Jitter, des digitalen Klangrätsels Lösung?
Im letzten Teil ging es um die wahrnehmbaren Auswirkungen von Jitter. Mindestens ebenso vielfältig und spannend: die Ursachen.
Credit: Giorgio Pozzoli von TNT-Audio
Zum Auftakt der zweiten Folge rund ums Thema Jitter möchte ich gleich eine recht provokante Behauptung aufstellen: Möglicherweise wäre Jitter niemals zu einem wirklichen Problem geworden, hätte man nicht versucht, dem Digitalklang mit dem im HiFi-Bereich ĂĽblichen Separatismus entgegenzutreten. Starker Tobak, nicht wahr? ZugegebenermaĂźen steht diese ketzerische These zunächst einmal deshalb hier, um Sie, liebe Leser, neugierig auf die folgenden Zeilen zu machen – doch spätestens am Ende dieses Beitrages wissen Sie, dass das gar nicht mal sooo weit hergeholt ist. NatĂĽrlich war das Problem digitaler Taktungenauigkeiten auch schon vor EinfĂĽhrung der digitalen Audiotechnik hinlänglich bekannt. Hätte man doch sonst beispielsweise ein solch komplexes digitales Tonträgerformat wie die CD niemals zum Laufen gebracht. Allerdings lag das Hauptaugenmerk dabei vorrangig auf der zuverlässigen und „richtigen“ DatenĂĽbertragung und nicht auf scheinbar unwichtigen Nebeneffekten. Denn fairerweise sollte gesagt werden, dass sich die unangenehmen Eigenschaften von Jitter bei der digitalen Audiotechnik im Wesentlichen bei der A/D- und D/A-Wandlungund nicht als Fehler auf dem Ăśbertragungsweg bemerkbar machen.
Die Notwendigkeit für eine solch eingehende Jitter-Analyse bestand ja zunächst auch gar nicht: Schließlich dauerte es einige Jahre, bis man dem CD-Format überhaupt irgendwelche klanglichen Unterschiede zubilligte. Und da standen dann ganz andere Dinge im Blickpunkt als Jitter. So erinnere ich mich noch an einen recht tiefschürfenden Fachartikel aus den späten achtziger Jahren zum Thema „Klangunterschiede bei CD-Spielern“, verfasst von einem echten Digital-Spezialisten – dem ehemaligen Studer/Revox-Produktmanager/Entwicklungsleiter und späteren Technischen Direktor von Sony, Roger Lagadec: Da war die Rede von Wandler-Nichtlinearitäten, hohem Strombedarf bei niedrigen Frequenzen durch das Laufwerk, hohem Strombedarf bei hohen Frequenzen durch die Digitalelektronik und den dadurch verursachten Interaktionen über die Stromversorgung. Dazu noch – mittendrin im dichten Hochfrequenz-Störnebel – die vielfältig empfängliche analoge Ausgangsstufe. Aus technischer Sicht allesamt Volltreffer, wie heute allgemein bekannt. Dem Phänomen Jitter allerdings hat selbst Digitalkoryphäe Lagadec damals nicht eine einzige Zeile gewidmet. Und so geschah schon beinahe zwangsläufig, was in solchen Fällen im HiFi-Bereich immer passiert: Um mögliche Wechselwirkungen einzugrenzen und damit die Klangqualität zu verbessern, teilte man CD-Player in eigenständige Funktionsblöcke, sprich Laufwerk und D/A-Wandler. Als digitale Verbindung zwischen beiden
Einheiten setzte man dabei aus Kompatibilitätsgründen auf das seinerzeit schon recht weit verbreitete SPDIF Interface, eine aus heutiger Sicht folgenschwere Fehlentscheidung. Nicht nur, weil diese schon von Haus aus mit einigen Kompromissen behaftet ist, sondern vielmehr, weil erst durch sie der Jitter-Problematik Tür und Tor geöffnet wurde – und das gleich auf mehrfache Weise.
Auf der digitalen Ebene betrachtet, bedeutet Jitter nichts anderes als das richtige Signal zur falschen Zeit. Nun benötigt die digitale Audiosignal Übertragung jedoch mehrere „Zutaten“: Audio- oder sonstige Datenbits, Synchronisationssignale sowie den Systemtakt. Das schafft also drei potenzielle Angriffsflächen für mangelhaftes Signal-Timing mit jeweils unterschiedlichen, mehr oder weniger hörbaren Auswirkungen. Damit wird die wesentliche Schwachstelle der SPDIF-Verbindung bereits offenbar, überträgt diese doch alle drei Signalebenen auf einer einzigen Leitung. Die Wahrscheinlichkeit, dass es hier zu unerwünschten Wechselwirkungen kommt, erreicht denn auch nahezu 100 Prozent. Daher liegt es auf der Hand, dass diese unter den Oberbegriff „Interface Jitter“ fallenden Einflüsse ganz wesentlich von der Qualität des SPDIF-Kabels (mitsamt Steckern selbstverständlich) abhängen. So ist der enorme Konstruktionsaufwand, den beispielsweise das Digitalkabel „Il Primo“ von HMS-Elektronik betreibt, auch aus technischer Sicht durchaus gerechtfertigt. Hinterher ist man eben immer schlauer: Noch zurJahrtausendwende wurden HiFi-Magazine, die sich mit den Klangunterschieden von Digitalkabeln auseinandersezten, in Fachkreisen müde belächelt …Allerdings ist Interface Jitter, von dem später nochmals die Rede sein wird, trotz all seiner möglichen Auswirkungen nicht der ursächliche Stolperstein bei der Trennung von Datenlieferant und D/A-Wandler. Ein grundlegender Wesenszug der digitalen Audiotechnik ist, die Musik in zeitlich gerasterten, feinst quantisierten Impulsen zu übermitteln. Damit die ursprüngliche Tonhöhe gewahrt bleibt, sollte die Abtastfrequenz bei der A/D- sowie der D/A-Wandlung (Aufnahme bzw.Wiedergabe) natürlich möglichst exakt übereinstimmen. Nicht nur das: Auch muss der Abstand der einzelnen Samples untereinander exakt gleich sein, sonst zeigt sich die ins analoge zurückgewandelte Hüllkurve im Vergleich zum Original verformt. Sinngemäß spricht man hier von „Sampling Jitter“.
Aufnahmeseitig kann man aufgrund der in den Tonstudios verwendeten hochgenauen Zeitgeber davon ausgehen, dass beide Bedingungen eingehalten werden. Auf der Wiedergabeseite wohl eher nur bei solchen Geräten, bei denen der Preisrahmen den Einsatz präziser Systemclocks zulässt. Auf jeden Fall aber leuchtet ein, dass ein solcher Systemtaktgeber am besten unmittelbar beim D/A-Wandler-Baustein platziert wird, damit die hochpräzisen Taktimpulse auch möglichst unbehelligt von äußeren Einflüssen dort ankommen. Bei integrierten CD-Spielern lässt sich das mühelos erreichen, kann doch hier die Systemclock den Ausgabetakt des Laufwerks sowie den Wandlertakt synchron vorgeben, zweifellos der kompromissloseste Weg. Externe D/A-Wandler haben es da weitaus schwerer, müssen sie doch als „Slave“ gezwungenermaßen den
Taktvorgaben des Laufwerks nachkommen. Das gilt freilich nicht nur für Laufwerk-Wandler-Kombis, sondern in allen Fällen, in denen D/A-Wandler an digitale Programmquellen ankoppeln (worst case: DVB-S-Receiver für Radio-Empfang). Das Problem: Zur Synchronisation müssen sie den Steuertakt mühsam aus dem ohnehin Jitter-anfälligen SPDIF-Datenstrom rekonstruieren, was selbst bei aller Sorgfalt nicht ohne zusätzliche Fehler geht. Denn hier macht sich unter anderem ein Effekt bemerkbar, der ebenfalls zum Bereich Interface Jitter gehört: Intersymbol Interference, die Ursache für dateninduzierten Jitter. Technischer Hintergrund: Die SPDIF-Schnittstelle besitzt keine unendliche Bandbreite. Vielmehr bewirkt die obere, vor allem durch das Signalkabel bestimmte Grenzfrequenz, dass Schaltflanken nicht wie gewünscht unendlich steil, sondern leicht gekrümmt ansteigen. Andererseits bewirkt die durch den Interface-Übertrager bedingte untere Grenzfrequenz, dass die Impulsdächer nicht idealerweise bis zum Eintreffen des nächsten Taktsignals waagerecht bleiben, sondern schon vorher „abfallen“. Das aber führt dazu, dass beim Auswerten der Schaltflanke die Vorgeschichte des Signals eine gewisse Rolle spielt: So erfolgt nach„Ruhepausen“ (die dem logischen Zustand 0 entsprechen) das Umschalten geringfügig später als nach aktiven Phasen (logische 1).
