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Jitter
Jitter führt zu zeitlichen Abweichungen bei der Auswertung digitaler Schaltflanken. (Quelle: www.quantumdata.com)

Jitter entmystifiziert

~ Zappelnde Bits ~

Werbetexte für digitale Audio-Geräte lassen keinen Zweifel daran, dass digitales Taktzittern, kurz “Jitter”, die Hauptursache für unnatürlichen, “digitalen” Klang ist. Und diese Behauptung trifft durchaus zu: Angesichts seiner möglichen Einflüsse auf die Klangqualität verwundert es schon, dass das Phänomen Jitter in der Gründerzeit der digitalen Audiotechnik praktisch kaum beachtet wurde.

Mittlerweile ist das Thema jedoch gut dokumentiert, wie ein kurzer Streifzug im Internet zeigt. Allerdings geben sich die meisten Publikationen ziemlich abstrakt und sind daher für technisch weniger interessierte Musikliebhaber nur schwer zugänglich. Dieser Beitrag will das spannende Thema daher etwas anschaulicher darstellen – wissbegierige Technik-Cracks finden am Ende der letzten Seite darüber hinaus einige empfehlenswerte, tiefschürfendere Links.

Jitter-Vergleich
Digitale Schaltflanken im Vergleich. Obere Linie (Cyan): verjittertes Signal – der Umschaltvorgang von Low nach High schwankt innerhalb eines großen Bereichs (gelb). Grüne Linie: Jitterfreies Signal – der Umschaltvorgang erfolgt stets zum selben Zeitpunkt (blau). (Quelle: Fink Audio Consulting)

Die digitale Audiotechnik beruht auf zwei fundamentalen Vorgängen – Abtasten und Quantisieren. Beim Abtasten, also dem Aufnehmen, entnimmt man dem Audiosignal in regelmäßigen (!) Abständen Proben, deren momentane Amplitudenwerte in ein mehr oder weniger feines Raster eingeordnet, sprich quantisiert werden. Beim Auslesen, also der Wiedergabe der digitalisierten Informationen werden die quantisierten Abtastwerte mit derselben Abtastrate dem Digital/Analog-Wandler zugeführt, der diese wieder in die analoge Domäne zurückwandelt.

Bereits an dieser Stelle lässt sich eine ebenso interessante wie ungewöhnliche Schlussfolgerung ziehen: Da es sich bei den quantisierten Werten um reine elektrische Spannungswerte zum Zeitpunkt x handelt, muss die gesamte Information über das Frequenzspektrum und den Verlauf des Schallereignisses in der zeitlichen Abfolge der nachfolgenden Abtastwerte enthalten sein. Umgekehrt bedeutet das aber auch: Wenn sich die zeitliche Abfolge der Abtastwerte ändert, ändert sich auch das Frequenzspektrum der digitalisierten Information.

Dazu ein einfaches Beispiel: Spielt man eine digitalisierte Musikinformation, die mit 48.000 Abtastwerten pro Sekunde aufgenommen wurde, mit einer Taktfrequenz von 96.000 Hertz ab, so verschiebt sich das Tonspektrum um eine Oktave nach oben, während sich die Laufzeit auf die Hälfte verkürzt – sprich die Musik erklingt um eine Oktave höher transponiert bei doppeltem Tempo.

Jitter – die richtigen Bits zum falschen Zeitpunkt

Bei der digitalen Tonübertragung ist es also erforderlich, dass Aufnahme und Wiedergabe mit identischer Taktfrequenz erfolgen und die Abtastwerte zudem möglichst regelmäßig eintreffen. Zeitliche Abweichungen der Samples untereinander machen sich bei der Digital-Analog-Wandlung zwangsläufig im Frequenzspektrum sowie der zeitlichen Struktur des Signals bemerkbar.

Alle digitalen Audiogeräte enthalten daher als “Schrittmacher” stabile, elektronische Systemtaktgeber. Prinzipbedingt arbeiten zwar selbst die einfachsten Ausführungen solcher Taktgeneratoren mit der Genauigkeit üblicher Quarzuhren – für die Anforderungen im digitalen Audiobereich mitunter jedoch nicht genau genug: So stellen solche Unregelmäßigkeiten der Systemtaktgeber eine der möglichen Ursachen für Jitter dar.

Salopp ausgedrückt, ist von Jitter immer dann die Rede, wenn die Taktimpulse „ruckeln“ – sprich wenn sie sich in horizontaler Richtung, also der X-Achse, zeitlich verschieben. Dieses Taktzittern bewirkt, dass ein Impuls mit einem definierten Abtastwert bei der Wiedergabe (D/A-Wandlung) nicht genau am selben Platz erscheint wie bei der Aufnahme – und schon bekommt beispielsweise eine ursprünglich glatt verlaufende Signalkurve eine Delle oder eine Beule, je nachdem, ob der Impuls mit dem Abtastwert zu früh oder zu spät eintrifft (Diagramm 1).

