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标题: Jitter对音频播放各个环节的影响 [原创] [打印本页]

作者: love001 时间: 2008-5-31 18:02
标题: Jitter对音频播放各个环节的影响 [原创]
（一）什么是Jitter
  引用hotpoint翻译Charles Altmann的一段话：
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。你的女友永远不可能每次都刚好在7:00:000（后面的三个零指毫秒）准时到达，在数字音频上也是如此，所以Jitter永远都存在的。
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图一黑线指理想的数字信号，红色指实际的数字信号，由于Jitter的原因，导致输出正弦波畸变，也因此产生了失真，见图二，
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如果Jitter越大，波形畸变也越大，失真也就更大，

关于什么是Jitter，网上已经有多篇文章说明得很清楚了，请参阅：

hotpoint翻译
网址：http://www.erji.net/read.php?tid=7494
http://www.erji.net/read.php?tid=8580

David Chandler 的 Phase Noise and Voltage Controlled Crystal Oscillators
网址：http://sss-mag.com/pdf/vcxophasejitter.pdf

diablo对jitter的产生与消除的理解一文：
网址：http://www.cndiyclub.com/c_read.php?tid=12722

看后相信你对Jitter能有更深的认识，如果你已经对Jitter有较清晰的理解了，下面量度名词你应该也清楚：

ps : 10的负12次方秒

另外有一些专业名词你应该也知道或听说过：

SPDIF : SPDIF严格的写法是S/PDIF，S/PDIF全称为S/PDIF民用接口，英文名为Sony/Philips Digital Interface，它是由Sony和Philips两大巨头制定的标准。就传输方式而言，S/PDIF分为输出（S/PDIF OUT）和输入（S/PDIF IN）两种。就传输载体而言，S/PDIF又分为同轴和光纤两种，其实它们传输的信号是相同的，只不过载体不同，接口和连线外观也有差异。
网址：ftp://ftp.voyetra.com/pub/tbs/mtgoddl/spdif.pdf

AES : AES/EBS又称为AES3标准，是目前通用的专业标准之一。在专业声卡的数字输出选项中，我们都可以看到AES/EBS。相对于S/PDIF民用接口，AES/EBS的信号强度大，抗干扰能力更强，因此适合更远距离的传输。AES3输出的数据带有自己的时钟，因此整体抑制时基误差的能力比S/PDIF民用接口要好得多。

I2S : I2S（Inter-IC Sound Bus）是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。主要用在DAC芯片的接收上，详细的资料可参考datasheet
网址：http://www.nxp.com/acrobat_download/various/I2SBUS.pdf

PLL : 锁相环（PLL）方法的是最常用的时钟恢复方法，无论是普通的模拟PLL还是数字PLL，基本原理都是利用一个反馈环和一个可变频率的振荡器来跟踪输入的时钟，输出一个更加稳定纯净的时钟信号。

ASRC : ASRC的基本原理就是使用本地时钟源的参考时钟输入，对输入的信号数据进行重新采样（resampling），由于采样所使用的时钟是低jitter的本地时钟源，就实现了对外部时钟的隔离，避免来自外部的jitter影响输出时钟。AD和TI目前都生产一些高性能的ASRC芯片。象以低jitter闻名的Bechmark DAC-1就是使用了ASRC技术。

DDS : DDS（Direct Digital Synthesis－直接数字频率合成）。DDS通过完全数字的方法，通过累加器和波形查表的方式，直接生成高度稳定的频率信号。

Workclock : 即字时钟同步，主要是解决不同设备之间的同步问题。

（二）Jitter对音频播放各个环节的影响
  任何数字播放器播出音乐都会带有Jitter，要想彻底解决该问题，最好的解决办法就是将Jitter降低到人耳无法辨别的程度，但很遗憾，人耳对Jitter是非常敏感的，至于人耳无法分辨出低于多少ps的jitter，至今也没有准确答案，一般理解是，人耳能分辨出低于200ps的Jitter，在这里我大胆提个假设，就是假设人耳无法分辨出低于1ps的Jitter，如果能做出低于1ps的播放设备，并且价格为高端烧友所接受，大家就可以尽量少提或不提Jitter了，就可以将注意力集中在模拟部分处理上，但实际上，高端昂贵的OCXO晶振或许可以做到这个精度，但是DAC芯片内部的Jitter还是远远高于1ps的，例如AK4396的内部Jitter就为13ps，我们普通使用的晶振的Jitter也都在10ps以上。

