Para Intxu y Gardel (y para ejemplificar la influencia del modo asíncrono en el desfase de muestras en una correlación peródica-
jitter-en dispositicos y convetidores conectados por USB y cómo se han ido solventando esas deficiencias):
http://audio-probe.com/en/documentation/clock-jitter-and-audio-quality/?ckattempt=1
Introducción
Todos los sistemas de audio digital deben utilizar la conversión de señal analógica a digital (conversión AD) y la conversión de señal digital a analógica (conversión DA). AD Conversion cambia una señal analógica continuamente variable a valores de señal digital discreta a partir de la señal continua en un intervalo de tiempo regular (muestreo) y discretizando su variable de amplitud (cuantificación). DA Conversion hace lo contrario, tomando un número finito de muestras digitales y uniéndolas en una sola señal analógica.
En este proceso de conversión, si puede minimizar el daño o deterioro inevitable que se produce, la calidad del sonido resultante se parecerá más al audio original. De todas las causas "inevitables" de los errores digitales que afectan la calidad del audio, comencemos por ver los errores "relacionados con el tiempo", como el sistema de reloj y la fluctuación del reloj. 1
¿Qué es el jitter?
La fluctuación normalmente se refiere a cualquier desviación no deseada en la sincronización de la señal periódica supuesta. En audio digital, una fluctuación de muestreo se refiere a un error de sincronización que se produce con el reloj base que se utiliza para el muestreo. Podemos clasificar las fluctuaciones del reloj en varios tipos, pero expondremos el concepto general de fluctuación y su impacto en la calidad del sonido.
Cuando queremos grabar y reproducir el sonido original a través de una interfaz de audio determinada, el jitter es el factor principal que puede afectar la calidad del sonido.
Reloj de muestreo
En el proceso de muestreo, necesitamos puntos de referencia para medir unidades de tiempo. Estos puntos de referencia son lo que denominamos reloj de muestreo.
La frecuencia de muestreo es la frecuencia básica a la que se dividen y muestrean los datos por segundo. Por ejemplo, en una frecuencia de muestreo de 48 kHz, cada segundo puede tener 48.000 muestras de datos. Para hacer 48.000 muestras digitales para ADC en una señal analógica, el reloj de muestreo debe funcionar a un mínimo de 48.000 veces por segundo.
Dado que los ADC / DAC de alto rendimiento actuales utilizan modulación ΔΣ (delta-sigma), en realidad realizan un muestreo muy rápido y se utilizan muchos más relojes de muestreo que las velocidades de muestreo reales. Este método tiene muchos beneficios, como la facilidad comparativa de hacer un convertidor de alto rendimiento, así como su facilidad para minimizar los errores de cuantificación dentro del rango de audición humana. Esto se denomina sobremuestreo cuando el muestreo es muchas veces mayor que la frecuencia de muestreo original. El número de reloj de sobremuestreo es generalmente un múltiplo entero constante de la frecuencia de muestreo. (por ejemplo, 64x, 128x, etc.)
En este proceso, los datos muestreados se convierten en datos que coinciden con la frecuencia de muestreo después de procesarlos digitalmente. (a través de filtros o así sucesivamente)
Jitter de muestreo
Consideremos un baterista en la banda para comprender mejor cómo funciona un reloj de muestreo. Digamos que tenemos una canción en la que el metrónomo está ajustado a 120 bpm. Si el baterista es solo un principiante, entonces la batería estará por delante o por detrás del ritmo real del metrónomo. Naturalmente, los otros músicos de la banda se confundirán, el ritmo no coincidirá y la música saldrá mal.
Piense en el metrónomo como un reloj de muestreo ideal y en un baterista pobre como un reloj de muestreo tembloroso. El reloj de muestreo puede estar un poco por delante o por detrás de la sincronización de un reloj ideal. Esto se denomina Error de tiempo. En audio digital, la fluctuación hace que los puntos de muestreo no estén sincronizados.
En la FIGURA 1 podemos ver los problemas que aparecen cuando AD Conversion realiza el muestreo con un reloj de muestreo jitterizado. Debido a las pequeñas diferencias entre el reloj ideal y el reloj inestable, los puntos de la señal analógica se muestrean incorrectamente.2
Clock_Jitter_r01 (1)
FIGURA 1. Reloj de muestreo ideal (en azul) frente al reloj de muestreo con nerviosismo (en rojo)
A medida que aumenta la cantidad de fluctuaciones, también aumenta el número de errores. A medida que disminuye la fluctuación y el reloj de muestreo se acerca al reloj ideal, los errores disminuyen y la señal analógica original se convierte más fielmente en una señal digital.
