Kai triukšmas tampa problema – kodėl svarbu matuoti fazinį triukšmą
Dirbant su audio įranga Kaune, vis dažniau tenka susidurti su subtiliomis problemomis, kurios nėra akivaizdžios. Klientas atsineša stiprintuvą ar DAC’ą ir sako: „Kažkas ne taip, bet negaliu paaiškinti kas”. Dažnai problema slypi faziniame triukšme ir jitter’yje – dalykuose, kurių ausimi tiesiogiai negirdėsi, bet kurie gadina bendrą garso kokybę.
Fazinis triukšmas skaitmeninėse audio grandinėse pasireiškia kaip atsitiktinės fazės fliuktuacijos nešlio signale. Tai tarsi laikrodis, kuris veikia ne visai tiksliai – kartais paskubėja, kartais pavėluoja. Tokios netikslios laiko ašies svyruotės sukelia jitter’į, o tai jau tiesiogiai veikia skaitmeninio signalo tikslumą.
Praktikoje tai reiškia, kad net ir turėdami puikius garsiakalbius bei stiprintuvą, galite negauti tikrai gero garso. Stereo bazė tampa neaiški, aukštos dažnių juostos – šiurkščios, o bendras skambesys – nuobodus. Remonto meistrui svarbu suprasti, kad šių problemų negalima išspręsti tiesiog keičiant kondensatorius ar rezistorius – reikia tikslių matavimų ir sistemiško požiūrio.
Matavimo įranga ir metodai – ką naudoti serviso centre
Kauno remonto servise fazinio triukšmo matavimui naudojame kelis metodus. Pats paprasčiausias – spektro analizatorius su fazinio triukšmo funkcija. Tačiau ne kiekvienas servisas gali sau leisti įsigyti specialų fazinio triukšmo analizatorių už keliolika tūkstančių eurų.
Praktiškas sprendimas – naudoti kokybišką osciloskopą su FFT funkcija kartu su žemo triukšmo generatoriumi. Pavyzdžiui, Rigol DSA815-TG ar panašios klasės prietaisas leidžia atlikti pakankamai tikslius matavimus. Svarbu turėti stabilų etaloninį dažnio šaltinį – dažniausiai naudojame OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator) tipo generatorius.
Matavimo procesas atrodo taip: prijungiame testuojamą įrenginį prie etaloninio signalo šaltinio, stebime išėjimo signalą osciloskope ir atliekame FFT analizę. Fazinis triukšmas matuojamas dBc/Hz vienetuose (decibelai nuo nešlio viename herco juostoje) tam tikrame atitolyje nuo pagrindinio signalo dažnio.
Tipiškai mums įdomūs atitolio taškai yra 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz ir 100 kHz nuo nešlio. Geroje audio įrangoje fazinis triukšmas 1 kHz atitolyje turėtų būti žemesnis nei -100 dBc/Hz. Jei matome blogesnius rodiklius, reikia ieškoti problemos šaltinio.
Jitter’io anatomija – kas tai ir kaip jį aptikti
Jitter’is yra fazinio triukšmo pasekmė laiko srityje. Paprastai tariant, tai tikslaus laiko momento nustatymo klaida. Skaitmeninėje audio grandinėje kiekvienas sample’as turi būti nuskaitomas ar atkuriamas tiksliai nustatytu laiko momentu. Jei šis momentas svyruoja – turime jitter’į.
Yra kelios jitter’io rūšys. Atsitiktinis jitter’is (random jitter) – tai chaotiškas laiko ašies svyravimas. Deterministinis jitter’is (deterministic jitter) – pasikartojantis, prognozuojamas svyravimas. Audio įrangoje dažniausiai susiduriame su abiejų tipų mišiniu.
Praktiškai jitter’į galima matuoti keliais būdais. Tiesioginis metodas – naudoti specialų jitter’io analizatorių arba osciloskopą su jitter’io matavimo funkcija. Netiesioginis metodas – analizuoti audio signalo spektrą ir ieškoti šoninių juostų (sidebands), kurios atsiranda dėl jitter’io.
Remonto procese dažnai naudojame paprastesnį metodą – eye diagram analizę. Osciloskope nustatome begalinį persistensiją ir stebime skaitmeninį signalą. Jei „akis” atvira ir aiški – jitter’is mažas. Jei „akis” užteršta, neryški – turime problemą.
Tipinės jitter’io ir fazinio triukšmo priežastys audio įrangoje
Per daugelį metų remonto praktikos Kaune pastebėjome, kad dažniausios problemos kyla iš kelių šaltinių. Pirma – netinkamas maitinimo šaltinis. Jei maitinimas triukšmingas, tai atsispindi taktinio generatoriaus darbe. Net kelių miliamperų srovės svyravimai gali sukelti pastebimą fazinį triukšmą.
Antra problema – nekokybiškas PCB dizainas. Kai taktinis signalas vedamas šalia analoginių grandinių, kai nėra tinkamo ekranavimo, kai žemės lygmenys sujungti neteisingai – visa tai sukelia problemų. Ypač jautrios yra I2S linijos tarp skaitmeninio procesoriaus ir DAC’o.
