Jitter

Jitter, sayısal sinyal transferinde oldukça temel ve önemli bir kavram. Bu yazıda kısaca ne olduğu sebepleri, nasıl ölçüldüğü ve ilgili önlemlerden bahsedeceğim.

Nedir?

Jitter, sayısal ortamda iletilen bit dizilerinin zamanlamasındaki ve büyüklüğündeki sapmaları ifade ediyor. Bu durum sonradan üretilen analog sinyalin, frekans, faz ve yüksekliğine etki edebiliyor. Biliyorsunuz sayısal ortamda bitler, voltajın 0 (sıfır) Volt ile örneğin 2 Volt gibi bir seviye arasında değiştirilmesi ile oluşturuluyor, Sıfır Volt’tan iki Volt’a geçiş veya bunun tersi, idealde eğimsiz, yuvarlatılmamış, dik bir basamak şeklinde olmalı. Bu ideal basamaktan sapma “slew rate” adlı parametre ile ifade ediliyor. Ayrıca, tüm bitler gönderen kaynaktan (örneğin çalınan müzik dosyası) bunu sayısala çeviren ortama (Sayısal Analog Çevirici / Digital Analog Converter) aynı zamanlama ile iletilmeli. Eğer zamanlamadan ve ideal olan basamak şeklinden sapmalar olursa, bir noktada kulak algılayabiliyor. Müzikte algıladığımız, sahne, derinlik, enstrüman ya da artistin yerini belirleyebilme gibi parametrelere etki ediyor. Jitter, ses kalitesi yanında video görüntü kalitesini de etkileyen bir durum. Aslında, yüksek bant genişlikli sayısal sinyal içeren her çeşit iletişim ortamında dikkate alınması gerekiyor.

Örneğin bir master clock jitter ölçümünde, sinyal basamağının başlangıç ve bitiş noktalarının ölçümü “mutlak jitter” değerini verir. Bir sinyal periyodunun, ideali ile olan farkı “periyod jitter” ölçümüdür. Alternatif olarak iki bitişik saat devinimindeki kayma da ölçülebilir ki buna da “cycle to cycle jitter” denilir.

Jitter kaynağına göre düzenli (belirlenebilir) olduğu gibi tamamıyla rastlantısal da oluşabilir. Örneğin kablo veya konnektör kaynaklı jitter düzenli olarak gerçekleşir. Ancak, radyo frekansı girişimi kaynaklı jitter rastlantısaldır.

Jitter kaynakları?

• Master Clock kaynaklı jitter (bu nedenle Femto Clock öneriliyor)
• Anahtarlamalı (switching) güç kaynakları
• Kablo, konnektör
• Radyo frekans girişimi (RFI – Radio Frequency Interference)
• USB, S/PDIF gibir arabirimler

Nasıl ölçülür?

Tabi biz kulaklarımıza güvenmek durumundayız ama jitter laboratuar cihazları ile ölçülebiliyor. Yalnız bu oldukça teknik bir konu olduğu için özet geçebileceğim.  Jitter ölçümü için, Bit Error Rate Analyzer, Spectrum Analyzer, Real Time Oscilloscope gibi çeşitli cihazlar kullanılabilir. Hangisinin kullanılacağı, zaman, frekans ve “bit hata hızı” (BER) gibi parametrelerden hangisinin ölçümünün daha öncelikli olduğu ile ilgili bir karar.

Ölçüm birimi: “Pico-“, “Femto-“

DAC ürünlerinin Jitter özelliğini araştırdığınızda “picosecond” (piko saniye, kısaca ps) birimini görürsünüz. “Pico-” eki, 10 üzeri eksi 12 anlamına gelir. Femtosecond (fs), “Femto-” eki ise 10 üzeri eksi 15 anlamına gelir. Yani,

• pico (p):    0.000 000 000 001
• femto (f):  0.000 000 000 000 001

Üreticiler yüksek hassasiyetli DAC ürünlerinde Femto Clock kullanıyor. Kullanmakta olduğum exaSound e28 FX DAC (ayrıca e22 ve e28 FC de) 82 femtosaniye (82fs veya 0,0082ps) değerine sahiptir.

