересечения нуля практически не зависит от добавленных шумов. Но в случае длительного переходного процесса, вызванного потерями в кабеле, шумы и помехи «гуляют» по фронту импульса, тем самым, сдвигая точку пересечения нуля фронтом импульса по шкале времени.

Так, шум может изменить время определения фронта импульса. Чувствительность к шуму зависит от продолжительности переходного процесса, что, в свою очередь, обусловлено потерями в кабеле.


График 10. Формат сигнала AES3. Джиттер, вызванный шумами.

Сказанное проиллюстрировано на графике 10, где показано пять идентичных фрагментов Y-заголовка субфрейма B. (Как говорились выше, это неизменяемая комбинация данных нечувствительно к джиттеру данных, что позволяет изучить вызванный шумом джиттер более точно.) Две отметки, «a» и «b», показывают временной диапазон пересечения нуля третьим по счету импульсом. Интервал равен 31 нс. В этом примере производимое шумом отклонение является низкочастотным синусоидальным сигналом с амплитудой около 300 мВ. Такая помеха может быть вызвана линиями питания сети переменного тока.

Джиттер, вызванный шумами в кабеле, напрямую зависит от наклона фронта импульса в точке пересечения нуля. В случае короткого переходного процесса любые помехи не приведут к росту джиттера: изменение уровня сигнала вызовет лишь небольшое смещение по времени.

Замечание: В этом примере была проведена эмуляция длинного кабеля на измерительной станции Audio Precision System Two Cascade. Однако в случае короткого соединения уровень джиттера может быть по амплитуде меньше на несколько порядков.

Учтите, что направление смещения по времени зависит от направления переходного процесса. При нарастании сигнала добавление шума приведет к опережению фронта, тогда как при спаде фронт будет запаздывать. В отличие от джиттера данных, вызванного межсимвольной интерференцией, обсуждаемая форма джиттера больше касается устройств с восстановлением клока по кромке фронта импульса в заголовочной части данных. Так как этот фронт имеет только одно направление (положительный знак производной), смещение по времени последующих фронтов будет суммироваться.

В то же время, есть системы, использующие несколько кромок импульсов в субфрейме, где в равной степени берутся переходные процессы в обоих направлениях. Для таких систем взаимное погашение смещений уменьшает влияние низкочастотных составляющих вызванного шумом джиттера на восстанавливаемый тактовый сигнал. Смещения от высокочастотного шума не обладают такой корреляцией, так что взаимное подавление для ВЧ помех не работает.

Допуск на джиттер

Приемник (ресивер) цифрового звукового сигнала AES3 должен иметь возможность декодирования интерфейсных сигналов, у которых присутствует небольшой уровень джиттера по сравнению с длинной импульсов, которые необходимо декодировать. По мере увеличения уровня джиттера ресивер начинает неточно декодировать сигнал, а впоследствии теряет возможность его декодировать вообще – порой вызывая временное прекращение звука или даже полностью теряя захват цифрового сигнала (lock). Максимальный уровень джиттера до начала появления ошибок в данных называется допуском на джиттер (jitter tolerance).

Как было показано в соответствующем параграфе, ФАПЧ имеет свойства низкочастотного фильтра аналогично маховику: она реагирует на изменения, которые медленнее, чем значение частоты среза, и не обращает внимания на более быстрые изменения.

Допуск на джиттер, следовательно, не зависит от частоты джиттера выше частоты среза ресивера, но при уменьшении скорости дрожания фазы (то есть частоты джиттера), ресивер имеет больше шансов отследить эти измерения.

Это значит, что при низких скоростях джиттера ресивер может среагировать на бОльшие значения джиттера, поэтому допуск на джиттер возрастает. 

 


График 11. AES3. Шаблон допуска джиттера.

По мере приближения частоты джиттера к частоте среза, допуск существенно уменьшается. Это происходит потому, что резонансы в ресивере приводят к тому, что согласование между отклонением времени синхронизации передачи входных данных и приблизительного подсчета времени синхронизации самим ресивером, получается хуже, чем, если бы ресивер совсем не реагировал на джиттер.

Спецификации интерфейса AES3 определяют шаблон допуска по джиттеру, показанный на графике 11. Допуск задается в интерфейсных единицах, UI. Линия на графике показывает нижний предел допуска по джиттеру ресивера к синусоидальному джиттеру на частоте, отложенной по оси X. Обратите внимание — этот шаблон подразумевает, что у ресивера частота среза больше приблизительно 8 кГц. Это значит, что ФАПЧ ресивера не сможет подавить джиттер ниже этой частоты, поэтому сигнал с джиттером проследует дальше. Если необходимо значительное снижение джиттера, нужно использовать вторую ФАПЧ с меньшей частотой среза.