Sampling Jitter
Diagramm 1: The right bits at the wrong time – Unregelmäßigkeiten bei der Abtastfrequenz (rote Kurve) führen zu Verformungen der Original-Kurve (gelb). Sampling Jitter kann sowohl bei der Aufnahme (A/D-Wandlung) als auch beim Abspielen (D/A-Wandlung) auftreten.

Das kritische am Jitter ist also, dass sich durch ihn die ursprüngliche Kurvenform verändert. Wie sich über die Fourier-Transformation anschaulich darstellen lässt, geht damit jedoch stets eine Änderung des Frequenzspektrums einher – sprich: es entstehen spektrale Komponenten, die ohne Jitter nicht vorhanden wären. Deren Beschaffenheit ist unmittelbar mit der Entstehungsursache des Jitters verknüpft. Im günstigsten Fall handelt es sich dabei um ein spektral natürlich verteiltes Rauschen: Das lässt zwar beispielsweise im untersten Dynamikbereich eines einzelnen Tons einen leichten Rausch-Sockel entstehen, der klanglich jedoch kaum Schaden anrichtet (Diagramm 2).

harmloser Jitter
Diagramm 2: Jitter-Spektrum vom D/A-Wandler AMI Musik DDH-1, gemessen mit 12-kHz-J-Test-Signal (24 bit) eingespeist via USB-Eingang: Der zufällig verteilte Jitter lässt eine leichte, klanglich kaum störende Rauschnase am Signalgrund entstehen. (Quelle: LowBeats)

Wirklich klangkritisch wird’s erst dann, wenn Jitter durch regelmäßig wiederkehrende Anteile geprägt ist: Das passiert beispielsweise dann, wenn der Systemtaktgeber – aber auch ein nicht ausreichend geschirmtes Digitalkabel – von störenden 50-Hertz-Komponenten aus dem Netztransformator beeinflusst wird. In solchen Fällen entstehen um das D/A-gewandelte Tonsignal sogenannte Seitenbänder: Dabei handelt es sich um Verzerrungskomponenten, die – im Gegensatz zum Klirrfaktor – kein ganzzahliges Verhältnis zur Grundschwingung aufweisen: Solche nicht harmonischen Verzerrungskomponenten empfindet das Gehör als besonders störend.

Spektrale Störkomponenten treten aber auch dann auf, wenn Jitter durch regelmäßig wiederkehrende Bitmuster im Digitalsignalstrom verursacht wird. Typische Quellen für diesen sogenannten dateninduzierten Jitter sind Digitalschnittstellen, die Taktsignale und Audiodaten über eine einzige Leitung übertragen – beispielsweise das weit verbreitete S/P-DIF-Format (Diagramm 3).

mittlerer Jitter
Diagramm 3: Jitter-Spektrum vom AMI DDH-1, gemessen mit 12-kHz-J-Test-Signal (24 bit) eingespeist via Koaxial-Eingang: Noch nicht kritische, sehr gut sichtbare Jitter-Komponenten mit ausgedehntem  Spektrum durch Vielfache der Modulationsfrequenz (250 Hz). (Quelle: LowBeats)

Als Analogie ist Jitter am ehesten mit den Gleichlaufschwankungen bei der klassischen Analogsignalübertragung vergleichbar – mit einem wesentlichen Unterschied: Die Modulationsfrequenzen bei analogen Gleichlaufschwankungen liegen in der Regel deutlich niedriger als die zu übertragenden Tonfrequenzen. Jitter hingegen verursacht feinste “Gleichlaufschwankungen”, die sich innerhalb der Periodendauer selbst eines hochfrequenten Signals abspielen können. Die hierdurch im Signal hervorgerufenen Rauigkeiten hinterlassen somit Störspektren, die obendrein den Rauschabstand verschlechtern.

So klingt Jitter

Wie sich Jitter auf die Klangqualität auswirkt, können Sie nun in den beiden folgenden, kurzen Audiobeispielen im direkten Vergleich hören. Track A ist das Hörbeispiel ohne Jitter, Track B haben wir mit Jitter im Nanosekunden-Bereich angereichert. Beide Aufnahmen erfolgten dabei mit dem gleichen Equipment mit gleicher Anordnung der Signalkette. Der klangliche Einfluss von Jitter ist deutlich zu hören. Besonders auffällig: die Hi-Hat im rechten Kanal.

Track A: “Classic Mystery” ohne Jitter

Track B: “Classic Mystery” mit Jitter