Trečia priežastis – pasenę ar netinkami komponentai. Kvarciniai rezonatoriai sensta, jų parametrai keičiasi. Pigūs taktiniai generatoriai iš pradžių gali turėti didelį fazinį triukšmą. PLL grandinės su netinkamais filtrais daugina jitter’į vietoj to, kad jį mažintų.
Ketvirta problema – išoriniai trukdžiai. Wi-Fi moduliai, Bluetooth, netgi mobiliojo telefono signalas gali indukuoti triukšmą jautriose grandinėse. Kaune, kur elektromagnetinė aplinka gana triukšminga, tai ypač aktualu.
Praktiniai jitter’io šalinimo metodai – ką galima padaryti
Pirmasis ir paprasčiausias metodas – maitinimo šaltinio tobulinimas. Pridedame papildomus filtravimo kondensatorius, naudojame LDO stabilizatorius su žemu triukšmu, atskirame maitinimą skaitmeninėms ir analoginėms grandinėms. Dažnai tai duoda akivaizdų pagerinimą.
Antrasis metodas – taktinio generatoriaus keitimas į geresnį. Vietoj paprasto kvarco naudojame TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) arba net OCXO tipo generatorius. Taip, jie brangesni, bet fazinio triukšmo pagerinimas gali siekti 20-30 dB.
Trečiasis metodas – jitter’io šalinimo grandinių įdiegimas. Tai gali būti specialūs IC, tokie kaip Texas Instruments CDCE925 ar Analog Devices AD9510. Šie komponentai veikia kaip PLL su labai žemu triukšmu ir gali efektyviai „išvalyti” taktinį signalą.
Ketvirtasis metodas – asynchronous sample rate conversion. Jei įrenginys priima skaitmeninį signalą iš išorės, galime naudoti ASRC chipą, kuris perkonvertuoja signalą į vidinį, stabilų taktinį dažnį. Tai ypač efektyvu USB DAC’uose, kur USB magistralės jitter’is gali būti didelis.
Penktasis metodas – tinkamas PCB layout. Jei projektuojame ar modifikuojame plokštę, labai svarbu teisingai vesti takus. Taktiniai signalai turi būti trumpi, su kontroliuojama impedancija, toli nuo jautrių analoginių grandinių. Žemės lygmuo turi būti vientisas, su atskiromis sritimis skaitmeninei ir analoginei daliai, sujungtomis vienoje vietoje.
Multimedijos įrangos specifika – ką reikia žinoti apie HDMI ir S/PDIF
Dirbant su multimedijos įranga, dažnai susiduriame su HDMI ir S/PDIF sąsajomis. Abi jos perduoda skaitmeninį audio signalą, bet abi turi savo problemas su jitter’iu.
HDMI sąsajoje audio signalas perduodamas kartu su vaizdu, naudojant TMDS (Transition Minimized Differential Signaling) protokolą. Problema ta, kad HDMI specifikacija nelabai griežtai apibrėžia jitter’io reikalavimus audio signalui. Todėl skirtingi šaltiniai gali turėti labai skirtingą jitter’io lygį.
Praktikoje tai reiškia, kad HDMI kabelio kokybė tikrai svarbi. Pigūs, ilgi kabeliai gali pridėti papildomo jitter’io. Taip pat svarbu, kaip HDMI imtuvas (receiver) išgauna taktinį signalą iš TMDS srauto. Kokybiški imtuvai turi gerus PLL filtrus ir jitter’io mažinimo grandines.
S/PDIF sąsaja teoriškai paprastesnė, bet praktikoje taip pat pilna spąstų. Optinis S/PDIF (TOSLINK) turi savo problemų – optinių siųstuvų ir imtuvų jitter’is gali būti gana didelis. Koaksialinis S/PDIF geriau, bet jis jautrus kabelio kokybei ir impedancijos atitikimui.
Remontuojant multimedijos įrangą Kaune, dažnai susiduriame su situacija, kai klientas klausia: „Kodėl per HDMI garsas skamba blogiau nei per analoginį įėjimą?” Atsakymas dažnai slypi būtent jitter’yje. HDMI grandinė prideda daugiau jitter’io nei vidinis DAC’as, maitinamas iš stabilaus taktinio generatoriaus.
Sprendimas – įdiegti kokybišką HDMI audio extractor’ių su jitter’io mažinimu arba naudoti AV receiver’į su geru HDMI procesoriumi. Taip pat galima naudoti HDMI regeneratorius – įrenginius, kurie priima HDMI signalą ir išduoda jį iš naujo su švariu taktavimo signalu.
Stiprintuvų skaitmeninių įėjimų problemos ir jų sprendimas
Modernūs stiprintuvai vis dažniau turi integruotus DAC’us ir skaitmeninius įėjimus. Tai patogu, bet sukuria papildomų iššūkių garso kokybei. Stiprintuvo viduje yra galingos srovės, didelės įtampos, stiprūs magnetiniai laukai – visa tai nepalankios sąlygos jautriam skaitmeniniam audio signalui.