Bir karşılaştırma yapmak gerekirse en üst düzey (High End) DAC markalarından biri olan MSB Technologies en üst DAC ürünlerinde “Femto 140 Clock“, 140 femtosaniye (0.140 picosecond) öneriyor. FS (femtosecond) yani gecikme değerinin küçük olmasının makbul olduğunu hatırlatayım. Bu tek başına belirleyici bir kriter değil ama bu noktada exaSound’un hassasiyetine ve marka ürünleri arasındaki fiyat farkına dikkatinizi çekerim. Yurtdışı fiyatlar burada. Exasound Türkiye satış fiyatları burada.

Pratik Bir Örnek

Örnek olarak kullanmakta olduğum exaSound e28 FX DAC cihazında, jitter ile ilgili olarak alınmış önlemleri özetleyeyim:

• exaSound, ESS Technologies ES9018 Sabre32 reference DAC yongasını kullanılıyor. ES9018, 32-bitlik yüksek çözünürlüklü bir sistem. ES9018’de kullanılan patentli 32-bit Hyperstream™ mimarisi ve Time Domain Jitter Eliminator endüstrideki en yüksek jitter performanslarından birini sağlıyor.
• Gerçek asenkron USB arayüz ile, exaSound DAC bir master cihaz olarak davranıyor ve bilgisayardan kendi hızında veri çekiyor. Bu işlem bir FPGA (Field Programmable Gate Array – Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi) ile yapılıyor. Kullanılan hız çalan müziğin bit hızından daha yüksek. Çekilen veri DAC içindeki FIFO (First In First Out – İlk Giren İlk Çıkar) tampon bellekte saklanıyor. Cihazın yazılımı tampon belleğin hiçbir zaman boş kalmamasını sağlıyor (aksi halde bilgisayarın gönderme performansı / clock sinyali ile kısıtlanırsınız). Böylece DAC yongası tampon belleğe yüklenmiş veriyi çalıyor. Çalma hızının keskinliği/duyarlılığı, DAC içindeki zamanlama (Femto Clock) ile sağlanıyor; bilgisayar zamanlaması (clock) ve USB arabiriminin etkileri azaltılıyor.
• exaSound e22 ve e28 FC ve e28 FX modellerinde üç keskin quartz osilatör (0,082ps – 82fs) Femto Clock kullanılıyor. Burada, bir osilatör + PLL devresinden kaçınılmış. İlk iki osilatör, 44.1kHz ve 48kHz örnekleme frekansları ve bunların katlarındaki keskin zamanlama ve en az jitter’ı sağlamak için. 44.kHz katları, 88.2, 176.2 ve 352.8kHz. 48kHz katları ise, 96, 192 ve 384kHz. Üçüncü osilatör ise, sayısal analog çevirimi için referans 82ps Femto Clock master clock sağlar.
• Onbir (8 kanallı modellerde onbeş) aşamada güç temizliği yapılarak, gürültü, kanal geçişimi ve jitter azaltılıyor. Sayısal bölümümün güç beslemesi ayrılmış ve devrenin tamamından galvanik olarak izole edilmiş.
• Ayrıca, iki S/PDIF girişinde de jitter azaltma uygulandığı için CD oynatıcı gibi kaynaklardan çok iyi sayısal analog çevirim yapılabiliyor.

Bu nokta da ufak bir not:

Aslında bütün bu maddeler, exaSound’un çok pahalı USB, interconnect kablolarına ve PCIe-USB arabirim kartlarına itibar etmemesinin sebepleridir.

Bu satıra ulaşabildiyseniz ve üstüne de devam etmek istiyorsanız, Google hazretlerine sorabilir, cihaz üreticilerinin web sitelerini inceleyebilirsiniz 🙂