Передаточная функция и коэффициент усиления джиттера


График 12. Передаточная функция джиттера.

При синхронизации устройства от внешнего клока (например, S/PDIF, word clock или синхросигнал видео), джиттер внешнего источника может повлиять на выходной цифровой сигнал. В результате джиттер цифрового выхода равен комбинации этого полученного и собственного джиттера устройства. Хотя зависимость между входным и выходным джиттером может быть достаточно сложной, можно приближенно рассмотреть передачу как простой линейный процесс. Передаточная функция джиттера (jitter transfer function) равна отношению входного джиттера к выходному, как функция частоты джиттера. Отношение называют коэффициентом усиления джиттера (jitter gain) на данной частоте.

График 12 показывает передаточную функцию джиттера для ФАПЧ с частотой среза 100 Гц. Обратите внимание, что на частотах ниже частоты среза коэффициент усиления равен примерно 0 дБ. Выше частоты среза ФАПЧ начинает уменьшать джиттер, с наклоном характеристики 6 дБ на октаву. Данная схема имеет ФНЧ второго порядка в цепи обратной связи с частотой среза 1 кГц, так что выше этой частоты наклон усиливается и становится равным 18 дБ.

Обратите внимание, что ниже частоты среза коэффициент усиления достигает максимального значения, примерно равного 0.5 дБ. Подобное небольшое усиление вполне обычно для частот, чуть ниже частоты среза. Это явление носит название пиковый джиттер или всплеск джиттера (jitter peaking). Оно возникает из-за особенностей фазовой характеристики цепи обратной связи ФАПЧ.

Стандарт AES3 ограничивает коэффициента усиления джиттера значением +2 дБ.

Джиттер от нелинейности

К сожалению, линейная теория передачи джиттера не учитывает нелинейных зависимостей. Так, фазовый детектор ФАПЧ часто имеет мертвую точку, где теряется чувствительность к небольшим фазовым отклонениям. В результате наблюдается дрейф сигнала на выходе ФАПЧ, пока фазовый детектор не заработает и не внесет коррекцию. Этот дрейф вызывает периодическое смещение вперед и назад, порождая джиттер.

Еще одна причина возникновения джиттера по причине нелинейности - это алиазинг высокочастотных компонент джиттера, переносящий паразитные компоненты в низкочастотный диапазон при работе ФАПЧ. Например, при передаче сигнала с частотой семплирования 48 кГц по интерфейсу AES3, составляющая джиттера на 47 кГц даст паразитную компоненту интермодуляции на частоте 1 кГц, в диапазоне, где джиттер не подавляется ФАПЧ. При измерении передаточной функции джиттера это приведет к резкому увеличению коэффициента усиления джиттера, кратного частоте семплирования.

Накопление джиттера

При соединении цифровых звуковых устройств в цепочку, каждое последующее устройство синхронизируется от предыдущего и вносит свой вклад в джиттер. Каждое устройство добавит собственный джиттер, а каждый соединительный кабель внесет джиттер, образующийся в кабеле при передаче. На каждом этапе джиттер также может усилиться или ослабнуть.

Этот процесс называют накоплением джиттера (jitter accumulation). Эффект зависит от характеристик каждого устройства и структуры данных на каждой стадии, и в самом худшем случае джиттер накладывается в наиболее нежелательном варианте. В цепи устройств с восстановлением клока джиттер также в худшем случае накапливается. Как показано в таблице 1, это может привести к значительному усилению джиттера, несмотря на всего несколько стадий передачи сигнала.


Таблица 1. Накопление джиттера в зависимости от усиления джиттера и количества устройств.

Для подсчета максимального значения возьмем джиттер на частотах ниже частоты среза передаточной функции, то есть там, где подавление джиттера отсутствует. Примем, для упрощения, что все устройства имеют одинаковое количество джиттера J (джиттер в кабеле и собственный джиттер). Также представим, что каждое устройство усиливает джиттер предыдущей стадии на то же самое значение, принимая во внимание, что усиления возможно только для частот джиттера вблизи максимума передаточной функции.

Таблица 1 отображает суммарный джиттер для трех цепочек устройств в виде множителя J.

Как мы видим, в случае отсутствия усиления (0 дБ) выходной джиттер просто суммируется. Помните, что это справедливо только для частот ниже граничной, на более высоких частотах джиттер подавляется, так что рост значительно замедляется.

