cMP² - Computer, Jitter & Taktung

Computer

Ein gängiges Missverständniss ist, dass Computer für hochwertige Audiowiedergabe nicht geeignet seien, weil sie angeblich zu viel Jitter produzierten. In Wahrheit aber arbeiten Computerhersteller mit Abweichunsgenauigkeiten, die viel, viel enger sind als die in Audiogeräten.
Für die Anforderungen in der Computertechnik werden zeitliche Abweichungen in Femtosekunden (ein tausendstel einer Picosekunde) gemessen, um somit hohe Bandbreiten und niedrige Bitfehler zu gewährleisten.
Warum dann dieser Mythos von Jitter in Computer ?


Schauen wir uns mal die Umstände des Computers an :

Ein normaler PC ist ein sehr komplexes Multifunktionsgerät das viele unterschiedliche Funktionen erfüllen muss.
Das Betriebssystem ist dabei die übergeordnete Software, die die Hardware von Maus, Tastatur, Bildschirm, Laufwerken, Grafikkarte, Ports, Netzwerkadapter, PCI-Geräten und Anschlüssen koordiniert, und gleichzeitig auch  für die Verwaltung, Implementierung, Überwachung und Ausführung von Programmen und zusätzlich installierter Software
zuständig ist.
Die Steuerung all dieser Funktionen werden in einem Computer von einer Vielzahl von Prozessen auf unterschiedlichen Ebenen ausgeführt und in einem hexadecimalen Binärcode als Bytes, in sogenannten "Stacks",  kommuniziert.
Die CPU ist dabei die Kommandozentrale dieser verschiedenen Funktionen und verwaltet eine schier unverstellbare Menge von Daten, die mittels Chipsätzen in verschiedene Bereiche und Periferiegeräte des Computers in unterschiedliche Aufgaben münden.
Hier eine simple Grafik dazu:

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Vereinfacht könnte man das Betriebssystem eines PCs prinzipiell als ein Multifunktionsgetriebe oder eine mechanische Uhr verstehen, wo diese Prozesse wie hunderte von Zahnrädern verschiedener Größe in einander greifen.
Alle diese Prozesse werden von der internen Bitclock des Computers zeitlich auf Linie gehalten, und die CPU verteilt mit Hilfe des Betriebssystems die Aufgaben im "Getriebe".

In dieser Perspektive ist es wichtig zu verstehen, daß ein Prozessor eher in einer Art von Multiplexing-Verfahren arbeitet, also Befehle nacheinander ausführt, statt simultan zu erledigen.
Weil aber die Geschwindigkeit dieser Prozesse so ungeheuer schnell ist, merken wir als Anwender  kaum etwas davon, daß Funktionen, Prozesse und Befehle nicht gleichmässig, aber in Blöcken von Bytes passieren -also stets in Schüben und Rastern.
Immer wieder werden Chips und Chipsätze aktiviert und wieder ausgeschaltet. Immer wieder warten Befehle auf Resultate anderer Kalkulationen.
Eine ungeheuere elektronische Kakophonie von Millionen Transistoren.
Das kostet Energie und beunruhigt stets die Stromversorgung des PC´s.

Schaut man sich die Spannungsversorgung und den Strombedarf eines Computers an, so wird man schnell verstehen, dass viel Energie verbraucht wird um allein das System am laufen zu halten.
Eine Vielzahl von Aufgaben und Prozessen laufen nämlich im Hintergrund, egal ob diese nun aktiv angewendet werden oder für den Nutzer gar nicht sichtbar sind.
Zwar sind moderne Computer schneller und energiesparender geworden, aber dennoch liegen die Anforderungen eines Computernetzteils bei bis zu hunderten von Watt und Spannungsspitzen von bis zu 3-4 Ampere.
Im Audiozusammenhang noch wichtiger :
-die Anforderungen der Stromversorgung ändert sich im Takt aller diese Prozesse.
Dadurch unterliegt die Stromversorgung eines Computers (übrigens auch die batteriebetriebener Notebooks) jeder Sekunde tausenden von verschiedenen Zuständen und Anforderungen.
Das Resultat ist eine stets "unruhige" Stromversorgung und es ist eines der wichtigsten Gründe, warum Computernetzteile eben nicht als lineare Netzteile konzepiert sind.
Die Optimierungen des Betriebssystems und des BIOS im cicsMemoryPlayer sind daher und vorerst eine Beruhigung von Energie.


Erfahrene Audiophile wissen was beruhigte Stromversorgungen in ihrem Equipment bedeuten.....




Aber was ist Jitter ?

Charles Altman hat eine verständliche Analogie zu Jitter:


Jitter ist eine Art Vibration
- und das, was vibriert, ist der Zeitpunkt eines Ereignisses, welches wir zu einem definierten Zeitpunkt erwarten.

Wer also morgens um sieben auf den Bus wartet, weiß, was Jitter ist:
manchmal kommt er drei Minuten vor sieben, manchmal fünf Minuten nach sieben.
Der Zeitpunkt des Eintreffens des Busses jittert.

Wer diese Unregelmäßigkeiten des Ankunftzeitpunktes über eine längere Zeitspanne beobachtet, lernt mehr über die Art des Jitters:

Der späteste minus der früheste Ankunftszeitpunkt während einer Zeitspanne ergibt die "peak to peak jitter amplitude".

Hierbei ist die "Jitter-Amplitude" die erwartete Ankunftszeit minus die tatsächliche Ankunftszeit.
Die Jitter-Amplitude kann demnach positive (frühe) oder negative (späte) Werte haben.

Man bildet den Mittelwert einer großen Anzahl von Jitter-Amplituden, wenn man wissen will, wann der Bus mit höherer Wahrscheinlichkeit eintreffen wird. Dabei kann man vielleicht erkennen, ob die Verteilung der Ankunftszeiten völlig zufällig ist (random jitter) oder an bestimmte Bedingungen geknüpft ist (correlated jitter).

Mit korreliertem Jitter hat man es zu tun, wenn man weiß, daß der Bus montags besonders spät kommt, weil z.B. besonders viel Verkehr ist.




Um die Analogie zu verstehen, haben wir es vereinfacht also mit folgenden Elementen zu tun :

  • Signalfluss = der Bus
  • Taktung = die Haltestelle
  • Bitclock = der Kilometerzähler des Buses  
  • Masterclock = die Armbandur des Passagiers
  • Korrelierter Jitter = der Verkehr von Prozessen




Die Bitclock ist der Zähler der Informationen der Byte´s; also für die Erfassung der Daten verantwortlich. Die absolute Genauigkeit ist hier nicht ganz so entscheidend solange die Clock alle Daten erfasst.
Da die Bitclock im Megaherzbereich arbeitet, ist dies ohne weiteres gewährleistet, denn auch bei voller Belastung treten im Computer recht selten Bitfehler auf.
In einem Computer rasen Bits und Bytes "durch", ohne nennenswert von Jitter betroffen zu sein, denn alle Prozesse funktionieren immer, wenn allein alle Bits und Bytes gelesen werden.

Dies ist bei Audio anders !
Bei Audio haben wir eine zusätzliche Anforderung als nur die Bits korrekt auszulesen, und die ist für die D/A Wandlung ganz entscheidend : zeitliche Genauigkeit !
Die Aufgabe eines D/A Wandlers (egal ob nun intern oder extern) ist es, die Daten der Musikdatei in einen elektrischen Wert umzusetzen.

Im cicsMemoryPlayer hat man sich für die Technik einer ASIO Soundkarte  entschieden, um die Musikdaten über ein digitales S/PDIF (oder AES/EBU) Signal an den D/A Chip zu liefern.

Der Chip selber ist nicht der absolute audiophile Knackpunkt, aber die Genauigkeit der Taktung ist maßgebend für die Qualität der Wandlung.

