抖動/歪斜,抖動/歪斜是什么意思

什么是抖動（jitter）

所謂jitter就是一種抖動。具體如何解釋呢？讓我們來看一個例子。假如你有個女友，你希望她每天晚上下班之后7點來找你，而有的時候她6:30到，有的時候是7:23，有的時候也許是下一天。這種時間上的不穩定就是jitter。如果你多觀察這種時間上的不規律性，你會對jitter有更深一些的理解。

在你觀察的這段期間內，女友最早和最晚到來的時間被稱為“jitter全振幅”（peak to peak jitter amplitude)。“jitter半振幅”（jitter-amplitude）就是你女友實際來的時間和7點之間的差值。女友來的時間有早有晚，jitter半振幅也有正有負。

通過計算，你可以找出jitter半振幅的平均值，如果你能夠計算出你女友最有可能在哪個時間來，你就可以發現女友來的時間是完全無規律的（隨機jitter radeom jitter）還是和某些特定事情有關系（關聯jitter correlated jitter）。所謂關聯jitter就是比如你知道你的女友周四要晚來，因為她要去看她的媽媽。如果你能徹底明白這點，你就已經是一個correlated jitter的專家了。

什么是時基抖動（Clock jitter）

在數字音頻中，我們要直接和數字信號的發送與傳輸打交道。聲音以二進制編碼被儲存在光盤或者DAT卡帶中，在回放音樂的時候，這些010101的信號被送進DA轉換器(Digital-Analog converter）并被還原為模擬波形信號；在錄制數字音頻的時候，一個參考時鐘信號會和音頻信息一起被送進AD轉換器（Analog-Digital converter），轉換器把模擬信號轉換為0101的數字信號并且記錄下來。

數字信號總是和一個參考時鐘信號一起傳送并且記錄，一些數字音頻傳輸格式如S/PDIF和AES/EBU，它們在一個信號中同時傳送數據和時鐘。數字音頻的時鐘信號是一種方波（square-wave），并且在頻率以及振幅上被進行了修正，而且它的占空比要達到50%。信號的改變（方波波形的高低變化即電平的高低）記錄著時鐘信息。

如果信號傳輸所用的時間不相等，那么就產生了時基抖動，實際上，世界上是沒有任何一個不存在時基抖動的電路（就好像你的女友不可能總是以1/1000秒的精確時間到達：）現在，你已經具備了時基抖動基本知識，下面，讓我們看一些更深層的。

Joe Adler是這樣定義時基抖動的：“對于數字信號在時間上正確位置有重大影響的短時間的改變。”（"Short-term variations of the significant instants of a digital signal from their ideal positions in time"）在Adler的這篇文章中，他還講了關于如何測量jitter的技術。

什么產生了jitter

需要精確的東西都是越精確越難以做到。在后面的文章中，你將了解到，數字音頻需要非常非常高的時鐘精確度，因為我們的耳朵對于聲音的質量似乎異常敏感。因此，為了得到最精確的結果，我們需要非常精確的測量儀器。通常，數字音頻設備的時鐘都是由非常精密的晶體振蕩器產生的。

正如Mike Story說的：“基于晶振（晶體振蕩器以及壓控晶體振蕩器產生的）產生的時鐘具有非常的低的jitter，但是jitter仍然存在。”（"Crystal based clocks (XCO′s, VCXO′s) generally have the lowest jitter - but they still have some." ）“在設備中還有其他產生遠比壓控晶體振蕩器產生更多jitter的jitter源。”（"There are other sources of jitter inside equipment that may contribute substantially more than the VCXO."）這里所說的其他jitter源主要是電源供電部分產生的電壓波動，這些波動對于DA轉換器是很致命的，它會導致轉換點在邏輯上發生時間變化（causing variations in logic level switch points）。

Episode 4：CD player里面到底發生了什么

如果電源噪音（電壓波動）導致切換點邏輯上的時間抖動，那么播放器（CD，MD，DVD，DSD，DAT）里面到底發生了什么？

一個簡單的CD播放器里面有多個馬達，驅動電路以及控制電路。為了能夠正常讀取盤片，機器要做以下工作：首先，主軸馬達驅動CD盤片轉動并達到預定速度，控制光頭位置的定位馬達驅動光頭定位到預定軌道上，最后，驅動回路控制光頭聚焦，光頭發射激光并且接收反射信號。每一個馬達和回路都會增加電源噪音，這些噪音直接影響DA轉換器的內部工作狀態。所以，每一個馬達和回路都會為數字信號增加另外一種jitter（頻率，振幅以及波形上的不同），這些干擾通過不同方式都會影響到聲音的質量。