Усиление более 0 дБ отражает явления подъема джиттера передаточной функции, который происходит только вблизи частоты среза. При широкополосном джиттере будет усилена только небольшая часть сигнала, однако есть причины, почему джиттер концентрируется в районе подъема.

Во-первых, джиттер данных дает узкие по спектру компоненты. Для низких уровней сигнала джиттер будет связан со знаком сигнала, так как при приближении сигнала к нулю старшие значащие биты данных изменяются одновременно. Если по интерфейсу передается сигнал одной частоты низкой амплитуды, возникающий в кабеле джиттер стремится к меандру на этой частоте. Зачастую максимум на спектре совпадает с подъемом в передаточной функции джиттера.

В цепи устройств с восстановлением клока с похожими характеристиками, эффект повторяется на каждом этапе. Строчка со значением 6 дБ в таблице отражает уровень подъема джиттера оборудования, разработанного до того, как об этой проблеме стали серьёзно задумываться. Как показано в таблице, в таком случае суммарный джиттера достигает огромных значений, несмотря на небольшое число стадий.

Обычным признаком ненормального уровня накопления джиттера служит частая потеря данных или постоянный срыв синхронизации. К сожалению, такие ситуации сложно воспроизвести и служба технической поддержки здесь оказывается бессильной.

Начиная с 1997 года, спецификация AES3 имеет параграфы, которые посвящены потенциальной проблеме накопления джиттера. Основной из них определяет, что все устройства должны ограничить усиление джиттера значением 2 дБ для любых частот.

В дополнение, имеется установленное значение подавления джиттера, которому должны удовлетворять устройства подавления интерфейсного джиттера. Оговорено значение как минимум в 6 дБ для частот выше 1 кГц. Эта частота намного ниже, чем частота среза шаблона допуска на джиттер, так что устройствам необходим передающий тактовый сигнал, отличный от восстановленного, который определяется допуском на джиттер.


 

Продолжение следует…

Источник Джиттер. Теория. Часть 2


RSS лента ВСЕГО блога с комментариями RSS лента ВСЕГО блога БЕЗ комментариев RSS лента этой КАТЕГОРИИ с комментариями RSS лента этой КАТЕГОРИИ и БЕЗ комментариев RSS лента ЭТОГО ПОСТА с комментариями к нему

Джиттер. Теория. Часть 1

Джиттер Теория Часть 1 Оглавление:

  • Часть 1. Введение, виды джиттера, измерения джиттера
  • Часть 2. Джиттер цифрового звукового интерфейса (S/PDIF, AES/EBU)
  • Часть 3. Джиттер при семплировании (ЦАП, АЦП, ASRC)

Введение

Цифровые аудиосистемы отличаются от аналоговых двумя главными особенностями:

  • Сигнал, непрерывно меняющийся по напряжению или току в аналоговой форме, представляется в цифровом виде фиксированным числом дискретных числовых значений
  • Эти числовые значения представляют сигнал не постоянно в течении всего времени, а только в определенные моменты времени, моменты квантования

Обычно моменты квантования определяются аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) и цифро-аналоговыми (ЦАП) преобразователем, которые служат для преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую и обратно. Эти устройства зачастую имеют задающий генератор для управления частотой квантования или частотой дискретизации.

Моменты квантования также могут задаваться преобразователем частоты дискретизации — SRC, который использует математические вычисления для трансформации цифрового сигнала одной частоты в другую. В случае если SRC не имеет физического устройства, задающего моменты квантования, вычислительный процесс производится с использованием виртуального тактового генератора.

Цифровое аудио невосприимчиво к многим недостаткам аналоговой записи и аналоговой передачи сигнала: искажения, шумы на линии, шумы пленки, детонации, взаимное проникновение каналов. И даже если сигнал в цифровой форме не полностью избавлен от недостатков, он несомненно очень устойчив к большинству из таких воздействий. Но на практике цифровой сигнал встречается с новыми проблемами: нестабильность тактового генератора, падение характеристик сигнала в кабеле, паразитные наводки. Все это приводит к изменению формы сигнала и небольшим сдвигам во временной области, или джиттеру.

Джиттер также может возникать в случае самотактующегося сигнала (например, S/PDIF). В этом случае джиттер может привести к ошибкам в распознавании данных, к сбою синхронизации или потере отдельных битов. Джиттер задающего генератора также может ухудшать точность оцифровки в преобразователях в процессе квантования.


График 1. Цифровой сигнал формата AES3 под воздействием джиттера

Что такое джиттер?