Las causas de la fluctuación de muestreo varían y pueden ocurrir en todos los sistemas reales. Todo tipo de causas complejas pueden crear Jitter, como problemas en los componentes del producto o problemas de diseño.
La causa más común de fluctuaciones en los sistemas de audio digital depende de los métodos utilizados para crear el reloj de muestreo. Los métodos para crear un reloj de muestreo para ADC / DAC pueden clasificarse en gran medida en dos tipos.
El primer método consiste en utilizar dispositivos que oscilen regularmente, como un oscilador de cristal, un reloj atómico, etc., junto con un circuito electrónico adicional. Este método crea un reloj que es muy preciso (dependiendo del esfuerzo y el dinero invertido) y en general tiene un nivel muy bajo de jitter.
El segundo método usa PLL (Phase-Locked Loop) que usa una frecuencia de referencia de bajo nivel para crear una frecuencia más alta. Por ejemplo, un reloj de 48 kHz usa PLL para obtener un reloj que es 512 veces más rápido a 24.5760 mHz. El rendimiento de PLL ha mejorado mucho y existe una gran cantidad de tecnología para reducir el jitter, pero el nivel de jitter sigue siendo alto en comparación con el uso de un oscilador de cristal. La comunicación por teléfono celular y la radio digital general a menudo usa PLL.
Jitter de muestreo dependiente del modo USB
Hemos analizado la influencia que puede tener la fluctuación de muestreo en los procesos de muestreo. Ahora, examinemos la relación entre la fluctuación de muestreo y la forma en que la interfaz de audio USB se comunica con la computadora. En términos generales, el reloj de muestreo se puede generar utilizando uno de los dos modos siguientes, según el tipo de comunicación USB entre la computadora y la interfaz de audio.
Modo adaptativo
En este enlace, el reloj de muestreo del equipo de audio coincide con el reloj relativamente lento de la computadora host, y se genera y corrige a través de PLL. En el estándar USB Full Speed, el reloj de muestreo se realinea de acuerdo con una señal de 1 ms (1 kHz). El equipo de audio depende de la computadora host para su funcionamiento. PLL se utiliza para hacer que un reloj lento sea más rápido con fines de muestreo, pero una mayor diferencia entre la frecuencia de entrada y la frecuencia de salida produce una mayor cantidad de fluctuación en la frecuencia de entrada. Esto da como resultado un nivel de fluctuación relativamente más alto en la frecuencia de salida. Este método involucra componentes comparativamente pequeños y circuitos simples, y es fácil de implementar debido a su estructura de software simple.
Modo asincrónico
En este método, la computadora y la interfaz de audio se comunican a través de una comunicación asincrónica bidireccional mientras intercambian solo datos de audio y control. Dado que utilizan comunicación asincrónica, no es necesario ajustar sus relojes base. Por lo tanto, el dispositivo de audio USB puede funcionar con un reloj de muestreo completamente independiente. El reloj de muestreo se puede crear con gran precisión, ya que se puede crear directamente desde el dispositivo de audio, produciendo así un reloj con un jitter adecuadamente bajo para un ADC / DAC de alto rendimiento. Sin embargo, al intercambiar datos, se requiere una capacidad avanzada de diseño de hardware o software debido al alto nivel de detalle del sonido.
Clock_Jitter_r02
FIGURA 2. Reloj de muestreo del modo adaptativo
Clock_Jitter_r03
FIGURA 3. Reloj de muestreo del modo asincrónico
Creación del reloj de muestreo en modo asíncrono
En el modo asíncrono, es importante aumentar la calidad del reloj del dispositivo de audio tanto como sea posible, ya que afecta directamente la calidad del reloj de muestreo.
Los modernos ADC / DAC ΔΣ (delta-sigma) transmiten datos de audio PCM de acuerdo con el estándar I²S3. A partir de las señales I²S, se utiliza el reloj más rápido, llamado Master Clock, y se crea un reloj de muestreo dividiendo ese reloj por un número entero múltiple. Por lo tanto, el reloj maestro debe ser preciso para muestrear con baja fluctuación.
Los dispositivos de audio digital normalmente admiten dos frecuencias de muestreo, 44,1 kHz y 48 kHz, y sus múltiplos, por lo que se requieren al menos dos sistemas de generación de reloj maestro diferentes. Para una frecuencia de muestreo de 48 kHz y sus múltiplos, necesitas que el reloj maestro sea 24.5760MHz o la mitad de eso, 12.288MHz. Para 44,1 kHz y sus múltiplos, necesitas 22,5792 MHz o 11,2896 MHz. Estas relaciones de reloj generalmente se deciden si son compatibles con el ADC / DAC, pero generalmente siguen la TABLA 1.