Den eigentlichen Vorgang der Synchronisation eines externen D/A-Wandlers auf die Taktfrequenz der Signalquelle übernimmt eine sogenannte Phase-Locked-Loop (PLL)-Schaltung, die zentraler Bestandteil des im Eingangskreis beheimateten Digitalreceiver-Bausteins ist. Das Anpassen der Taktfrequenz geschieht dabei in der Regel indirekt über einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator, der seine Sollwertvorgabe aus dem Phasenvergleich mit dem Eingangstakt bezieht. Somit wirkt die PLL quasi als digitales Filter, das beispielsweise dateninduzierten Jitter wirksam unterdrücken kann. Zunehmendes Wissen zum Thema Jitter hat den Qualitätsstandard bei Digitalreceiver-Bausteinen in den letzten Jahren deutlich ansteigen lassen: Ausgefuchste PLL-Strategien mit wählbarem Synchronisationsverhalten erzielen auch im sogenannten „adaptiven“ Slave-Betrieb erstaunlich geringe Jitter-Werte. Hochwertige Geräte, so etwa der Phonosophie DAC 1, arbeiten dabei zusätzlich mit einer zweiten PLL, die das Jitterverhalten auch im Bereich niedriger Frequenzen optimieren soll.
Gewaltig Schwung kam in die Jitter-Diskussion, als Computer sich anschickten, per USB-Schnittstelle zum ernst zu nehmenden Musiklieferanten zu avancieren. Noch vor wenigen Jahren ging es dabei vorrangig um die spezifischen Eigenheiten von USB im Vergleich zu SPDIF, wobei USB aufgrund seiner anderen Kanalcodierung minimale Vorteile für sich verbuchen konnte. Die Einführung des asynchronen USB-Betriebs imJahre 2010 läutete jedoch ein völlig neues Zeitalter ein: Der D/A-Wandler übernahm das Kommando über den Signallieferanten Computer, was seine kompromisslos Jitter-optimierte Bauweise ohne jegliche PLL ermöglichte. Das brachte nicht nur deutliche Klangfortschritte, sondern führte auch zu völlig neuen Konstruktionsansätzen bei D/A-Wandlern: Geräte mit Eingangssignal gesteuerten Festfrequenz-Systemclocks wie der Naim DAC oder der AMR DP-777 erreichen nun auch im Slave-Betrieb an SPDIF-Tonquellen eine Klangqualität, die dem asynchronen USB-Betrieb völlig ebenbürtig ist.
Zeit für eine Zusammenfassung: Egal ob dateninduzierter Jitter, Interface Jitter oder Sampling Jitter – im Grunde genommen handelt es sich dabei stets um eine subtile Form der Frequenzmodulation. Und diese lässt um die Trägerfrequenz Seitenbänder entstehen, die aus highfideler Sicht natürlich Störprodukte darstellen. Abhängig von der Art der Einwirkung zeigen sie sich bei hohen oder bei niedrigen Frequenzen, in geringem oder größerem Abstand, symmetrisch oder unsymmetrisch zu ihrer Trägerfrequenz. Ebenso unterschiedlich sind die Auswirkungen auf den Klang, wobei die Bandbreite von Rauigkeiten bis hin zu Vernebelungen reicht, auch technisch also durchaus vergleichbar mit höherfrequenten analogen Gleichlaufschwankungen (Flutter) bei Band und Platte. Jitter ist sicher nicht die einzige Ursache für Klangeinflüsse bei digitalen Gerätschaften, aber zweifellos eine der wichtigsten. Da sich Interface Jitter auf allen digitalen Ebenen bemerkbar macht, lohnt es sich, der Verkabelung speziell beim Signaltransfer via AES-EBU- oder SPDIF-Schnittstelle besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Doch auch die USB-Schnittstelle ist nicht frei von Kabeleinflüssen, was sich vorrangig bei adaptiv arbeitenden D/A-Wandlern bemerkbar macht. Nun fragen Sie sich sicher, warum ich dieses Thema so spannend finde. Ganz einfach: Ich bin Schlagzeuger – und nur dann, wenn ich möglichst „jitterfrei“ spiele, kommt die Musik meiner Band wirklich gut rüber. Richtiges Timing ist eben alles …
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