Джиттером называется отклонение сигнала, такого как тактующий сигнал генератора, во времени от номинала.

Например, джиттер сигнала тактового генератора возникает по причине того, что фронт импульса реального и идеального генераторов различаются, что, кстати говоря, совершенно нормально. В отличие от достижимого в теории идеального сигнала, точка пересечения нуля фронта реального сигнала для разных импульсов различается по времени. Говоря иначе, джиттер — это фазовая модуляция формы цифрового сигнала.

Составляющая джиттера может быть извлечена из тактового или самотактующегося цифрового сигнала и проанализирована в отдельности. Среди наиболее полезных путей изучения влияния джиттера является исследование частотной характеристики и выявление главных частотных компонентов джиттера.

Измерения джиттера

При небольшом количестве джиттера, фронт меандра смещается назад или вперед на небольшую величину по времени. При увеличении джиттера, смещения достигают больших величин.

Амплитудой джиттера называют величину смещения по времени и измеряют в единицах времени: либо в долях секунды (наносекунды, пикосекунды), либо в интервальных единицах (unit). Для тех кто сталкивается с измерениями джиттера впервые, надписи по осям графика могут сбить с толку — зачастую и по вертикальной, и горизонтальной оси отложено время.

Частотой джиттера называют частоту, с которой происходит фазовый сдвиг. Также как в случае наложения шума или помехи, сигнал привносимый джиттером может быть чистой синусоидой, сложным колебанием или полностью случайным процессом.

Интервальная единица (UI)

Интервальной единицей (UI, unit interval) называют отрезок времени, обратно пропорциональный частоте следования данных. Этот термин часто используется при исследованиях джиттера. UI определяется как минимальный номинальный временной интервал в выбранной схеме кодирования. Для сигнала в стандарте AES3 при передачи данных частотой 48 кГц содержатся: 32 бита в субфрейме и 64 бита во фрейме, что дает 128 импульсов на фрейм после применения для кодирования двухфазной модуляции. В этом случае:

1 UI / (128 * 48000) = 163 нс

UI используется в нескольких спецификациях на джиттер в стандарте AES3¹ (стандарт сообщества Audio Engineering Society для интерфейса передачи двухканального цифрового аудио), в результате допуски по спецификации пропорционально масштабируются для разных данных и частот семплирования.

1. AES3-1992 — «Recommended Practice for Digital Audio Engineering — Serial Transmission Format for Two-Channel Linearly Represented Digital Audio Data» J. Audio Eng. Soc., vol. 40 No. 3, страницы 147-165, июнь 1992. (Последняя версия, включающая поправки, доступна на сайте www.aes.org).

Например, длина UI в секундах для частоты 96 кГц вполовину меньше, чем UI для 48 кГц. Требования по джиттеру для передачи и приема находятся в тех же пропорциях.

Примечание: Некоторые спецификации на пересылку данных определяют UI как продолжительность одного бита при передаче. Такое определение несовместимо со спецификацией AES3 и не будет здесь использоваться.

Как можно увидеть джиттер?

Джиттер цифрового сигнала можно увидеть по смещению импульсов, которые сдвинуты относительно идеального тактового сигнала. И любые правильные измерения джиттера основаны на сравнении подверженного джиттеру сигнала с идеальным клоком.

На практике зачастую нет идеального тактового сигнала, с котором можно сравнить испытуемый сигнал. Поэтому при измерении джиттера приходится опираться на сам сигнал, на смещения по оношению к самому себе.

Простейший и наиболее неудачный пример такого пути — это «наблюдение формы сигнала на осциллографе», подключив сигнал с джиттером к осциллографу, как показано на графике 2. К сожалению, вы получите вводящий в заблуждени результат, который будет зависеть от несовершенства генератора осциллографа, а также от спектра джиттера сигнала. Вместо джиттера, такой способ показывает интервальное отклонение. Между ними есть определенная связь, но на некоторых частотах джиттер не будет виден вовсе, тогда как на других амплитуда джиттера может удвоиться. В частности, если речь идет о низкочастотном джиттере.


График 2. Наблюдение смещения фронтов сигнала на осциллографе.
Неверный способ оценки джиттера!

Вместо этого, можно сэмулировать идеальный тактовый сигнал автоподстройкой фазы относительно низкоджиттерного генератора, используя ФАПЧ (PLL) (см. параграф Фазовая автоматическая подстройка частоты). Такой способ самоуточнения сигнала аналогичен наложению ВЧ фильтра с частотой среза, равной частоте среза ФАПЧ. Полученный идеальный тактовый сигнал можно, например, использовать для внешней тактовки осциллографа или как референсный сигнал при просмотре на двухлучевом осциллографе.

