Thứ Tư, 29 tháng 5, 2013

Jitter là gì?nguyên nhân và phương pháp giảm thiểu Jitter

Các audiophile và người mê kỹ thuật âm thanh thường bàn đến hiện tượng jitter làm ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh. Jitter đã đường trình bày ở đâu đó nhưng hình như chưa bao giờ được mở thành một đề tài hoàn chỉnh nên chúng tôi đã tổng hợp lại để các bạn tiện tham khảo.

- Jitter là gì?

- Nguyên nhân chính gây ra Jitter.

- Phương pháp giảm thiểu Jitter. 

- Ảnh hưởng của jitter đến tín hiệu chính ví dụ như âm nhạc.

Jitter là gì?
Việc truyền dữ liệu trong thiết bị số thông thường gắn liền với các xung đồng hồ (clock). Dữ liệu số được truyền trên 1 kênh dữ liệu 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.

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

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 phần sau sẽ rõ.

Nguyên nhân gây ra jitter.
Jitter thực chất là sự dịch hay trễ tín hiệu khi đi từ nguồn tới đích. Nguồn ở đây không đơn thuần chỉ là từ CD transport mà bao gồm cả các mạch điện khuyếch đại, truyền xử lý số trong nó.

Sự trễ tín hiệu này là do một số nguyên nhân chính sau
- Mạch lọc LR RC ký sinh trên đường đi của tín hiệu: mạch in, cáp
- Tính chất quán tính của linh kiện (do RLC ký sinh của các transistor, đèn các loại, tụ trở, hoặc do kết cấu vật lý gây ra)
- Trễ do cảm ứng từ đan xen giữa hai đường tín hiệu khác nhau
- Tính chất quá độ của mạch

Còn để đánh giá jitter cũng như độ ngon lành của tín hiệu số người ta sử dụng sóng mắt (eye pattern)

http://en.wikipedia.org/wiki/Eye_pattern 

http://www-cryo.eecs.berkeley.edu/markj.www/HPeye.... 

Sóng mắt càng vuông, càng rõ nét chứng tỏ jitter càng ít, càng ít suy giảm tín hiệu

Về định tính, căn cứ theo mức độ jitter có thể xác định được tỷ số SNR tương ứng như hình trên, và căn cứ theo SNR đó có thể tìm ra tỷ số lỗi bit BER của tín hiệu số. nếu con số đó vượt quá 10e-6 là quá tệ!! chắc chắn ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Còn mức thấp hơn thì vẫn có nhưng e rằng khó mà nhận ra được.
Biểu đồ trên là mới chỉ tính đến jitter ở khâu D/A chứ chưa tính khâu A/D.

Như đã nói ở trên, theo báo cáo của Julian Dunn thì chỉ vài chục ps jitter có thể làm cho tiếng treble bị méo có thể nghe thấy được. Dạng méo do jitter khác với dạng méo của kỹ thuật analog nên tai người có thể thấy sự khác biệt này. Jitter làm sai lệch tần số gốc của tín hiệu (fundamental frequency). Méo do jitter gây ra rất khó chịu đối với tai người. Tương tự như hiệu ứng do méo hài lẻ vào méo hài bậc cao trong ampli vậy.

Còn một số vấn đề nữa ngoài cái jitter này ra đó là trong khâu A/D và D/A thường sử dụng mạch lọc chủ động analog độ dốc cực lớn thường là 3rd order hoặc 5 order. Tín hiệu trước khi vào ADC phải qua một bộ lọc (antialias filter), sau khi ra khỏi DAC lại qua một bộ lọc nữa (recontruction filter). Chắc các bạn cũng biết khi lọc như vậy không hay ho gì cho tín hiệu cả. Phase của tín hiệu bị méo rất lớn. Mạch lọc dùng rất nhiều linh kiện. Mỗi con linh kiện khi đem ra đo thì độ méo có vẻ không lớn nhưng các bạn DIY rồi thì biết mỗi con linh kiện thay vào nghe thấy khác nhau ngay.

Vấn đề cơ bản vẫn là méo do jitter là loại méo đặt trưng (thay đổi tần số tín hiệu gốc). Do vậy mặc dù tính ra số dB là nhỏ nhưng tai người có thể nhận ra rõ sự khác biệt này. Theo các tài liệu kỹ thuật thì vài chục ps jitter là tai người bắt có thể nghe thấy được ảnh hưởng rồi.

Do loại méo này rất đặc trưng như vậy cho nên người ta có thể nhận ra là tính hiệu âm thanh bị thay đổi một cách không bình thường.

Phương pháp giảm thiểu Jitter
Việc chế ngự jitter là có thể làm được tuy nhiên nó cần có sự đầu tư nhất định về công nghệ và phải có sự đồng bộ về khả năng chống jitter từ đầu đến cuối dây chuyền.


Để giảm jitter do dùng kết nối SPDIF người ta thường dùng mấy phương pháp 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 phương pháp  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.

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. Tuy nhiên chủ đề này khá là chuyên sâu về kỹ thuật  và 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 phương pháp lọc jitter như vậy. Một đặc tính kỹ thuật của DAC mà ta nên quan tâm là khả năng lọc jitter (jitter rejection)

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 BURN BROWN quảng cáo con DIR1703 là jitter cực thấp thì cho thông số là 75ps (typical). Trên thực tế 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.

Jitter ảnh hưởng đến tín hiệu nhạc như thế nào? 

Jitter có những ảnh hưởng kỳ dị mà thậm chí các kỹ sư của dCS cũng không lý giải nổi. Ví dụ: "in one demonstration using the same analogue source material, the same ADC and the same DAC, but changing just the digital interface used between them, one particular backing vocal dramatically changed in prominence" (trích từ một tài liệu của dCS nói về hiện tượng jitter).

Ở đây 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.
Dữ liệu chứa đựng trị số trục y còn xung đồng hồ chính là trục x. Đưa dữ liệu 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.
Theo tài liệu của BURN BROWNthì  jitter gây ra 2 hiệu ứng chính đã được biết đến:

- Tạo ra các hài âm giả

- Tần số của tín hiệu cơ bản bị 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. Cũng theo tài liệu của BURN BROWN: "Jitter khó có thể đo được trong hầu hết các hệ thống và hiện nay có rất ít thiết bị phân tích jitter."
Để truyền tín hiệu từ transport sang DAC có nhiều cách khác nhau. Phổ biến nhất là chuẩn giao tiếp SPDIF. 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 vào 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.

 

1 nhận xét: