Tot op heden zijn er veel artikelen verschenen over dit onderwerp, van zeer gedetailleerde technische analyses van de fijne details van het HDMI-protocol tot de subjectieve perceptie van audiofielen die HDMI afkraken omdat het dof, hard en met een gebrek aan details zou klinken. De waarheid is dat HDMI niet erg populair is onder audiofielen en de algemene conclusie is dat jitter de boosdoener is.

Speciale HDMI Audio-uitgang

Veel audioliefhebbers vragen zich af hoe erg de HDMI jitter is, en of er een manier is om er vanaf te komen. Nou, het lijkt erg genoeg te zijn, dus de fabrikanten van audio-apparatuur zijn begonnen met het implementeren van speciale HDMI-uitgangspoorten speciaal voor audio, met de bewering dat het ofwel jitter-vrij is of met aanzienlijk verbeterde jitter-cijfers. OPPO heeft zelfs een kennisbankartikel gepubliceerd waarin het jitterreductiecircuit in hun topspeler UDP-205 wordt beschreven. Laten we er eens een korte blik op werpen.

Link: https://www.oppodigital.com/KnowledgeBase.aspx?KBID=129&ProdID=UDP-205

of PDF: Inzicht in het HDMI-audio jitter reductie circuit in de OPPO UDP-205

In het artikel wordt de moeilijkheid van HDMI-audiotransmissie in technische termen uitgelegd – hoe de audioklokken op een ingewikkelde manier worden gegenereerd uit de videoklokken. Soms is dit een taak die bijna onmogelijk is met bepaalde videoresoluties en audio sampling rates. De inleidende paragraaf is zeer nuttig om de grondbeginselen van de HDMI audio jitter problemen te begrijpen.

Vervolgens wordt een oplossing voorgesteld – een vaste videoklok die geschikt is voor het genereren van audioklokken, lege videodata en een oscillator van hoge kwaliteit. De verbetering wordt vervolgens gepresenteerd met behulp van twee methoden. 

De eerste is een oogdiagrammeting van de HDMI-videoklok, vermoedelijk de TMDS-linkklok. Er wordt beweerd dat de oogjitter daalt van circa 53ps tot 50ps, zonder verdere details. 

De tweede methode maakt gebruik van het J-test audiosignaal dat door de hele keten van de OPPO-speler naar een “low-end mass market AV-processor” via HDMI wordt gespeeld. De resultaten van de tweede methode worden gepresenteerd als twee FFT-plots van het resulterende analoge signaal. De verbetering wordt geïnterpreteerd als een vermindering van twee zijbanden met 15dB.

Discussie

Laten we de resultaten eens nader bekijken. Hoewel de technische oplossing van een speciale HDMI poort voor audio, door in feite gedefinieerde voorwaarden te scheppen voor de HDMI audio overdracht binnen de HDMI protocol grenzen, zeker slim is en veel technische inspanning moet hebben gekost om te implementeren, lijken de resultaten en de manier waarop ze worden gepresenteerd op zijn zachtst gezegd een beetje problematisch te zijn.

Het eerste wat moet worden opgemerkt is dat jitter als een getal op zichzelf zonder context technisch niet veel zegt en vrijwel niets over hoe een audiosysteem zal klinken. Om de invloed van jitter op de omzetting van digitaal naar analoog geluid te kwantificeren (dat is waar het om gaat), moet er veel meer informatie beschikbaar zijn – zoals de frequentiebandbreedte van de fasejitter of de feitelijke spectrale inhoud, het type jitter, enz. Bovendien hangt het uiteindelijke effect van jitter op de waargenomen sonische prestaties af van vele andere variabelen, zoals het modulatietype (PCM of DSD), de gevoeligheid van specifieke DAC-chips voor verschillende soorten jitter en vele andere.

Methode #1

Er bestaat een niet-triviale relatie tussen de TMDS-klok en de geregenereerde audioklokken aan de kant van de ontvanger in termen van jitter. Het voordeel van de speciale HDMI audio-uitgang presenteren met behulp van een oogdiagram van de TMDS-klok heeft zeer weinig waarde. Beide gepresenteerde oscilloscoopplots zien er vrijwel identiek uit en de aangegeven verbetering van het jittercijfer van 53ps naar 50ps is echt heel klein. Zonder verdere details over de gebruikte testapparatuur, kan worden aangenomen dat het verschil binnen de meetfout ligt.