Если тактовать осциллограф от референсного сигнала с ФАПЧ и отмасштабировать отображение по времени ровно в один UI, множество следующих друг за другом импульсов будут отображаться как один, накладываясь двух на друга из-за послесвечения точек люминофора экрана. Такая характерная картинка называется глазковая диаграмма (eye pattern). Величина открытия глаза на диаграмме зависит от смещения по времени фронтов импульса. Узость глазного просвета показывает джиттер (меньше просвет — больше джиттер).


График 3. Глазковая диаграмма, построенная APWIN.
Синяя линия сформирована тестируемым сигналом;
серый прямоугольник показывает минимальный допуск спецификации AES3
(синяя линия не должна заходить внутрь серого прямоугольника)

Используя цифровую обработку сигнала (DSP), можно вычислить идеальный задающий сигнал усреднением анализируемого сигнала. После этого есть возможность выделить сигнал и его джиттер с очень большой точностью. По этим данным анализатор может построить отклонение импульсов по амплитуде и времени в виде глазковой диаграммы (график 3); отобразить джиттер во временной области (график 4), или, используя БПФ, построить спектральное разложение джиттера (график 5).


График 4. Джиттер с основной частотой 5 кГц во временной области


График 5. FFT анализ выделенного из сигнала джиттера

Джиттер при семплинге

Джиттер может влиять на цифровой сигнал в двух широких областях: в процессе преобразования аналога в цифру и обратно, и при передаче в цифровом виде.

Джиттером дискретизации или джиттером семплинга (sampling jitter) называют ошибки выбора моментов времени квантования в процессе оцифровки в АЦП, при преобразования в аналог в ЦАП или в преобразователях частоты дискретизации (SRC). Большое значение джиттера в перечисленных случаях может привести к слышимом ухудшении качества сигнала.

Интерфейсный джиттер

В отличие от постепенного ухудшения звука при увеличении джиттера семплинга, большое значение интерфейсного джиттера при передаче звуковых данных может привести к потери целостности данных. Так что становится важным контролировать значение джиттера при передаче данных. Джиттер цифровых звуковых интерфейсов должен находиться в определенных допусках, чтобы его можно было скомпенсировать на приемной стороне.

Джиттер генератора синхросигнала

Во многих задачах цифрового аудио важно хранить, передавать и обрабатывать сигнал синхронно на всех участках цепочки. Это требует стабильной единой частоты дискретизации. В других задачах важно, чтобы частота семплирования сигнала была строго пропорциональной другой частоте, например частоте кадров видеоряда, чтобы не было расхождения видео и аудиодорожки. Способ управления таймингом в этом случае зовется тактовой синхронизацией (clock synchronization).

Когда тактовый генератор синхонизирован с внешним источником синхронизации, добавляется джиттер от генератора синхросигнала. Также джиттер может быть добавлен на этапе передачи сигнала синхронизации. К счастью, можно отфильтровать джиттер сигнала синхронизации. Зная характеристики джиттера генератора синхросигнала, можно отфильтровать джиттер на приемной стороне.

При тактовании от внешнего генератора таким образом, характеристики подавления джиттера сильно влияют на качество звукового сигнала. В других обстоятельствах это становится не так важно.

Фазовая автоматическая подстройка частоты (Phase-Locked Loop)

При быстром вращении тяжелого маховика на скорость его вращения влияют только продолжительно прикладываемые усилия по ускорению и замедлению, с полным игнорированием коротких по времени воздействий. Нечто похожее наблюдается при работе схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).

На входе ФАПЧ имеется фазовый детектор, который формирует управляющий сигнал на основе сравнения разности фаз входного сигнала и цепи обратной связи. Далее сигнал следует на ФНЧ и генератор управляемый напряжением (VCO). Управление возможно из-за наличия цепи отрицательной обратной связи с заданным коэффициентом усиления (PLL Loop Gain).

Если фазовая разность равна нулю, управляющее воздействие отсутствует, контур замыкается. Если же имеется разность фаз, она управляет источником тока (CP), подающего разностный периодический сигнал на ФНЧ. Отфильтрованный дельта-сигнал управляет генератором VCO, который преобразует напряжение в производную фазы по времени, т.е. в частоту. Происходит регулирование частоты таким образом, чтобы фазовая разность стала равной нулю. Происходит фазовая автоматическая подстройка частоты.