TABLA1. Reloj maestro frente a tasas de muestreo
Reloj maestro 512fs 256fs 128fs
22,5792 MHz 44,1 kHz 88,2 kHz 176,4 kHz
24,5760 MHz 48,0 kHz 96,0 kHz 192,0 kHzPor varias razones (en particular, el costo y la facilidad de diseño). todos los relojes anteriores se pueden crear sin los dos osciladores precisos y usar PLL en su lugar. Como se mencionó anteriormente, el PLL tiene un nivel de fluctuación más alto en comparación con los circuitos osciladores normales.
Examinemos la forma y el jitter de un reloj normal al considerar el modo de conexión USB y el método de creación.
D130207_Jitter_AMONSE
FIGURA 4. Reloj maestro y jitter para una interfaz de audio usando el modo adaptable USB
D130207_Jitter_PL611
FIGURA 5. Reloj maestro de la interfaz de audio cuando se usa PLL en modo asíncrono USB
D130207_Jitter_Spartan_Cue_Crystal
FIGURA 6. Reloj maestro de Spartan Cue en modo asíncrono USB usando un oscilador de cristal de alta precisión
Las figuras 4, 5 y 6 muestran la fluctuación del reloj según cómo se creó el reloj maestro. Como el reloj que se mueve hacia arriba y hacia abajo generalmente realiza todos los disparos de muestreo en el borde ascendente, estamos haciendo zoom en este punto en la base de tiempo dada. La pendiente que aparece cuando el reloj se mueve hacia arriba se llama Slew Rate. No hay mucha diferencia entre las velocidades de respuesta generales de los tres relojes, pero el grado de oscilación del reloj contra la línea de tiempo es muy diferente. La FIGURA 4 amplía el reloj maestro de la interfaz de audio, que funciona en modo adaptativo en USB Full-Speed general. La línea vertical naranja en ambos lados muestra la desviación máxima de los relojes, y la forma de carámbano en la parte superior muestra la distribución del error como un histograma. Esta distribución se encuentra principalmente cerca del centro, pero la desviación máxima excede 1 nanosegundo.
La FIGURA 5 es el reloj maestro del producto que usa PLL en modo asíncrono USB. En comparación con el jitter del reloj en el modo adaptativo, puede ver cómo el ancho del jitter ha disminuido casi a la mitad. La desviación máxima tiende a ser de unos 500 ~ 600 picosegundos.
La FIGURA 6 muestra el reloj maestro SPARTAN CUE de AUDIOPROBE en modo asíncrono USB usando un oscilador de cristal de alta definición y circuitos. En comparación con el modo PLL, puede ver cómo el jitter se reduce aproximadamente a la mitad. La distribución del histograma también es muy nítida, y la forma se asemeja a un carámbano. La distribución de la desviación a la izquierda y a la derecha también se reduce. Este método requiere una gran cantidad de esfuerzo técnico, pero da como resultado una calidad superior con mucho menos jitter.
Resumen
¿Qué tipo de efectos negativos provoca el jitter en DAC? ΔΣ (delta-sigma) DAC también pone muchas muestras digitales discretas junto con un reloj de muestreo rápido para crear una señal analógica continua. Dado que la fluctuación de muestreo hace que el punto de muestreo no esté sincronizado en este proceso, provoca un deterioro en la calidad de la señal analógica final. Los actuales ADC / DAC de alto nivel incorporan tecnologías que les permiten minimizar la fluctuación del reloj maestro, pero fundamentalmente no pueden eliminar por completo la influencia de la fluctuación de muestreo. Por lo tanto, hacer un reloj de muestreo con baja fluctuación es un paso importante para mejorar la calidad del sonido.
Revisamos los beneficios técnicos del modo asíncrono USB, así como el circuito generador de reloj. Se requiere tanto un estudio en profundidad como un desarrollo tecnológico para manejar y mejorar estas tecnologías para mejorar continuamente la calidad de audio final. Por ejemplo, si una interfaz de audio que utiliza el modo asíncrono y un oscilador de cristal tiene un circuito de alimentación inestable o ruido en un circuito interior, el nivel de fluctuación aún puede aumentar.
Un sonido grabado o que se reproduce con un reloj de muestreo alto con un nivel de fluctuación alto puede perder su efecto estéreo y distorsionarse. Existen interfaces de audio para grabar un sonido original y reproducirlos de forma auténtica. No todos los músicos necesitan conocer el funcionamiento interno detallado de una interfaz de audio, pero para grabar o reproducir un sonido, es importante saber qué tipo de mejoras y opciones se necesitan.
La tecnología digital de AUDIOPROBE se está expandiendo para abarcar también funciones de tecnología analógica.
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