Осциллографы и джиттер

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой в самом конце Раздела страничке сайта, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

Основная идея достаточно проста – измерьте фронты тактового сигнала и посмотрите, все ли они расположены на одинаковом расстоянии или меняются (дрожат) с течением времени.

Неравномерная тактовая частота, подаваемая на АЦП или ЦАП, будет создавать эффекты FM (частотной модуляции) и/или AM (амплитудной модуляции), а также повышать минимальный уровень шума. Последствия джиттера тактового сигнала зависят от его характера. Случайный джиттер может иметь менее неприятные звуковые эффекты, чем джиттер, в котором преобладает определенная частота. Существует множество причин возникновения мешающих сигналов в линии синхронизации.

В настоящем эссе присутствует краткое изложение по использованию основного варианта DSO (полоса пропускания 200 МГц, 1 млрд отсчетов в секунду), чтобы увидеть, может ли он заменить установку стоимостью 50 000 долларов, которую обычно используют для исследования проблемы джиттера.

К счастью, ответ заключается в том, что в пределах величин характеристик большинства аудиосистем, вполне реально получить достоверные результаты. На более высоких частотах джиттера (> 2 кГц) при измерении типичных битовых тактовых импульсов (т. е. от 3 до 24 МГц) минимальный уровень шума джиттера составляет около 20 psec среднеквадратического значения. Для более низких частот среднеквадратичное значение составляет около 200 psec из-за необходимости увеличения длины записи.

В Appnote также представлена кривая слышимости джиттера, полученная на основе обзора литературы, и отмечается, что случайный широкополосный джиттер учитывается иначе, чем джиттер со спектральными тонами в нем.

Измерительное оборудование по определению является гораздо более чувствительным, чем критерии слышимости. Критерии для измерений не установлены, поскольку необходимо учитывать слишком много переменных. Некоторые инженеры могут счесть признаком плохой разработки электронной системы любые боковые полосы, связанные с джиттером, выше минимального уровня шума при дискретизации или рендеринге чистых тонов,. Широкополосный случайный джиттер также увеличивает уровень шума, но величина этого увеличения зависит от контента, используемого для измерения шума. Поскольку в некоторых тестах используется частота 11 кГц (обычно как часть тестов IMD со вторым тоном на расстоянии 1 кГц), вполне разумно использовать ее в качестве допущения для тестирования. Его более высокая частота гораздо лучше демонстрирует эффект джиттера, чем тестовый тон 1 кГц.

В реальной жизни никакой звуковой контент не будет иметь синусоидальные волны частотой 11 кГц и уровнем 0 дБ; смысл такого теста не в этом. Учитывая столь хорошие характеристики оборудования, выявление их недостатков требует более агрессивного подхода к тестированию. В техдокументации это также верно: если на оборудовании указано от 10 Гц до 50 кГц +/- 3 дБ, то лучше работать в этом диапазоне без каких-либо странных оговорок «кроме вторников».

Имеет место достаточно распространённое мнение, что при среднем уровне характеристик, т.е. DR 110 дБ, никакие спектральные компоненты джиттера не должны измеряться выше минимального уровня шума. Аналогичным образом, минимальный уровень шума должен соответствовать заявленным характеристикам не только в условиях AES-17, но и при частоте тона 11 кГц.

Без огромных затрат на производительность выше 120 дБ DR может быть очень трудно избежать некоторых компонентов, связанных с джиттером.

Перевести это в требования к джиттеру сложно. OTOH прогнозирует влияние определенной комбинации широкополосных и тональных составляющих джиттера. Одним из простых в использовании ресурсов для этого является DISTORT, доступный на https://distortaudio.org. Разработанный Полом Кейном, он был представлен в 2019 году на форуме Audio Science Review. На момент написания этой статьи он все еще находился в бета-версии. Один открытый вопрос заключается в том, что он предлагает широкий спектр функций БПФ (и не документирован для случаев, когда функция имеет параметры), но коррекция усиления обработки в некоторых случаях казалась немного неправильной, но это было только на глаз. Используйте один и тот же выбор окна для всех измерений, поскольку сравнительные измерения будут правильными. Помните также, что некоторые оконные функции имеют высокие боковые лепестки. При исследовании влияния джиттера на уровень шума выберите окно с низкой энергией боковых лепестков относительно ожидаемого уровня шума.