ФНЧ вводится намеренно, для достижения ФАПЧ свойства «маховика». ФНЧ сглаживает ВЧ-помехи во входном сигнале и уменьшает полосу, в которой частота VCO стабилизируется схемой ФАПЧ.


График 6. Передаточные функции ФАПЧ

Ниже частоты сопряжения, благодаря ООС, выход ФАПЧ практически повторяет сигнал на входе, при этом фазовый шум ГУН подавляется. С ростом частоты ООС ослабевает, так что джиттер на выходе ФАПЧ будет в большей степени зависеть от собственного фазового шума ГУН и в меньшей от джиттера входного сигнала. Ключевой момент в реализации ФАПЧ приемника или передатчика состоит в компромиссе между собственным джиттером и его подавлением.

Продолжение следует…

Источник Джиттер. Теория. Часть 1


RSS лента ВСЕГО блога с комментариями RSS лента ВСЕГО блога БЕЗ комментариев RSS лента этой КАТЕГОРИИ с комментариями RSS лента этой КАТЕГОРИИ и БЕЗ комментариев RSS лента ЭТОГО ПОСТА с комментариями к нему

Введение в мастеринг звукозаписей

Введение в мастеринг звукозаписей

Введение в мастеринг звукозаписей Формально, мастеринг — это процесс подготовки и переноса записанной фонограммы на какой-либо носитель для последующего тиражирования. Традиционно, мастеринг был процессом переноса записей с магнитной ленты на мастер-диск на фонографическом станке для дальнейшего производства виниловых пластинок. Запись в буквальном смысле нарезалась на  лаковой основе тончайшим резцом, кстати, именно отсюда взялся термин про «нарезку» компакт-дисков. Станок был очень дорогостоящим и далеко не все даже крупные студии могли позволить себе нарезать диски самостоятельно на своем оборудовании.


Станки для нарезания винила, некоторые оснащаются микроскопом

Кроме этого, формат винила накладывал очень жесткие ограничения на записи: для того, чтобы игла проигрывателя не прыгала по пластинке. Не должно было быть перекоса между каналами, взаимопроникновение делалось порядка -30 дБ, что, по нынешним меркам, просто кошмарно — даже бытовая техника сегодня имеет этот показатель как минимум в два раза лучше. Также накладывалось серьезное ограничение на динамический диапазон — если уровень опустится ниже нормы, то дорожка перестанет существовать, и игла просто соскочит с неё. Если будет превышен определенный уровень, дорожки на диске пересекутся, надо следить за расстоянием между ними. На расстояние между дорожками — свое ограничение — от него зависит время звучания пластинки, поэтому для записи 20 минут музыки на одну сторону 12-дюймового диска сильно зажимали уровни, но даже если количество материала позволяет не беспокоиться о емкости носителя, все равно остается риск задеть алюминиевую основу болванки резцом, дорогим настолько же, сколько и тонким — его стоимость составляла несколько месячных зарплат мастеринг-инженера. Также из-за резкого скачка уровня  резец резко впивается в материал болванки и «вылетает».

Кроме этих чисто технических лимитов, нужно ориентироваться на «средний проигрыватель» — тяжело объяснить покупателю, который принес диск обратно в магазин с претензией «не звучит», что это не изготовитель виноват, а стоит улучшить домашнюю технику и немного заняться акустикой помещений — это бизнес, нельзя «подставлять» производителя проигрывателей и рабочих, делавших последний ремонт у этого покупателя.

Добавляем ко всей этой мешанине причин неприспособленность микшерных комнат большинства студий для мастеринга в плане контроля и психологическую невозможность звукорежиссеров делать мастеринг самим — много часов достигая максимально «того самого» звучания, очень трудно будет потом его осознанно портить, подгоняя под все технические требования.

Все эти и многие другие причины привели к появлению отдельных мастеринг-домов и профессии мастеринг-инженера — человека с хорошим слухом и обширным опытом работы, профессионального искателя компромисса.



Для сравнения — современные «станки для нарезания компактов»

С появлением CD-DA, станок был заменен АЦП и записывающим устройством, а болванку для штампования стали изготавливать цифровым способом. Формат CD снял большинство технических ограничений винила, CD-записывающие устройства уже более чем доступны. Многие студии стали отказываться от услуг мастеринг-домов, в основном, по экономическим причинам, а те, в свою очередь, были вынуждены сильно снизить расценки, чтобы стимулировать приток заказов, а это опасно сокращением затрат на техническую часть.