  既然Jitter无法或很难做到足够低的程度，那我们就退而求次，探讨怎样尽量地减少Jitter。
首先来看看数字播放器播放的流程（因为本文仅探讨Jitter，所以播放流程只截止到DAC芯片，DAC芯片后面的模拟部分不属本文探讨的范畴，故忽略。）
(注：流程中红色文本指会产生或增加Jitter并对音频播放有影响的环节，以下某些文字会简称Jitter影响)

1. CD台机播放模式
a) 传统CD台机播放模式，流程为：
  CD转盘 → 读CD碟 → I2S信号 → DAC芯片

  传统的CD机是直接将CD碟的数据读出并直接将数据转换为I2S信号，然后传送到DAC芯片，如果CD碟上面的凹凸面均匀度比较差，各个数据位（Bit）读起来的时间就会出现不均匀的现象，从而导致输出I2S信号时也是不均匀的，最终这些Jitter导致DAC芯片解码波形出现轻微的畸变，由于这个原因，在传统CD机上，正版碟的播放效果要好过盗版碟和刻录碟，这种模式的Jitter主要产生在转盘和CD碟上，故对转盘的要求非常高，对碟片的要求也很高，并且必须做好CD机的避震，这也可以解释为什么普通光驱不能做CD转盘的原因，另外将数字信号转换为I2S信号的处理上也会增加一些Jitter。

b) 带缓存的CD台机播放模式，流程为：
  CD转盘 → 读CD碟 → 缓存 → 微处理器、CPLD、FPGA → I2S信号 → DAC芯片

  例如Meridian 588，它采用DVD光驱做为转盘，多次读相同的数据区并将数据放进缓存，然后进行检验、比较并判断出它认为最正确的数据，然后从缓存中将数据转换为I2S信号并传输到DAC芯片，实际上它的处理过程是多任务的，因为有缓存的出现，产生Jitter的瓶颈已在读取缓存并转换为I2S信号的CPLD或FPGA处理器上，已和转盘和CD碟无关系，所以它对转盘要求已经不高，普通的DVD光驱已能达到要求

c) CD台机搭配外置配解码器播放模式
  CD转盘 → SPDIF/AES OUT → SPDIF/AES线 → 外置解码器 SPDIF/AES IN → I2S 信号 → DAC芯片
这个模式有两个好处：
i) 利用外置解码器的高性能DAC芯片，提高音质
ii) 利用Wordclock，PLL，ASRC，DDS技术降低普通CD转盘的Jitter

  实际上光驱能很准确地读取CD光碟的数据，读光碟的方法也有点类似图一，虽然将CD光碟的凹凸信息读出来有Jitter，但因为数据存储只需要知道两个值0和1的状态，只要Jitter处在一定的范围内，再加上CD光碟有一定的纠错信息，一般情况下都能正确或很高精度地读取没划伤或划花的CD光碟的数据，这方面只需做个实验即可，将你网上下载的WAV文件刻录到CDR上，然后再用EAC将CDR上的音频数据抓取出来，用文件比较器进行比较，一般情况下都能达到100%无损或非常高的精度，加上PC软件丰富、界面漂亮和播放选曲便捷的优势，所以PCHifi也是烧友们关心或尝试的对象

2) PCHifi的播放模式
a) 传统的PCHifi播放模式，流程为：
  模式A：音频文件 → 声卡 → I2S信号或其他制式信号 → 声卡内部DAC芯片
  模式B：音频文件 → 声卡 → SPDIF/AES OUT → SPDIF/AES线 → 外置解码器SPDIF/AES IN → I2S信号 → DAC芯片