產生jitter的源

jitter可以分為兩種：交界面產生的jitter（interface jitter）和采樣中產生的jitter（sampling jitter）。交界面產生的jitter可以進一步被劃分為傳送過程中產生（transmitter jitter）的（比如為了把數字信號輸出到轉盤外部所產生的）和線材引起（line induced jitter）的。當我們把CD的數字輸出和外部的DA轉換器連接在一起的時候，不管使用同軸線纜，還是TOSLINK光纖接口，或者SToptical接口，都將在源信號中引入jitter。有趣的是，不同的接口會引入不同類型的jitter（波形，頻率，振幅以及相關性上的不同）。

采樣jitter（sampling jitter）

在聲音再生的過程中，我們通過許多方法削弱在DA轉換器之前產生的jitter，對于這個，我們將在“如何消除jitter”中具體討論。但是你應當知道，如果在數字信號的錄制過程中jitter就已經產生了這怎么辦呢？答案很簡單，重新錄一份：)數字錄音過程中產生的時基抖動究竟是怎么一回事呢？答案是正確的采樣記錄在了時間軸錯誤的位置上。而在錄音之后，這是jitter完全不可以被矯正的。傳輸過程產生的以及線材引起的jitter對于整套數字錄音系統的品質有至關重要的影響。作為數字錄音系統的主要器材，AD轉換器的時鐘發生器會夾雜相當數量的jitter。這些夾雜著jitter的時鐘信號通過數字線路，被傳送到AD轉換器中，而在這個過程中，又會引入線材產生的jitter。這些帶有jitter的信號會成為參考時鐘信號被送入AD轉換器，并且決定信號采樣點的位置最終記錄下來。AD轉換器內部的電路可以削減一部分外部產生的jitter，但是它不能去掉全部。因此對于錄音師來說，AD轉換器時鐘信號中引入越少量的jitter，最終得到的記錄質量就越好。Bob Katz在他的文章中這樣說：“模擬－數字轉換器是整套數字音頻電路中最容易受到jitter影響的部分。”（"The A to D Converter is one of the most critical digital audio components susceptible to jitter"）

對于低成本的設備來說，使用內部的參考時鐘的AD轉換器可以避免因數字接口以及參考時鐘和外部轉換器之間產生交界面jitter，但是如果需要在已有的音軌后面添加新的內容，那么就需要同步AD轉換器和已經錄制的音軌。這種情況下，你就需要一個外部參考時鐘。高質量的錄音工作室通常使用高精度（通常是可以控制的）的參考時鐘來同步AD轉換器。如果你有一個好的時鐘發生器，它會大大減少傳輸過程中產生的jitter，但是你仍然要和傳輸過程中線材引起的jitter做斗爭。

時鐘歪斜

時鐘歪斜是FPGA設計中最嚴重的問題之一。電路中控制各元件同步運行的時鐘源到各元件的距離相差很大，時鐘歪斜就是在系統內不同元件處檢測到有效的時鐘跳變沿所需的時間差異。為了保證各個元件的建立保持時間，歪斜必須足夠小。若歪斜的程度大于從一邊緣敏感存儲器的輸出到下一級輸入的延遲時間，就能使移位寄存器的數據丟失，使同步計數器輸出發生錯誤，故必須設法消除時鐘歪斜。減少時鐘歪斜的方法有以下幾種：(１)采用適當的時鐘緩沖器，或者在邊緣敏感器件的輸出與其饋給的任何邊緣敏感器件輸入端之間加入一定的延遲以減小歪斜。(２)嚴重的時鐘歪斜往往是由于在FPGA內的時鐘及其它全局控制線(如復位線)使負載過重造成的，在信號線上接一串線形緩沖器，使驅動強度逐步增大，可以消除時鐘歪斜。(３)在受時鐘控制的部件之后分別接入緩沖器，并在兩個緩沖器輸出端之間接一平衡網絡。(４)采用FPGA內的ＰＬＬ模塊可以對輸入時鐘進行很好的分頻和倍頻，從而使時鐘歪斜減到最低程度。