Студия мастеринга

Очевидно, что студия мастеринга должна значительно отличаться от студии записи и сведения. В первую очередь — контролем, так как это последний рубеж перед тем, как запись пойдет в продажу, когда еще можно обнаружить брак. С другой стороны, контроль в студии мастеринга должен быть максимально приближен к тем аппаратам и условиям, в которых предположительно будет прослушиваться запись, поэтому обычно в мастеринг-студиях стоят как минимум 3 пары мониторов — основные высококачественные, малые высококачественные и так называемый cheap-котроль (иногда называют еще шит-контролем), то есть нечто, радикально отличающееся от первых двух, но наиболее близкое к «средней системе». Если студия предназначена не только для мастеринга дисков, то набор мониторов может быть еще больше.

Еще первое, что привлечет внимание не знакомого с мастерингом человека — отсутствие огромной студийной микшерной консоли, каналов на 96, которая для многих является символом большой и хорошей студии — в мастеринговых студиях микшерный пульт если и ставят, то небольшой, размеры помещения также более скромные.

Зато на мастеринговых студиях в изобилии различные приборы финальной обработки звука — эквалайзеры и компрессоры, несколько видов генераторов дитера (специальный шум, добавление которого к цифровой записи минимизирует шумы квантования, делая запись более приятной на слух).

Процесс современного мастеринга

В последние годы, с быстрой миграцией музыки с больших дорогих студий с высококвалифицированным персоналом на маленькие «артистические», основанные на DAW (digital audio workstation, цифровая звуковая рабочая станция) студии, процесс традиционного мастеринга стал меняться. Многие из студий хорошо подходят для создания и записи музыки, но они обычно не приспособлены для точного сведения, из-за акустического оформления, техники или персонала (любая комбинация перечисленного). В результате мастеринг-студии все чаще стали сталкиваются с треками, которые хорошо звучат в музыкальном смысле, но акустически не сбалансированы, например, слишком низкий по уровню вокал или «гудящий» бас. В таких случаях мастеринг-инженер моментально попадает в серию компромиссов, потому что все уже смешано: если поднять вокал многополосной динамической обработкой, то гитарная партия в том же диапазоне тоже вылезет, точно также если прибрать гудящий бас эквалайзером, то бочка уйдет вместе с ним. Чем больше ошибок присутствуют в принесенном миксе, тем больше компромиссов возникает.

Разработанное и быстро освоенное индустрией в 2005 году решение этой проблемы — деление микса на четыре или больше частотных диапазона. Артист/звукорежиссер приносит трек на мастеринг в виде нескольких синхронизированных треков (файлов), названных делениями (separations), каждое деление — это отдельная группа инструментов, таким образом мастеринг-инженер может изменять сведение без компромиссов. Дополнительные преимущества этого метода — не нужны «альтернативные» миксы, не нужны дорогостоящие дополнительные сессии «вспоминания» микса или ремикса — потому как миксы больше не отвергаются студией мастеринга. В принципе любой относительно «близкий» микс может быть вылечен и улучшен, к тому же конечный продукт обычно звучит чище и детальнее за счет, кроме всего прочего, микширования на оборудовании более высокого класса с мастеринговым студийным клоком с низким джиттером.

Возможный недостаток метода — слишком много свободы для мастеринг-инженера для изменения микса — например, относительная громкость гитары и вокала. Поэтому обычно предоставляется еще и копия оригинального сведения как ориентир для инженера, чтобы мастер наследовал исходные музыкальные пропорции. Тут стоит заметить, что при традиционном мастеринге эти пропорции очень часто меняются из-за компрессоров и/или лимитеров, особенно когда люди хотят получить «громкий» CD (к сожалению, очень распространенная практика, часто называемая «войной громкости»). В экстремальных случаях микс может измениться весьма заметно — пики у инструментов с  большим динамическим диапазоном будут срезаны, а мягкие партии будут усилены. Некоторые партии могут провалиться, а другие сильно подняться по громкости вокруг них, особенно если неверно применяются многополосные динамические процессоры.

Профессиональные мастеринг-инженеры имеют значительный опыт в балансировании эффектов увеличения громкости и полноты с сохранением  наиболее близкого к оригиналу звучания — это область компромисса, которая требует тренированного слуха и значительного технического знания. Если прокрадется ошибка, то даже великий альбом, полный нетленок будет иметь качество «записано дома» против «куплено в магазине».

