- Wander (Übertragungstechnik)
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Dieser Artikel beschreibt Störungen bei der Signalverarbeitung. Für die Sammlung von Modulen zur Verarbeitung von Videodaten siehe Softwareumgebung Max/MSP. - Interface Jitter
- Sampling Jitter
- Der Interface Jitter so hoch ist, dass die logischen Zustände vom Empfänger falsch interpretiert werden, oder ein Synchronisationsverlust auftritt.
- Der Interface Jitter durch mangelhafte Korrektur der Zeitbasis im Wandler in Sampling Jitter umgewandelt wird.
- Analog/Digital-Wandler
- asynchronen Samplingfrequenz-Wandler
- Digital/Analog-Wandler
- rauschende Netzteile
- schlecht implementierte Erdungswege
- elektromagnetische Interferenzen
- Systemdynamik
- Genauigkeit der Taktung
- Geschwindigkeit der Taktung (proportional zur Samplingfrequenz)
- Frequenzbandbreite
- Periodischer Jitter
- Cycle-to-Cycle Jitter
- Akkumulierter Jitter
- Dennis Derickson, Marcus Müller: Digital communications test and measurement. High-speed physical layer characterization. Prentice Hall, Upper Saddle River NJ 2007, ISBN 978-0-13-220910-6
- Julian Dunn: Jitter. Specification and Assessment in Digital Audio Equipment. 1992 (PDF)
- Dan Lavry: On Jitter. 1997 (PDF)
- Wolfgang Maichen: Digital Timing Measurements. From Scopes and Probes to Timing and Jitter. (= Frontiers in Electronic Testing; 33). Springer US, Berlin 2006, ISBN 0-387-31418-0
- Johann Christoph Scheytt: Takt- und Datenrückgewinnungsschaltungen mit automatischer Wahl der Bitrate für bitratenflexible optische Übertragungssysteme. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum 2000 (PDF)
- Mike Story: Timing Errors and Jitter. 1998 (PDF)
- John Watkinson: The Art of Digital Audio. 3. Auflage. FocalPress, Oxford u. a. 2001, ISBN 0-240-51587-0
Als Jitter [ˈdʒɪtɚ] (engl. für „Fluktuation“ oder „Schwankung“) bezeichnet man ein Taktzittern bei der Übertragung von Digitalsignalen, eine leichte Genauigkeitsschwankung im Übertragungstakt (Clock). Allgemeiner ist Jitter in der Übertragungstechnik ein abrupter und unerwünschter Wechsel der Signalcharakteristik. Dies kann sowohl Amplitude als auch Frequenz und Phasenlage betreffen. Der Jitter ist die erste Ableitung einer Verzögerung (engl. Delay).
In der Netzwerktechnik wird mit Jitter außerdem die Varianz der Laufzeit von Datenpaketen bezeichnet. Dieser Effekt ist insbesondere bei Multimedia-Anwendungen im Internet (zum Beispiel Internet-Radio und Internet-Telefonie) störend, da dadurch Pakete zu spät eintreffen können, um noch zeitgerecht mit ausgegeben werden zu können. Dies wirkt sich wie eine erhöhte Paketverlustrate aus. Der Effekt wird durch einen sog. Jitterbuffer (in etwa "Datenpuffer") reduziert, allerdings zum Preis von zusätzlicher Verzögerung, was bei Video-Übertragungen (Streaming), aber vor allem bei Dialoganwendungen stört. Dieser Effekt spielt außerdem in der Prozessleittechnik eine Rolle. Kritische Prozessinformationen müssen innerhalb einer bestimmten Zeit verschickt und empfangen werden, um z.B. Personen- und/oder Sachschaden zu vermeiden. Wird der Jitter hierbei zu groß, ist ein rechtzeitiges Eintreffen der kritischen Prozessinformationen nicht gewährleistet.
Ein weiteres Beispiel für Jitter sind Fehler, die beim Wandeln von analogen Signalen in digitale Signale auftreten können. Bei der Abtastung (engl. Sampling) wird eine feste Periodendauer verwendet (zum Beispiel 22,67 µs bei 44,1 kHz → Audio-CD), deren jeweilige Amplitudenwerte ausgelesen werden. Hier können nun Jitterfehler durch Differenzen beziehungsweise Ungenauigkeiten in der Periodendauer entstehen, denn daraus ergeben sich andere Amplitudenwerte.
Jitter kann auch bei der Aufzeichnung von Fernsehsignalen auf Videorekordern entstehen. Hier wird der Jitter durch mechanische Toleranzen verursacht. Häufig erscheinen diese Fehler als ein Wackeln des Bildes.
Die Einheit, in der der Jitter durch Messinstrumente gemessen wird, ist die Zeit: die Schwankung der Periodendauer wird typischerweise in µs gemessen.
Jitter mit sehr langsamen Phasenänderungen (kleiner als 10 Hz) bezeichnet man als Wander.
Jitter entsteht zum Beispiel durch Bedämpfung des Hochfrequenzanteils eines Frequenzspektrums auf einer langen Kabelstrecke. Das nennt man dann deterministischen Jitter. Andere Ursachen sind Rauschen (zufälliger Jitter, random Jitter) oder Symbolübersprechen (datenabhängiger Jitter). Um die Qualität einer Übertragungsstrecke beurteilen zu können, versucht man oft, die Ursachen für den vorhandenen Jitter zu finden. Dazu versucht man, den Gesamtjitter in die oben erwähnten Anteile aufzuspalten. Dieses Vorgehen nennt man Jitterseparation.
Achtung: Jitter ist nicht zu verwechseln mit Quantisierungsfehlern.
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Jitter in digitalen Audiosystemen
Einer der wichtigsten Faktoren für die Klangqualität von digitalen Audiosystemen ist Jitter. Der Begriff beschreibt die zeitlichen Abweichungen eines Taktungssignals vom Idealwert. Jitter kann zu klanglichen Unterschieden zwischen Quellen führen, deren Daten identisch sind.
Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von Jitter:
Als Interface Jitter wird die Phasenmodulation der Nulldurchgänge in einem digitalen Datenstrom bezeichnet. Die Hauptursache für Interface Jitter ist die Tiefpasswirkung von Kabelverbindungen, durch die die Flankensteilheit der Rechteckimpulse des digitalen Datenstroms verringert wird. Ein damit verbundenes Phänomen ist die Wechselwirkung der eingebetteten Taktung mit dem Datenstrom auf digitalen Übertragungswegen nach AES3-Norm, durch die ebenfalls Jitter entsteht. Die Verwendung von Kabeln mit fehlerhaften Impedanzwerten begünstigt die Entstehung von Interface Jitter. Der Jitter der Sendeeinheit in der Übertragungsleitung spielt dagegen eine untergeordnete Rolle. Optische Schnittstellen in kostengünstigen Sendeeinheiten sind aufgrund von Asymmetrien bei der Modulation häufig sehr anfällig für Jitter.
Interface Jitter beeinflusst nur dann die Qualität des übertragenen Audiomaterials, wenn:
In folgenden Elementen digitaler Audiosysteme wird eine zeitliche Variation der Taktfrequenz als Sampling Jitter beschrieben:
Ein Sampling Jitter erzeugt hörbare Artefakte, die im folgenden noch näher erläutert werden. Diese Art von Jitter entsteht durch Einstreuungen und Übersprechen auf die Taktungsschaltkreise von Wandlersystemen.
