音频英语A-Z: Jitter

音频英语A-Z: Jitter

一、前言

众所周知，数字音频来源于对模拟音频信号的定时采样，这个过程我在文章【“采样系列”】中进行了详细解释。数字音频设备的运行需要依赖于时钟信号。时钟信号告知ADC或者DAC等模块，每个音频信号的采样点在什么时候被读取和处理。而时钟具备的这种发送脉冲信号的能力，是来自于它的晶振源和相关的电路设计。在以往的分析中，我们都对这个采样时间点的准确性不予考虑，认为它充分理想——每一个采样的时间点都完全精确。

虽然这个假设大多数情况下是成立的，但是由于现实世界的复杂性，本身就不存在完美的时钟信号。由于时钟本身发出的脉冲序列不稳定，声音的录制、传输、回放等过程的准确性都会受到影响。实际的时钟信号与理想的时钟信号之间产生差异的现象，称为时基抖动，也就是jitter。所有的数字设备本身或多或少都会存在jitter。但是由于人耳的限制，即使jitter客观存在，但是并不都可以被察觉。

数字信号边缘中的抖动（图源www.vectron.com）

或许我们永远碰不到因为jitter而毁掉一次制作的经历，但是我们需要了解它的存在。

二、Jitter的分类

Jitter的产生原因通常分为随机和非随机两种类型。在不同的系统中，来源可能不同。这里选出典型的几种抖动作为参考。

1、随机抖动（Random Jitter）

随机抖动是由于电子元器件中存在各类固有的噪声，即热噪声导致的。热噪声由导体中电子的不规则运动而产生。这样的噪声，既存在随机性，其概率分布也服从正态分布。它的概率分布图如下图所示：

典型的正态（高斯）分布曲线

这种无法预测的随机噪声，在数字系统的时间特性上反应为随机的抖动。从眼图上看，眼图的边缘产生了展宽，且功率分布接近正态分布。如图所示：

随机抖动带来的眼图劣化

（图源www.tektronix.com/oscilloscopes）

在频谱上分析，这样的抖动产生的噪声为白噪声。当然，如今的时钟性能已经可以让随机抖动淹没在更大的量化噪声中。

10ns的随机抖动产生的白噪声

2、周期抖动

周期抖动来源于电路不稳定性和注入噪声，通常来自于固定且可识别的来源，如电源、布线串扰等。周期抖动通常会对信号的频谱产生谐波成分。通过仿真可以得到具有代表性的周期抖动频谱特点：

对1000Hz的信号，施加50Hz的周期抖动，

产生了频率差异为50Hz的谐波成分

干扰源的频率越低，边带产生的谐波越靠近主频。系统中的低频噪声引入的jitter可以形成类似下图所示的频谱：

低频噪声产生的“裙带”噪声

三、为什么不用过分探究Jitter？

究其原因，主要是因为音频系统所需要的采样频率，实在是太小了。相比于高速通信系统，低频率的音频系统受到Jitter干扰的可能性低了非常多。事实上，通过锁相环（PLL）等方式，jitter在设计阶段就可以被良好抑制。Focusrite的JetPLL可以将jitter控制在1ns以内。这种情况下，jitter带来的问题完全可以忽略。

另外，具备同样jitter的时钟的设备工作在不同频率下，jitter引入的采样误差也不同。192kHz的采样时间间隔为5.2μs左右，典型的jitter值为1ns，相差了3个数量级。如果192kHz都可以正常工作，则常用的48kHz等采样率更可以轻松胜任。

同样的时间抖动，对不同频率的信号，

产生的误差不同（图源：www.analog.com）

不只是时基抖动。事实上任何载体，包括模拟和数字系统，对声波的记录、处理、传输、回放，都存在或多或少的损伤，比如硬件的本底噪声、ADC过程的量化噪声、放大器的谐波失真，以及本文所讲的时基抖动等等。

物理世界本身就充满不确定性，作为听众（是的，混音/母带师本身也是一类特殊的听众），我们需要关注的是主要矛盾，而不是细枝末节。我们可以了解音频系统的每个环节会出现什么样的问题，但不代表我们真的要去“解决”这么多复杂的问题。

如果一个音频系统对声音的损伤达到1%，而人耳只能听到80%，那么这样的一个对声音保护了99%的系统，就是一个对人类而言完美的系统。