Genellikle ikili (binary) sistem söz konusuysa, “bit bittir, ‘0’ ya da ‘1’, bunlar değişmediği sürece sorun yok” diye düşünülür. Deneyimler işin o kadar basit olmadığını gösteriyor. Bu yazım, aslında UpTone Audio EtherREGEN ürünü için 1 Mart 2020’de John R. Swenson tarafından hazırlanmış bir “whitepaper”a dayalı bir özet. Yazının başlığının çevirisi şöyle: “Sayısal Sinyaller Üzerindeki Bozulmaların, Bitler Değişmediği Halde, Ses Kalitesini Nasıl Etkileyebileceğini ve Bu Sorunların UpTone EtherREGEN ile Nasıl Bertaraf Edildiğini Anlamak”.
Yazıya konu olan ürün UpTone EtherREGEN bir Ethernet Anahtarı olmakla birlikte, bahsedilen kavramlar, USB, I2S, S/PDIF gibi diğer sayısal ses aktarım yolları için de geçerli. Sayısal kaynaklı ses işinde kalite, Sayısal-Analog-Çevrim (DAC) aşamasında kullanılan zamanlama sinyalinin kesinliğine doğrudan bağlı. Bu zamanlama sinyalindeki (istenmeyen) kaymalara “Jitter” diyoruz. Jitter, DAC çıkışındaki sesin aslından biraz farklılaşmasına, bozulmasına sebep olabiliyor.
Osilatörlerden Kaynaklanan Jitter
Aslında elektronik devrelerde zamanlama için kullanılan tüm osilatörler az ya da çok, her zaman bir miktar jitter’a sahip. Zamanlama kaynağından (örneğin sunucu) gelen jitter üstüne bir de alıcı (DAC) tarafındaki jitter binebiliyor. Kaynak ve alıcıdan kaynaklı jitter’dan başka üçüncü çeşit olarak “eşik (threshold) jitter” olarak adlandırılan bir durum var ki o da aşağıda anlatılıyor.
Sayısal dünyada, ‘0’ ve ‘1’ olarak bahsedilen aslında elektronik devrede analog voltaj seviyeleridir. ‘0’dan ‘1’e veya tersi geçişlerde analog voltaj formu incelenirse, gerçek bir basamak gibi olmadığı, bu geçişin (genellikle nanosaniye seviyelerinde) çok kısa bir süre içinde yaptığı – ama yine de sıfırdan büyük – bu aşamada ara voltajların oluştuğu görülür. Yani merdiven basamağını oluşturan dikmenin biraz yatay olduğunu hayal edin. Basamağın nerede başladığı, bu eğim nedeni ile biraz karışıklığa sebep olabiliyor
Eşik (Threshold) Voltaj Değerinin Kaymasından Olan Jitter
Alıcı devre, gelen sinyalin ‘0’ veya ‘1’ olduğuna karar vermek için bir eşik voltaj değerini esas alır. Örneğin 2V diyelim. Bunun altını ‘0’, üstünü ‘1’ olarak yorumlar. Eğer bu eşik değeri kayarsa, örneğin 2.1V olursa, kaynaktan gelen bit’ler değişmediği halde, alıcı taraf bit değişikliği olarak yorumlayabilir. Görüldüğü üzere, bu örnekte durum tamamı ile alıcı tarafından kaynaklanıyor.
Peki yukarıda örnekte verilen 0,1V kayma neden olur? Örneğin, alıcı tarafın devresinin toprak/şasi (ground) hattında gerilim var ise, eşik değerinde bir kayma olabilir. Bu da zamanlama hatalarına, bir başka deyişle eşik (threshold) jitter durumuna sebep olur. Devrenin toprak hattında gerilim olmasının çeşitli sebepleri olabilir. Örneğin yeterince temiz bir gerilim üretmeyen güç kaynağı gibi.