При мастеринге с делениями, когда громкость трека нежелательно увеличивается — можно это исправить без компромисса, так как основные музыкальные элементы обычно на разных треках. Может показаться, что это лучший способ всех времен и народов, повторюсь — могут быть проблемы в случае неопытного мастеринг-инженера, также не надо путать этот метод мастеринга со «сведением во время мастеринга».



Steinberg WaveLab — одна из лучших программ для мастеринга


Непосредственно процедура

Процесс мастеринга сильно зависит от материала, обычно мастеринг включает в себя следующие шаги:

  1. Загрузка треков в рабочую станцию
  2. Исправление проблем записи, например, — уровень, тональный баланс, артефакты, DC-офсет
  3. Составление последовательности треков, в которой они будут на конечном продукте (например, CD)
  4. Перенос записи на конечный носитель (CD-R, образ диска на HD и пр.)

Пример возможных действий во время мастеринга:

  1. Применение шумодава, чтобы убрать гудение и шипение
  2. Привести пики во всех треках к какому-то уровню, общий уровень не должен превышать 0 дБ
  3. Выравнивание соседних треков, чтобы не было скачков в восприятии баса, высоких, средних, громкости (см. про уровни) или панорамы.
  4. Компрессия (например, 1.5:1 начиная от -10дБ), чтобы прибрать пики и поднять более тихие партии
  5. В случае мастеринга для вещания, частотный диапазон должен быть уменьшен. Например, для телевидения нужен high-pass -18 дБ фильтр на  80 Гц и low-pass на 12 кГц на -9 дБ

Немного об уровнях

Несмотря на то, что производители записи не имеют возможности напрямую влиять на громкость воспроизведения их треков у конечного пользователя, все равно в недалеком прошлом с появлением CD была «война за громкость» — каждый старался, чтобы именно его компакт звучал наиболее громко при одинаковых настройках проигрывателя, правда, есть и объективная причина — уход от шумов.

В аудиопроизводстве принято измерять среднюю громкость в RMS — Root Mean Square (среднеквадратическое значение),  чем больше значение RMS, тем громче звук.

Громкие записи имеют пики RMS около -7, тихие около -16, область наилучшего восприятия около -12.

Это параметр, наиболее близко отражающий восприятие громкости трека слушателем, но нет гарантии, что разные треки с одинаковым RMS будут восприниматься одинаково. Восприятие сильно зависит от частотного диапазона сигнала, насыщенности фонограммы.

Иногда, в погоне за RMS допускают незначительный клиппинг сигнала, однако в этом случае добавляются искажения и уменьшается панч.

Софт, подходящий для мастеринга

Мастеринг можно делать и без компьютера, но в современном мире наиболее разумно все-таки его применить. Это список профессионального софта и программно-аппаратных решений, предназначенных для мастеринга:

  1. Sonic Solutions — считается лидером, но доступность продуктов практически исключает применение при ограниченных бюджетах
  2. Digidesign Pro Tools — по сравнению с Sonic Solutions более известный продукт и более доступный, особенно если брать во внимание LE-версию

Полностью программные, думаю, в особом представлении не нуждаются, так как знакомы большинству читателей:

  1. Magix Samplitude
  2. Steinberg WaveLab
  3. Adobe Audition
  4. Sony SoundForge + CD Architect
  5. Emagic Logic Pro Waveburner

Статья не претендует на полноту, но надеюсь, что слово «мастеринг» стало более понятным для читателя, а в конечном итоге все решает опыт работы.

PS. На сладкое — цитата с одного профессионального форума: «Мастеринг в России придумал Субботин, чтобы разводить на деньги доверчивых артистов. И психовоздействие на артиста оказывается столь сильным, что результат продолжает артисту нравиться даже через достаточно большое время».

Источник Введение в мастеринг звукозаписей


RSS лента ВСЕГО блога с комментариями RSS лента ВСЕГО блога БЕЗ комментариев RSS лента этой КАТЕГОРИИ с комментариями RSS лента этой КАТЕГОРИИ и БЕЗ комментариев RSS лента ЭТОГО ПОСТА с комментариями к нему

Прыг: 01 02 03

Анонсы статей по темам:

Оглавление категорий:

Сервисы:

апрель, 2018
пн вт ср чт пт сб вс
            1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30            


Похожие ресурсы:

Copyright © 2009 Версия компьютеры
Сейчас 25 апреля 2018, 05:39
Система авторегистрации в каталогах, 
           статьи про раскрутку сайтов, web дизайн, flash, photoshop, хостинг, рассылки; форум, баннерная сеть, каталог сайтов, услуги 
           продвижения и рекламы сайтов

Рейтинг популярности - на эти заметки чаще всего ссылаются: