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Kurvendiskussion Dieses Forum ist dazu gedacht, eigene Messungen zu veröffentlichen und mit geneigten Usern zu diskutieren

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  #1  
Alt 29.05.2014, 20:58
modmix modmix ist offline
 
Registriert seit: 19.07.2012
Beiträge: 255
Standard Player-Eingenschaft am Word-Clock sichtbar?

Hallo,

ziemlich deutlich gibt es Unterschiede zwischen Software-Playern auf einem ansonsten gleichen PC - etwa foobar2000, JPlay, MQ jeweils in verschiedenen Versionen bzw. mit verschiedenen Einstellungen.

Bei Software könnte es natürlich sein, daß die Daten nicht unverfäscht an den DAC ausgegeben werden. Aufnahme des digitalen Datenstroms (SPDIF) mit einem zweiten PC hat in den hier behandelten Fällen gezeigt, daß die von dem zweiten PC aufgezeichneten PCM-Daten identisch zu den abgespielten sind.

Bleibt eigentlich nur das Timing, die Genauigkeit, mit der der Word-Clock in dem SPDIF-Datenstrom übertragen wird. Dies wird z.B. hier behandelt - die Breite der Word-Clock-Pulse variiert statt normgerecht konstant zu sein:


Ein falscher Zeitpunkt der ansonsten korrekten Wandlung ändert das Signal - z.B. hier gezeigt:


Genau hier, wird behauptet, unterscheiden sich SW-Player(und die Hardware oder das Betirebssystem).

Kürzlich hatte ich leihweise einen recht guten Zähler (Agilent 53230A), mit dem die Messung der Pulsbreite auch direkt aufeinander folgender Pulse mit ziemlicher Genauigleit messen kann. Damit habe ich das Word-Clock-Signal der Hammerfall DSP AES-32 in meinem Audio-PC für verschiede Player aufgezeichnet.

Erwartet habe ich, Unterschiede beim Schwanken (aka Jitter) sehen zu können - idealerweise weniger Schwankungen bei dem Player, der in meinen Ohren besser klingt (hier Foobar2000 < JPlay 5.2 UltraStream < JPlay XTream < MQn - Reihung berücksichtigt die Präzision der Darstellung in meiner Installation, nicht unbedingt des Gefallens).

Erste Überraschung:
Die Pulsebreite schwankt bei allen Playern heftig - so hatte ich mir das nicht vorgestellt - hier die jeweils ersten Sample von 441000 Samples beim Abspielen von 44k1-Tracks :



Die Verteilung zeigt Unterschiede - sind die signifikant?


Jetzt wäre wohl die Allan-Varianz (oder deren Variationen) drann.
Stable32 habe ich erworben, komme aber nicht mit klar....

Also von Hand die Quadrate der Breitenunterschied von einem Sample zum nächsten bestimmt. Das gibt diese Verteilung:


... auch nicht wirklich signifikant.

Fragen:
  • Ist die Annahme falsch?
  • Ist die Messung nicht genau genug?
  • Ist die Auswerung nicht angemessen?
Bin gespannt auf Kommentare.

Ulli
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  #2  
Alt 30.05.2014, 04:12
Truesound Truesound ist offline
 
Registriert seit: 29.07.2011
Beiträge: 3.097
Standard

Sampling Jitter - Data Jitter

Jedes Gerät in einer Übertragungskette erzeugt selbst Jitter. Dieser Eigenjitter (intrinsic jitter) wird durch das Phasenrauschen der Takterzeugung bzw. der Takt-Synchronisation bestimmt.
Soll dieser Eigenjitter gemessen werden, so ist darauf zu achten, dass Jitter auch durch die Bitmuster erzeugt wird (pattern-dependent jitter). Daher muss bei dieser Messung des "Sampling Jitters" das Audio-Signal "ausgeblendet" werden, dies geschieht, indem man das Messgerät auf das Wordclock-Signal synchronisiert, bzw. auf die Präambel im AES/EBUDatenstrom.
Bei der Messung des "Data Jitter" wird auf den Biphase-Clock synchronisiert, es wird also der Zeitversatz jedes einzelnen Daten-Bits bestimmt.

