不同的數位線會帶來不同的聲音改變,這是因為"時基誤差"的關係,工程界稱為 clock jitter。
因為 SPDIF 或者 AES/EBU 這兩種數位傳輸格式,傳輸線裡面傳送的資料,除了我們所熟知的,數位的音訊取樣資料(audio sample data)以外,同時還傳送了另一個很重要的資料,但是我們很多人不知道,這個重要的資料就是 master clock,接收端的 DAC 要靠這個 master clcok 來取得傳送端 CD 轉盤的時鐘,這樣兩台個別的電子電路機器才能同步的一起工作。
而在 SPDIF 和 AES/EBU 這兩種數位傳輸規格裡面,當初制定的時候為了要節省連接線的數目,把這個 clock 調變後跟音訊資料用同一條線一起傳輸,使得這個 clock 波形很容易受到雜訊的干擾,產生 clock jitter,也就是 clock 的波形產生前後的抖動,沒有在正確的時間點上觸發上升或下降,換句話說,也就是時鐘不準了,有時候快,有時候慢,如下圖
虛線是理想精確的 clock 波形,實線是 jitter 的 clock。
當 DAC 使用這個不準的時鐘來做數位類比轉換,輸出類比的波形,我們知道取樣的數位資料除了它的每一個 sample 的振幅數值(電壓)以外,還有一個很重要的因素就是每一個 sample 點和 sample 點之間要有一個固定的間距,這樣建立的波形才會正確,而這個固定的時間間距,就是 clock:
如下圖 A),有固定時間間距,在精準的時間點上觸發的 wave 波形
B) 如果 clock 產生 jitter,DAC 沒有在精確的時間點上觸發工作輸出電壓,產生的 wave 波形
如圖所示,波形整個扭曲了。
我們來看 multi-bit DAC 受到 clock jitter 的影響輸出的電壓錯誤
最下面以 pulse 形式出現的 error,經過 DAC 的類比低通濾波器、回放電路的濾波效果,喇叭的物理濾波效果,以及我們人耳本身的構造濾波效果,最後會產生我們人耳所不喜歡的添加的頻率失真或雜訊。
所以這就是為什麼明明是數位線,傳送的是數位資料,理論上只要資料正確,聲音就一樣,但是實際上不同的數位線聲音還是不一樣,因為我們忽略了很重要的兩點:
1. 數位線裡面傳送的不只是數位的音訊取樣資料(digital audio sample data),還包括了 DAC 工作要用的 master clock。
2. 數位類比轉換的時候,除了記錄振幅的 sample data 之外,還有一個同樣重要的因素 sample rate,要有精準的 clock,否則光有正確的 data 一樣沒用,一樣只能得到歪七扭八的波形。
由於不同線材自身對波形的變化產生的 jitter 和抵抗外界雜訊干擾產生的 jitter 的能力不同,所以聲音也不相同。
延伸資訊:
1. multi-bit DAC 和 1-bit DAC 受到 jitter 的影響作用不太相同,1-bit DAC 受到 jitter 的干擾影響更大,譬如說,同樣 200ps RMS 的 white noise 的 jitter 添加到兩種 DAC,multi-bit DAC 會產生 -95dB 的白色噪音,而 1-bit DAC 則會產生 -75dB 的白色噪音。再加上 1-bit DAC 的工作頻率比 multi-bit DAC 要來得高(64x or 128x vs 8x),以及 1-bit DAC noise shaping 的工作原理產生的高頻雜訊很容易跟 jitter 產生 modulation,造成可聽聞頻帶內的添加頻率失真。
如下圖,沒有 jitter 的 16bit 10KHz 的理想頻譜圖
2ns p-p white noise 的 jitter 造成的頻譜圖,noise floor 上升了 12dB,等於減少了 2dB 的訊號解析度
2ns p-p sine jitter @ 1KHz 的頻譜圖,會造成原本 10KHz 訊號兩旁 9KHz 以及 11KHz 添加的頻率失真,由於這種多出的頻率失真和原本的音樂訊號沒有關連,和二次諧波失真不一樣,我們人耳會覺得這種失真特別討厭,特別難聽
2. 我忘了我還要說什麼了..... 呃,對了,SPDIF 和 AES/EBU 傳送的音訊資料是有檢查碼的,只是傳錯了不能重傳而已。根據實驗,其實大部分的情況下,數位傳輸的音訊資料傳輸結果都是正確的,傳幾百次也難得錯一次,所以我們大部分聽到的數位線聲音的差異,都和「資料正確與否」無關,和音訊資料是否出錯一點關係也沒有,重點完全是在 clock 上面。
大致上我們所需要知道的觀念大概就是這些
以上圖和說明都是擷取自 stereophile 網站。