Die Hauptursachen sind:
Die zeitliche Variation der Taktfrequenz kann entweder rein zufälliger Natur sein oder in einem Verhältnis zum Signal stehen. Durch zufälligen Jitter wird dem Signal lediglich ein amplitudenmoduliertes Rauschsignal hinzugefügt. Bei signalabhängigem Jitter sind die klanglichen Artefakte wesentlich drastischer. Das Signal wird in der Phase verzerrt, und es werden ihm Seitenbänder (engl. Sidebands) hinzugefügt. Als Seitenbänder werden hier zusätzliche Signale bezeichnet, die in einem von der Frequenz des Jitters abhängigen Abstand dem Audiosignal hinzugefügt werden. Diese Seitenbänder sind unmusikalischer (inharmonischer) Natur und werden durch ihren relativ großen Abstand zur Frequenz des betroffenen Audiosignals kaum von diesem maskiert (überdeckt). Die stärksten hörbaren Artefakte durch Jitter werden bei Audiosignalen mit der höchsten Frequenz und Amplitude erzeugt. Je höher die Frequenz des Jitters ist, desto größer ist auch der Abstand zwischen dem Signal und den hinzugefügten Seitenbändern. Auch Jitterfrequenzen oberhalb der Samplingfrequenz erzeugen Artefakte im hörbaren Bereich. Je höher die Bittiefe eines Wandlers ist, desto anfälliger ist er für hörbare Artefakte durch Jitter, weil die Seitenbänder durch die höhere Dynamik vom geringeren Grundrauschen (in geditherten Systemen) weniger maskiert werden. Es ist also nicht sinnvoll, einen Wandler allein aufgrund von Angaben über die Bittiefe zu kaufen, wenn nicht auch entsprechende Angaben über die Qualität der Taktung gemacht werden.
Die folgende Grafik zeigt einige relevante Faktoren für die Klangqualität von Wandlern in digitalen Audiosystemen, und ihre Abhängigkeit voneinander. Da es sich bei einem Wandler um ein System handelt, hat jede Veränderung einzelner Elemente des Systems Auswirkungen an anderer Stelle. Um eine optimale Klangqualität zu erzielen, können also nicht einzelne Fragmente des Systems optimiert werden, ohne die ganzheitlichen Auswirkungen zu berücksichtigen.
Die folgende Grafik erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sie soll lediglich dazu dienen, die Relevanz von Jitter in digitalen Audiosystemen anschaulich zu machen.
Die gegenseitige Abhängigkeit der einzelnen Faktoren ergibt sich wie folgt:
Eine Erhöhung der Systemdynamik führt zu einem geringeren „Grundrauschen“ (in geditherten Systemen). Somit sind die Anforderungen an die Taktungsqualität höher, weil jitterinduzierte Artefakte weniger vom „Grundrauschen“ maskiert werden.
Wenn die Genauigkeit der Taktung verbessert wird, sinkt die Amplitude der jitterinduzierten Artefakte. Das bedeutet, dass eine höhere Systemdynamik realisiert werden kann. Allerdings ist die Genauigkeit der Taktung auch abhängig von der Taktungsgeschwindigkeit.
Je höher die Geschwindigkeit der Taktung ist, desto ungenauer wird sie im Prinzip. Wenn die Taktung ungenauer wird, bedeutet das stärkere Jitterartefakte.
Je höher die Frequenzbandbreite des digitalen Audiosystems ist, desto höher muss die Taktungsgeschwindigkeit sein. Einer Erhöhung der Taktungsgeschwindigkeit verringert jedoch die Taktungsgenauigkeit. Eine geringere Taktungsgenauigkeit bedeutet, dass eine geringere Systemdynamik realisiert werden kann.
Mathematische Definitionen von Jitter
Jper = Tper(1) − T0
Dabei ist Tper(1) die Periodendauer der ersten Schwingung nach dem Triggerevent und T0 die ideale Periodendauer.
Jcc = max(Tper(n) − Tper(n + 1))
Es wird die maximale Abweichung von einer Periode zur nächsten ermittelt.
Beim akkumulierten Jitter wird beginnend bei einem Triggerevent (steigende Flanke einer Clock) der Jitter auf dieses Event bezogen. Je länger die Takte in der Zukunft liegen desto größer wird auch die Verschiebung sein, wenn der Jitter nicht gleichverteilt ist.
Literatur
Siehe auch
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