Jitteramplitude

Die Jitteramplitude gibt die Abweichung der Signalflanke in Bezug auf den idealen Zeitpunkt an.
Diese Angabe kann auf folgende Arten geschehen:
als Phasendifferenz Dj
Fasst man Jitter als Phasenmodulation auf, kann die Jitteramplitude als Spitze-Spitze- Wert des Phasenhubs Dj angegeben werden (in Grad oder rad).

als Zeitdifferenz Dt
Wird Jitter als zeitliche Abweichung vom idealen Nulldurchgang verstanden, so erfolgt
die Angabe der Jitteramplitude als maximale einseitige Schwankung Dtpos bzw. Dtneg

oder als Spitze-Spitze-Wert des Jitters in Nanosekunden.
· als Unit Interval UI

Inzwischen hat es sich mehr und mehr durchgesetzt, die Jitteramplitude in der Einheit
UI (Unit Interval) anzugeben. Ein Unit Interval ist der kleinste zeitliche Soll-Abstand zweier Signalflanken und entspricht der halben Taktperiode, mit der das Digitalsignal getaktet ist. Die Angabe in UI ist damit unabhängig von der Abtastrate und erlaubt es, Jitterwerte von Audio-Signalen unterschiedlicher Sample-Rate direkt miteinander zu vergleichen, bzw. Jittergrenzwerte festzulegen, ohne jedes Mal die Abtastrate angeben zu müssen.
Bei 48 kHz-AES/EBU-Signalen gilt: 1 UI = 163 ns

Auswirkungen von Jitter - Jitterverträglichkeit
Jitter wirkt sich in unterschiedlichen Schaltungsteilen auf zweierlei Arten aus:
· Synchronisationsstörungen
· Zunahme von Verzerrungen
Wie häufig in der Digitaltechnik, so gibt es auch hier Grenzkriterien bei deren Überschreitung
sich Störungen auswirken. Diese Jitterverträglichkeit, zusammen mit den Auswirkungen von Jitter, soll im nächsten Abschnitt näher erläutert werden.

Synchronisationsstörungen
Bei der Zusammenschaltung von digitalen Audiogeräten muss der Systemtakt in jeder Komponente regeneriert werden. Ist der Jitter (data jitter) jedoch so groß, dass die einzelnen Datenbits nicht mehr eindeutig erkannt werden, so führt dies zu einem sprunghaften Anstieg der Bitfehlerrate. Im Extremfall fällt die Synchronisation aus, die Verbindung ist unterbrochen.
Zur Vermeidung dieser Synchronisationsfehler darf der Jitter - auch nach
Hintereinanderschaltung mehrerer Übertragungsglieder - bestimmte Grenzwerte nicht übersteigen. Bei Tonstudio-Geräten liegt die Grenze abhängig von der spektralen Zusammensetzung des Jitters im Bereich 50 ... 150 ns (0,3 ... 0,9 UI).
Die AES3-1992 definiert die Jittergrenzwerte für die digitale Signalübertragung wie folgt:
die maximale einseitige Abweichung der Signalflanken vom idealen 48 kHz-Takt darf ± 20 ns nicht überschreiten. Dies entspricht einem Spitze-Spitze-Wert von 40 ns oder 0,25 UI. Die Abweichung wird an den 50 %-Punkten des Signalpegels gemessen. Grenzwerte für Form oder Frequenz des Jitters sind hierfür nicht definiert. Jitter auf den Übertragungsleitungen kann mit modernen Audio Analysatoren gemessen werden. Jedoch ist die Bedeutung dieser Störungen gesunken, da heute mehr und mehr Synchronisationsschaltungen an den Eingängen jedes einzelnen Gerätes innerhalb einer Übertragungskette eingesetzt werden.
Zunahme von Verzerrungen
Sampling Jitter kann die Veränderung des Audio-Signals bewirken. Bei jeder Abtastung (A/DWandlung)
und Rekonstruktion (D/A-Wandlung) des analogen Audio-Signals führt die
Abweichung der zeitlichen Lage der Abtastwerte durch den verjitterten Takt zu Verzerrungen der ursprünglichen Signalform.


Zunächst gehen wir davon aus, dass der Takt für die Abtastung des analogen Signals verjittert ist. Die einzelnen Sampling-Werte werden also nicht in äquidistanten Zeitabschnitten ermittelt, sondern teils etwas zu früh (Sample Nr. 2), teils etwas zu spät (Sample Nr. 3 und 4) aus dem Originalsignal entnommen. Werden diese Abtastwerte nun in einer späteren Übertragungsstufe zu anderen Taktzeiten - hier gezeichnet zu idealen äquidistanten Zeitpunkten - in den Signalverlauf "eingebaut", so ergeben sich Verzerrungen in der resultierenden Kurvenform.
Im umgekehrten Fall der D/A-Wandlung geschieht prinzipiell das gleiche, wie im rechten Teil.

Durch die Messung des Klirrfaktors kann diese Verschlechterung der Audio-Qualität nachgewiesen werden. Die AES 17 beschreibt hierzu die sogenannte "Jitter Susceptibility"- Messung. Im Falle einer D/A-Strecke wird der Takt des digitalen Audio-Signals mit Jitter beaufschlagt, die daraus resultierenden Verzerrungen des Analogsignals werden mittels....