Dažna problema – USB įėjimas stiprintuve ar aktyviosiose kolonėlėse. USB magistralė kompiuteryje pilna triukšmo, o USB audio protokolas (UAC) nepasižymi mažu jitter’iu. Rezultatas – skaitmeninis signalas ateina į DAC’ą su dideliu jitter’iu.
Remonto praktikoje taikome kelis sprendimus. Pirma, galima įdiegti USB izoliatorių – įrenginį, kuris elektriniu požiūriu atskiria kompiuterį nuo audio įrangos. Tai sumažina triukšmą, ateinantį per maitinimo liniją, bet ne visada sprendžia jitter’io problemą.
Antrasis sprendimas – naudoti kokybišką USB-į-I2S keitiklį su jitter’io mažinimu. Yra specialių chipų, tokių kaip XMOS serijos procesoriai, kurie gali priimti USB audio signalą ir išduoti labai švarų I2S signalą su mažu jitter’iu.
Trečiasis sprendimas – asynchronous USB režimas su ASRC. Šiuo atveju DAC’as veikia savo taktavimo dažniu, o įeinantis USB signalas perkonvertuojamas. Tai efektyviai eliminuoja USB magistralės jitter’į.
Stiprintuvų remonto procese taip pat svarbu patikrinti žemės kilpas. Jei skaitmeninė dalis ir galios dalis dalijasi ta pačia žeme, galios tranzistorių komutacijos triukšmas gali moduliuoti taktinį signalą. Sprendimas – atskiros žemės plokštės su vienu sujungimo tašku (star ground topology).
Kaip išmatuoti pagerinimą ir įvertinti rezultatus
Atlikus modifikacijas ar remontą, būtina patikrinti, ar tikrai pavyko pagerinti situaciją. Čia svarbu turėti objektyvius matavimus, o ne tik subjektyvų įspūdį „atrodo, kad geriau skamba”.
Pirmiausia pakartojame fazinio triukšmo matavimus tais pačiais parametrais kaip ir prieš remontą. Turėtume matyti pagerinimą bent 10-15 dB, kad tai būtų praktiškai reikšminga. Jei pagerinimas mažesnis, verta pagalvoti, ar modifikacija buvo verta pastangų.
Antra, atliekame jitter’io matavimus. Čia galime naudoti specialias test CD ar test failus, kurie turi žinomus signalus. Analizuojame išėjimo signalo spektrą ir ieškome šoninių juostų. Jų sumažėjimas rodo jitter’io sumažėjimą.
Trečia, atliekame klausymo testus su žinomomis įrašais. Geriausia naudoti įrašus su aiškia stereo baze, su daug detalių aukštų dažnių srityje. Jei jitter’is sumažėjo, turėtumėte išgirsti aiškesnę stereo bazę, mažiau šiurkštumą aukštose dažnių juostose, geresnę dinamiką.
Praktikoje Kaune dažnai naudojame tokią procedūrą: prieš remontą įrašome kelių testinių signalų išėjimą į kompiuterį per kokybišką audio sąsają. Po remonto pakartojame tą patį. Tada galime tiesiogiai palyginti spektrus ir net atlikti ABX testą, klausantis įrašytų failų.
Kai technika susitinka su menu – apie garso kokybę be iliuzijų
Baigiant šią temą, verta pabrėžti, kad fazinio triukšmo ir jitter’io mažinimas nėra audiofiliška magija ar placebo. Tai tikri, išmatuojami parametrai, kurie turi realų poveikį garso kokybei. Tačiau svarbu suprasti ir jų ribas.
Žmogaus ausies jautrumas jitter’iui priklauso nuo jo dydžio ir pobūdžio. Tyrimai rodo, kad jitter’is žemesnis nei 10-20 pikosekundžių paprastai nėra girdimas. Tačiau tai priklauso nuo klausytojo patirties, įrangos kokybės ir klausymosi sąlygų.
Remonto servise svarbu išlaikyti balansą tarp techninio tobulėjimo ir praktinio naudingumo. Nėra prasmės investuoti į brangias modifikacijas, jei kitos sistemos dalys yra silpnos. Geriau pirmiausia išspręsti akivaizdžias problemas – prastus kondensatorius, triukšmingą maitinimą, blogas jungtis.
Tačiau kai bazinė kokybė jau pasiekta, fazinio triukšmo ir jitter’io mažinimas gali būti tas paskutinis žingsnis, kuris iškelia sistemą į kitą lygį. Ypač tai aktualu profesionaliai įrangai, studijoms, high-end audio sistemoms.
Kauno audio remonto praktika rodo, kad klientai, kurie tikrai vertina garso kokybę, pastebi skirtumą po tokių modifikacijų. Ne visi, ne visada, bet pakankamai dažnai, kad tai būtų verta dėmesio. Ir svarbiausia – šie patobulinimai remiasi ne tikėjimu, o mokslu ir tiksliais matavimais. Tai ir yra tikrasis high fidelity – ištikimybė ne mitams, o fizikai ir akustikai.