Zwar kann das Mainboard des Computers auch ein S/PDIF Signal ohne Soundkarte ausgeben, aber die zeitliche Genauigkeit dieser Ausgabe ist nicht wirklich hochwertig, weil die Taktung des Streams aus dem Taktgeber des Computers stammt.
Beim Einsetzen einer ASIO Soundkarte fügen wir dem PC ein zweites Gerät hinzu, das seine eigene hochwertige Masterclock für die Ausgabe des S/PDIF hat.
Somit ist die Kommunikation zwischen PC und Soundkarte nur über den PCI-Datenbus gegeben, welches bedeutet dass Windows und Soundkarte zwei unterschiedliche Geräte werden und nur über Daten kommunizieren.
Die Taktung 
von den zwei Geräten wird somit völlig unabhängig von einander.....

Die Masterclock ist dabei nicht wie die Bitclock ein Zählwerk, aber (lapidar gesagt) eine Stoppuhr. Sie bestimmt genauestens, wann die Daten des Bits zu Wandeln ist, und daher führt eine Ungenauigkeit der Masterclock zu einem falschen Analogwert am Ausgang des Wandlers.
Dies nennt man Clockjitter und zeigt sich akustisch in einer Wiedergabe der es an Raum, Ausklingung und Plastizität fehlt.

Prinzipiell können D/A Chips zwei unterschiedliche Methoden von Taktung erhalten.
Die eine Methode ist, daß die Taktung im Signal enthalten ist : also die AES3 (S/PDIF) Methode. Dies ist eine sehr direkte, aber auch jitteranfällige Art der Taktung, denn sie beruht auf einer exakte Anlieferung des Signals an den Chip.

Die andere ist die asynchrone I²S Verbindung, wo Taktung und Daten separiert werden und somit nicht im zugefügtem Signal enthalten ist.
In dieser Methode werden die Bits auf einer Leitung übertragen und ein Taktungssignal der Masterclock auf einer eigenen Leitung geführt. Meist sitzt diese Masterclock dann unmittelbar nahe des Wandlerchips (also im separaten DAC) und wird technisch vom Computer isolliert.

Diese letztere (asynchrone) Methode hat eindeutige Vorteile in Verbindung von Datenübertragung von Computer, denn hier kann die Taktung der Bits unabhängig vom Computer erfolgen, und zudem die Masterclock von einer höherwertigen Stromversorgung als die des Computers versorgt werden.
Dies ist eine sehr begrüßungswerte Entwicklung die über USB und FireWire zunehmend auch in Konsumer DAC´s zu finden ist.


Es geht um eine genaue Taktung

Ob nun der Wandlerchip seine Taktung vom direkten (S/PDIF bzw. AES/EBU) Signal erhält oder eher nur als Daten mit einer separaten Clock ist theoretisch (aber vielleicht praktisch nicht) unerheblich.

Es darf von oberen genannten Gründen einleuchtend sein daß ein Computer allein keine großartig genaue Taktung herstellen kann, aber ASIO Soundkarten bzw. DAC´s mit ASIO Kommunikationsprotokoll separieren per Konstruktion Datenverarbeitung und Taktung. Mit ASIO kommunizieren Soundkarte/DAC mit dem Computer auf der sogennanten "Hardware Abstraktions Schicht".
Auf diesem niedrigsten und zugleich meist direkten Level von Datenaustausch werden nur reine Daten kommuniziert, und diese immer nur in Datenpaketen (Buffers). Die zeitliche Genauigkeit ist auf dieser Ebene völlig unerheblich : Computer und Soundkarte sind von jeweils eigenen Clocks gesteuert und beeinträchtigen nicht einander.
Die einzige Verbindung ist die gemeinsame Stromversorgung und der elektrische Nullpunkt.

Die Beruhigung der Stromversorgung des cicsMemoryPlayer begünstigt hier auch maßgeblich die Soundkarte und dessen interen Masterclock !









 
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