Bei einer A/D-Übertragung wird ein analoges Testsignal angelegt während der Takt des Wandlers verjittert wird. Die Verzerrungen des Audio-Signals werden auf der digitalen Seite gemessen.
Zur Abschätzung des Jittergrenzwertes kann man folgende Frage stellen:
"Um wie viel muss der Abtastzeitpunkt verschoben sein, um gerade einen Fehler von einer Quantisierungsstufe zu erzeugen?"
Unter der Annahme, dass das Sinussignal eine Frequenz von 20 kHz und
maximalen Pegel besitzt (worst case), lässt sich der Zeitfehler Te für ein 16 bit-System wie
folgt berechnen:
T ps e = 21- N / w = 243
Wird das digitale Signal neu synchronisiert, z.B. bei der D/A-Wandlung, so wird aus dem Zeitfehler ein Amplitudenfehler, der sich dem Signal überlagert. Soll dieser Fehler vernachlässigbar sein, so muss er kleiner sein als ½ Quantisierungsintervall. Für obiges Beispiel einer 16 bit-Quantisierung also < 121 ps. Für ein 20 bit-System wäre der Wert um den
Faktor 24 kleiner, also < 7,6 ps!
Im vereinfachenden Fall einer sinusförmigen Jittermodulation treten die Verzerrungen in der analogen Ebene in Form von Seitenbändern auf, deren Amplitude zur Jitteramplitude proportional ist. Der Frequenzabstand dieser Seitenlinien vom Tonsignal entspricht der Jitterfrequenz.
Jitterfrequenzen des Wordclocks im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz können im analogen Signal deutlich hörbar sein, da sie in aller Regel zum Musiksignal unharmonische Komponenten darstellen. Tieffrequente Jitterkomponenten erzeugen Signalanteile, die sehr nahe bei der anregenden Tonfrequenz zu liegen kommen und vom menschlichen Ohr durch die Maskierung
kaum wahrgenommen werden. Aus diesem Grund müssen die Anforderungen an die Jitterdämpfung bei tieffrequentem Jitter weniger hoch sein.....
__________________
Wer in Zukunft nur noch mit der Maus wild herumklickt und irgend etwas erzeugt, von dem er garnicht wissen will, wie es zu Stande kommt, ist leider nur ein Anfänger in einer Welt, in der alles schon einmal da war -auch Fachleute. (Karl-Hermann von Behren)

Geändert von Truesound (30.05.2014 um 04:19 Uhr).
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  #3  
Alt 30.05.2014, 08:11
Hedonist2 Hedonist2 ist offline
 
Registriert seit: 28.04.2014
Beiträge: 56
Standard

Oh. Mann....

Hier toben sich aber die Mathematiker aus.
__________________
Erfolge machen Stolz. Niederlagen machen Dich Stark.
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  #4  
Alt 08.04.2015, 19:49
modmix modmix ist offline
 
Registriert seit: 19.07.2012
Beiträge: 255
Standard

BTW: bin Physiker
Und tobe mich jetzt hier nicht mehr aus.
Aber: danke für den aufmunternden Beitrag.
Habe in der Tat ein paar Fortschritte gemacht, die zu posten ich mir schenke, um nicht zusätzliche Irritationen auszulösen
Ulli
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  #5  
Alt 08.04.2015, 21:41
sincos sincos ist offline
Gewerblicher Teilnehmer
 
Registriert seit: 27.04.2014
Beiträge: 537
Standard

Zitat:
Soll dieser Fehler vernachlässigbar sein, so muss er kleiner sein als ½ Quantisierungsintervall. Für obiges Beispiel einer 16 bit-Quantisierung also < 121 ps. Für ein 20 bit-System wäre der Wert um den
Faktor 24 kleiner, also < 7,6 ps!
Für richtigerweise "Faktor 16" stimmt das Zahlenverhältnis. Aber wie kommst Du auf 121 ps?

44,1kHz: 22,675737us / 2^17 = 173ps
48kHz: 20,833333us / 2^17 = 159ps

Zitat:
Die Verteilung zeigt Unterschiede - sind die signifikant?
Die Unterschiede weniger, aber dafür der Frequenzjitter absolut. Er beträgt etwa das Vierfache des maximal zulässigen Wertes für eine 16 Bit Auflösung. Es sind also nur noch maximal 14 Bit Auflösung vorhanden. Je nachdem, welches komplexe Gezappel die unteren Bits veranstalten, wird die Musik unterschiedlich verfärbt, was die Klangunterschiede erklärt.
__________________
http://www.audio-optimum.com/
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