  因为数字信号很容易受环境的影响而导致Jitter的增加，众所周知电脑并带有复杂的处理器、主板和各种内设、外设，本身就是一个很大的电磁干扰源，并且供给DAC芯片的电源一般都不如外部解码器的电源，也因此不少声卡做了一个外置盒，将DAC处理放在外置盒上以提高音质，在近似的硬件条件下，一般来说，模式A的效果是不如模式B的，所以我们只谈模式B，在模式B中，声卡将音频数据调制成SPDIF/AES时会增加Jitter，SPDIF/AES线材传输时也会导致Jitter的增加，解码器解调SPDIF/AES信号为I2S信号时也会增加Jitter，例如常见的解码器数据接收芯片CS8412、CS8414、CS8416在它们的datasheet上就标明有200ps的Jitter，

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性能优秀的数字接收芯片DIR9001也有≤50ps的Jitter，

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由于电脑的电磁干扰较传统CD机要严重得多，所以一般情况下，低价位声卡的数字输出效果不理想，高价位的声卡数字输出也很难胜过高档的CD转盘。

b) 非声卡PCHifi播放模式，流程为：

音频文件 → 外部的缓存或微处理、CPLD、FPGA内部缓存 → 微处理器、CPLD、FPGA → I2S信号 → DAC芯片

  这种模式相对传统的PCHifi模式有以下几个优点：
i) 省略了传统PCHifi模式的SPDIF调制和外置解码器的SPDIF解调过程，也因此减少了Jitter
ii) 用TCP/IP或其他无损的数据传输方式通过有线或无线网络传输到外部播放器上
iii) 产生Jitter影响的环节只有一个，就是由微处理器、CPLD、FPGA硬件或算法产生
  参考机器有Transporter Music Player，它的播放模式为：电脑 → 音频文件 → 有线或无线网络(TCP/IP协议) → 解码器缓存 → XILINX CPLD → I2S信号 → DAC芯片，由于它采用TCP/IP协议和缓存，因此它的Jitter只由一个环节产生，并且它使用中高档声卡（象9632、Lynx Two、AES32）等所采用XILINX CPLD RISC CPU芯片，只要设计得好，得益于产生Jitter影响的传输环节的减少，这种模式的播放效果理论上要优于传统的PCHifi模式的

c) 无PC连接的外置播放器PCHifi模式，流程为：
  音频文件 → 微处理器、CPLD、FPGA → I2S信号 → DAC芯片
这种模式与非声卡PCHifi模式很相似，它是由外置的音频播放器加内置或外置的解码器组成，使用硬盘或闪存卡作为媒体，可以从PC方便地复制音乐，由于要达到Hifi的性能，相对传统的mp3、硬盘播放器来说，它们使用了高性能晶振、独立的音频 DAC芯片等，因为要达到好的性能，可能或必须采用CPLD、FPGA这种芯片，对技术的要求较高，这种模式暂时只见到DIY产品，DIY产品暂时只看到采用普通的微处理器的芯片

（三）怎样减少Jitter或减少增加Jitter的程度
  这个问题比较复杂，牵涉面也比较广，简单概括就是
1. 在外接解码器使用Wordclock，PLL，ASRC，DDS等技术降低Jitter
2. 提升晶振的精度，精度差的晶振会对声音造成劣化
3. 使用好的SPDIF/AES线材，降低增加Jitter的程度
4. CD转盘避震
5. 不要在播放器或解码器周围放置有强电磁干扰的设备
6. 等等等。。。

（四）后话
  理论上如果使用硬盘或闪存作为媒体，并且采用在音频应用上性能好CPLD、FPGA芯片和采用优秀的算法，加上好的设计，是可以将Jitter降到很低的程度，相对烧友来说这绝对是好事，但从另一方面来说，由于采用WAV、APE、FLAC等无损的音频文件，这也会对传统的CD转盘厂商、音频CD碟厂商造成一定的打击，也会反过来对烧友造成无形的负面影响，例如CD碟片资源发展速度变慢等，所以孰好孰坏很难说清楚。

  由于检测音响设备的Jitter有很大的难度，本贴只能探讨Jitter对音频播放各个环节的影响，并无法说明各个环节对音频播放影响的具体程度。

  最后，俺也是初烧，对Jitter的理解也是皮毛而已，从大家坛学到不少知识，也希望本贴能对初烧有一点点作用，本贴是俺在耳坛发表的最长贴子，里面一定有不少错漏的地方，欢迎大家指正

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