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Das TDA1541-Projekt (7): Einbau der Masterclock
Das TDA1541-Projekt (6): Jitter und Masterclocks
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Das TDA1541-Projekt

Teil 6: Jitter und Masterclocks

 
Unser betagter Marantz CD-Player ist seit der Röhrenstufe und nach dem "Rauswurf" des Digitalfilters klanglich kaum wieder zu erkennen. Der krönende Abschluss des Sound-Tunings wird eine neue Masterclock für den Player, deren Einbau und Verkostung in mittlerweile gewohnter Manier ein wenig Theorie vorangeht.
 
Sicherlich könnte man sich mit dem bisher Erreichten zufrieden geben. Andererseits, warum stehen bleiben, wenn es noch etwas zu holen gibt? Lassen wir die Themen Netzkabel, Sicherungen und Gerätefüße doch noch ignorant beiseite und wenden uns den Timing-Fehlern, besser bekannt als Jitter, zu.
 
Taktunreinheiten führen zu Wiedergabefehlern
Nehmen wir mal an, ein analoges Audiosignal wurde für die CD-Wiedergabe mit 44100 Samples pro Sekunde fehlerlos und völlig ideal aufgezeichnet. Während der Wiedergabe im CD-Player wird das nun digitale Signal per I2S und damit seriell von Baugruppe zu Baugruppe weiter gereicht. Aus der seriellen Übertragung errechnet sich eine Bitrate von mehr als 1.4 Millionen Bit pro Sekunde (44100 Samples * 2 Kanäle * 16 Bit Auflösung) -oder umgekehrt: ein Bit "dauert" über den Daumen nur noch 0.7 Mikrosekunden.
I2S ist ein synchrones Protokoll, bei dem parallel zum Datenstrom der Takt mit der gleichen Frequenz mitläuft. Wenn der im CD-Player generierte Takt nicht ideal ist, sondern einer gewissen zeitlichen Varianz unterliegt (populär: Taktzittern), dann muss der kumulierte Effekt der Zeitvarianz zwangsweise zu Reproduktionsfehlern führen, nämlich immer dann, wenn mit dem Signal "etwas gemacht wird". Sprich, im Digitalfilter und im Wandler.
Jitter bezeichnet im Grunde nichts anderes als diese real existierende Zeitvarianz des Takts, diese kleinen Zeitfehler. Der Fachmann unterscheidet mit Blick auf die Auswirkungen des Jitters einige Unterkategorien, abhängig davon, ob die Varianz rein zufällig ist, also einem Rauschen unterliegt, ob der Takt vom Nutzsignal moduliert wird, oder ob Störeinflüsse wie der Restbrumm auf der Versorgung den Taktgeber modulieren. So tief wollen wir im Rahmen des TecBlogs aber nicht einsteigen, stattdessen ist eine zweite, wesentliche Aussage wichtig.
Die Auswirkungen des Jitters auf die Reproduktionsfehler und damit auf den Sound sind umso größer, je mehr Oversampling im CD-Player betrieben wird. Anschaulich gesprochen erhöht sich mit dem Oversampling die oben gerechnete Bitrate um den Faktor des Oversamplings, beziehungsweise verkürzt sich die Durchlaufdauer eines Bits entsprechend. Das muss zwangsweise zu mehr Reproduktionsfehlern führen, wenn der absolute Zeitfehler des Taktes gleich bleibt. Also wird sich Jitter in unserem Projekt mit einem non-Oversampling-Konzept und einem Multibit-Wandler sicherlich weniger stark auswirken als in einem CD-Player mit einem Sigma-Delta-Wandler, einem sogenannten 1-Bit-Wandler, der mindestens ein 64-fach Oversampling betreiben muss. Das bedeutet allerdings nicht, dass Jitter in unserem Projekt keine Relevanz hätte!
 
Taktgeber der Marke Standard
Alleine über die Ursachen und Quellen des Jitters ließe sich eine knackige Abhandlung verfassen, aber wir wollen uns darauf beschränken, die Masterclock eines CD-Players näher zu betrachten. In jedem CD-Player gibt es einen zentralen Taktgeber, eben die Masterclock, auf die alle getakteten Vorgänge im Player synchronisiert werden. Folglich steht und fällt die Performance, sofern wir über Jitter reden, zuerst mit der Qualität dieses Taktgebers.
 
Wie wir bereits im letzten TecBlog festgestellt haben, implementiert im Urzustand des Players das Digitalfilter SAA7220 die Masterclock. Die Schaltung, die sich dahinter verbirgt, ist die einfachste Form eines Quarzoszillators, die eigentlich nur aus einem invertierenden CMOS-Gate plus Quarz besteht. Die Bürde-Kapazitäten und der Widerstand dürfen als Beiwerk verstanden werden. Das zweite Gatter entkoppelt den Oszillator und speist über Pin 9 (XSYS) den Mastertakt in den CD-Player ein.
 
 
Gegen diese Schaltung spricht im Grunde gar nichts, solange wir über Computer, Consumer oder eben altehrwürdige CD-Player sprechen. Eine High-End-Lösung stellt sie allerdings nicht dar, da sie bauartbedingt kein reines Taktsignal erzeugen kann! Die Problemstelle ist der Eingang zum CMOS-Gatter. Dieser besitzt einen Schwellwert für die Eingangsspannung, unterhalb dessen er die Eingangsspannung als logisch low wertet, und oberhalb dessen er die Eingangsspannung als logisch high wertet. Unglücklicherweise hängt diese Schaltschwelle von diversen Faktoren ab: von der Produktions-Charge, der Temperatur, der Versorgungsspannung und abgeleitet davon auch von Verunreinigungen (Brummen, Rauschen, HF-Reste) der Versorgung. Eigentlich gibt es ja zwei Schaltschwellen, den der Eingang ist zu allem Übel noch mit einer Hysterese behaftet. Zusammengefasst: es gibt eine gewisse (statistische aber auch deterministische) Unsicherheit, ob eine Eingangsspannung als low oder high gewertet wird.
Während das Gatter noch ganz unanalog mit high- und low-Zuständen interpretiert werden darf, wäre das beim Quarz ein Fehler: der kann nicht eckig; der Strom durch den Quarz wird immer sinusförmig sein. Ein Sinus hat die Eigenschaft, dass seine Steigung im Nulldurchgang deutlich kleiner ist als die Steigung eines idealen Rechtecks. Der Nulldurchgang des Quarzstroms trifft aber genau auf die Schaltschwelle des Gatters. Der "Unsicherheitsbereich" des Gattereingangs wird also relativ flach - gestreckt über die Zeit - durchfahren, was die Unsicherheit als Ganzes noch verstärkt. Unsicherheit ist aber gleichzusetzen mit Jitter, also haben wir in Summe wohl keinen perfekten Quarzoszillator vor uns.
 
Der McIntyre-Ansatz
Ein Wechsel der Bürde-Kapazitäten gegen Glimmer-Typen dürfte das Problem kaum lösen, vielmehr ist konzeptionell ein anderer Ansatz gefragt. Bisher war das Logik-Gatter dazu verdonnert, einen Oszillator mit einem rechteckigen Ausgangssignal zu bilden. Dieser Task wird nun gesplittet: ein Sinus-Oszillator erzeugt ein sinusförmiges Signal, das von einem Puls- Former in ein Rechtecksignal umgewandelt wird. Quarz und Oszillator bilden dadurch eine Einheit, die ein sehr reines und stabiles Signal liefert, welches in der Frequenz beinahe so präzise ist wie der Quarz selbst. Da wir für die digitalen Bausteine aber ein Rechtecksignal benötigen, schalten wir einen Puls-Former dazu, der eigentlich nur aus einem highspeed- Komparator besteht. Ein echter und noch dazu schneller Komparator schaltet nicht nur die Ausgänge wesentlich schneller als ein Logikgatter, auch sein Verhalten am Eingang ist wesentlich definierter. Die letzten "Langzeiteffekte" wie zum Beispiel der Temperatureinfluss werden eliminiert, indem eine Servo die Schaltschwelle des Komparators festlegt und so dafür sorgt, dass das Puls-/Pausenverhältnis immer exakt bei 50 Prozent liegt.
 
 
Selbstverständlich enthält das Konzept auch eigene Spannungsregler. Der Königsweg wäre zwar, der Masterclock ein komplett eigenes Netzteil inklusive Trafo zu spendieren, aber das erscheint aus Kosten- und Platzgründen für eine Nachrüstlösung wenig praktikabel. Es kommt nämlich gar nicht so sehr auf die "Regelfähigkeiten" an - bei 12 beziehungsweise 17 Megahertz nuckelt die Schaltung praktisch nur noch aus den Stützkondensatoren - sondern vielmehr auf erstens Rauscharmut, denn Rauschen führt wieder zu Jitter, und zweitens eine geringe Rückwirkung. Denn die Performance eines CD-Players wird sicher nicht besser, wenn das Masterclock-Modul seiner Versorgung, an der noch diverse andere Baugruppen hängen, seinen Takt als HF-Störung einprägt. Beide Forderungen sehen wir bestens mit einem Shunt- (Parallel-) Regler erfüllt, der von einer echten Stromquelle (CCS) gespeist wird.
Das mit dieser Lösung generierte Taktsignal ist um Welten reiner und stabiler als das der Standard-Lösung. Vergleichen Sie den vorher/nachher Takt am Pin XSYS einfach mit dem Oszilloskop, und Sie werden den Begriff "um Welten" zu deuten wissen. Andersrum formuliert schafft es diese Masterclock weit besser, die Qualität eines Quarzes bis zum Mastertaktsignal durchzuhalten. Wenn die Bauteilqualität vom Quarz und auch vom Komparator unmittelbar auf die Performance durchschlägt, dann wird man bei der Realisierung des Konzepts auf beste Qualität achten - es lohnt sich!
 
Ausblick
Nach soviel trockener Theorie wird es wieder Zeit, Musik zu hören - mit neuer, eingebauter Masterclock und begleitet von der Frage, ob man Jitter auch heraus hören kann...
 
 
Bis zum nächsten Mal,
Ihr Team von McIntyre-HiFi
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