Zamanlama Faz Kaymaları ve Gürültünün Üst Üste Gelmesi
Şimdi, müzik sunucu bilgisayar ile ağ oynatıcısının (network player, streamer) bağlı olduğu bir Ethernet Anahtarını ele alalım. Anahtarın portlarındaki alıcı devrelere, sürekli değişen voltaj seviyeleri geliyor ve Ethernet Anahtarı, neyin ‘0’ neyin ‘1’ olduğuna karar veriyor. Bunun içinde referans olarak kendi içindeki osilatörü kullanıyor. Bu osilatörden kaynaklanan jitter, çıkış sinyalinin de kaderini belirliyor. Örneğin, 10MHz’lik bir zamanlama (clock) sinyali ele alalım; bu saat sinyalinin yükselen basamakları arasında 100nanosaniye aralık bulunması anlamına gelir. Gerçek hayatta, işler mükemmel olmadığından, sonraki sinyal 101ns, sonraki 102ns ve 103ns tekrar 102, 101, 100, 99, 98, 97 ve sonra tekrar 98, 99, 100… Bu salınım böylece düzenli bir şekilde devam edip gider. Bu salınımın frekansı bizi “jitter frekansı” kavramı ile tanıştırır. İlginç bir şekilde devrenin toprağını incelediğinizde benzer karakterde bir gürültü görürsünüz.
Devrenin saat frekansındaki kaymalar ve toprak hattındaki gürültünün birleşik etkisi, Ethernet anahtarından çıkan sinyalde kendini jitter olarak gösterir. Sadece Ethernet değil, I2S, USB için de geçerli bu durum. Bilgisayardan, ağ anahtarına, oradan ağ oynatıcı ve DAC’a bu olaylar zinciri etkileşimli olarak devam eder.
Bütün bunların DAC çıkışındaki etkisi – örneğin – 1000Hz’lik bir sinyal yanında 1010Hz ve 990Hz’lik sinyallerin ortaya çıkması, sahnesel özelliklerin zayıflaması, dinleme yorgunluğunun oluşması ve diğer bazı gariplikler olarak ortaya çıkabilir.
Sızıntı Akımları
Bütün bunlar yetmiyormuş gibi bir de güç kaynaklarının, alternatif akımdan doğru akıma sızıntı yapmaları durumu sözkonusu. Bu sızıntı, devrenin doğru akım tarafındaki toprak seviyesinde kendini 50Hz (şebekeye göre 60Hz, eğer anahtarlamalı güç kaynağı ise başka yüksek frekanslar halinde) kendini gösterir, güç kablosu, arayüz (inteconnect) kablosu veya sayısal sinyal taşıyan kablolardan başka cihazlara da ilginç bir şekilde sızar. Özellikle, anahtarlamalı güç kaynaklarının sebep olduğu, “Yüksek Kaynak Empedanslı Sızıntılar” kendilerini oldukça ilginç ve yaratıcı yollar bulurlar.
Bu sızıntı akımları, önceki paragraflarda anlatıldığı gibi cihazların toprak hatlarını kirleterek zamanlama sinyali üreten kaynaklarında işini zorlaştırır.
Çözüm
Ağ anahtarı olarak veya bir bilgisayarın ağ kartı için, toprak hattı gürültüsünü, sızıntı akımları ve zamanlama faz gürültüsünü izole edebilen, keskin zamanlama yapabilen, ethernet kartı veya ağ anahtarı gibi cihazlar kullanmak yararlı görünüyor. Fiber optik ara yüzler, sızıntı akımlarını önleyebiliyor ancak faz gürültüsünün önüne geçemiyorlar. Ethernet portlarında ve bazı USB port tasarımlarında uygulanan “Galvanik İzolasyon”, doğru akım sızıntılarını ve düşük empedans AC sızıntılarını engelleyebilirken, yüksek empedanslı değişken gürültülerinde etkisiz kalabiliyorlar.
Yazıya konu olan UpTone Audio EtherREGEN, yukarıda bahsedilen, sızıntı akımları (hem alçak, hem de yüksek kaynak empedansı için) ve osilatör faz kaymasından kaynaklanan gürültüyü önlemek için tasarlanmış. Cihazın ağa bakan tarafı ile audio oynatıcı tarafı bir birinden izole edilmiş. Bu izolasyon için kullandıkları terim (İng. ‘moat’) eski kalelerin etrafına kazılan ‘hendek’ anlamına geliyor. Hendeğin iki tarafı birbirlerine izolasyonlu köprülerle bağlanmış. Ethernet portları kendi izolasyon önlemlerine sahip. Çok düşük faz gürültüsüne sahip bir osilatör kullanılmış.
Hepsi bu kadar değil. Ancak, bu yazıda daha fazla detaya girmiyorum. Eğer bir aksilik olmaz ise, Mayıs ayında bu ürünü kendi sistemimde deneyerek, hem ürün özelliklerini, hem de kendi deneyimimi buradan paylaşmayı umuyorum. Neden Mayıs ayı? Çünkü üretici Mart ayı stoğunu tüketmiş, bir sonraki üretimin Mayıs ayına doğru biteceği tahmin ediliyor.