Methode #2

Wat de tweede methode betreft, werd het beroemde J-test signaal speciaal ontworpen als worst-case scenario van audio data verandering om de gevoeligheid van S/PDIF & AES/EBU digitale ontvangers en vervolgens individuele combinaties van ontvangers en DAC chips (de resultaten worden geanalyseerd in het analoge domein) te kwantificeren voor data-geïnduceerde jitter. De klokterugwinningsschakelingen (PLL) in digitale ontvangers zijn gewoonlijk het gevoeligste subsysteem als het gaat om klokstabiliteit. Het HDMI transmissie protocol is zeer verschillend van S/PDIF en AES/EBU, en de zin van het gebruik van J-test signaal in OPPO’s test scenario is twijfelachtig. Het J-test signaal zou door zijn aard enige invloed kunnen hebben op het dynamisch gedrag van de interne circuits in de HDMI ontvanger en zijn klokterugwinning, maar de interpretatie van de resultaten zou zeer voorzichtig moeten zijn. 

De gepresenteerde FFT-plots “voor en na” laten over het algemeen een zeer ruisachtig analoog signaal zien. Het is erg moeilijk om de lagere zijbanden te beschouwen als een significante vermindering van “audio jitter artefacten” in aanwezigheid van een enorm hoge ruisvloer die de spectrale componenten van het originele J-test signaal volledig maskeert (16-bit J-test verondersteld). Als het slechte uiterlijk van de FFT-plots voornamelijk wordt veroorzaakt door jitter, dan bevindt het overgrote deel van de jitter-energie zich in de verhoogde ruisvloer en niet in discrete spectrale zijbanden die hun oorsprong vinden in de structuur van het J-test-signaal.

Conclusie

De testmethoden en de resultaten die door OPPO zijn verstrekt om de verbeteringen aan te tonen die zijn bereikt met de speciale HDMI audio-uitgang, zijn niet overtuigend. De verschillen tussen de standaard en de nieuwe verbeterde HDMI audiotransmissiemethoden lijken verwaarloosbaar te zijn en er valt geen echt voordeel te verwachten op het gebied van geluidsprestaties.

Jitter Oorsprong

Er zit echter een grote waarde in het artikel van OPPO, en dat is het enkele feit dat de HDMI audio niet kan worden verbeterd op het gebied van jitter door een slim ontworpen circuit in de HDMI bron. HDMI is een complex protocol, en het primaire doel ervan is altijd video-overdracht geweest, niet audio. Daarom ligt de geluidskwaliteit zo ver achter op de verouderde S/PDIF en AES/EBU protocollen die speciaal voor audio zijn ontworpen. 

Het probleem van HDMI-audiojitter moet worden aangepakt aan de kant van de ontvanger, waar de audioklokken worden afgeleid van de hoogfrequente TMDS-klok met zijn eigen timingkenmerken. Dit is waar de meeste jitter in de audioklok vandaan komt als gevolg van het gebruik van PLL’s met hoge bandbreedte en zeer geringe jitterafstotingsmogelijkheden.

In plaats van te proberen de jittery HDMI audioklok op te schonen, wordt bij de Vanity^PRO de geregenereerde HDMI audioklok om te beginnen volledig genegeerd. Alleen de inkomende datasnelheid bepaalt de nominale bemonsteringsfrequentie. Vervolgens migreren onze twee lokale hoogwaardige audio-oscillatoren en een slim regelalgoritme dat het gebruik van de audiogegevensbuffer bewaakt, de audiogegevens van het jitterige HDMI-domein naar het nieuwe audioklokdomein met zeer stabiele klokken.

Jitter meting

In de vorige paragrafen werd besproken dat de testmethodologie die de OPPO ingenieurs gebruikten om de kwaliteiten van hun jitter reductie circuit aan te tonen niet optimaal was. Dus, is er een andere manier om HDMI audio jitter of het effect daarvan op analoge audio direct te meten? Nou, er lijken ten minste twee of drie opties te zijn. De eerste is slechts een stap verder van wat OPPO deed met hun J-test methode. 

Zoals eerder vermeld, werd het J-test signaal ontworpen om de jitter gevoeligheid van digitale audio ontvangers in combinatie met DAC chips te onthullen. Indien de OPPO ingenieurs de ontvangen digitale audio hadden omgezet naar S/PDIF of AES/EBU en gebruik hadden gemaakt van een “lower-end mass market DAC” die een audio analyser voedt, dan zou de J-test methode veel meer valide zijn. De meeste HDMI ontvanger chips hebben een directe 1-draads digitale audio uitgang (S/PDIF), dus deze stap zou moeiteloos zijn. Op deze manier zou de hele HDMI verbinding met zijn zender en ontvanger veranderen in een zwarte doos van signaaloverdracht. 

Alleen de geaccumuleerde effecten van zo’n black box zouden kunnen worden geanalyseerd met het J-test signaal via S/PDIF of AES/EBU met behulp van een traditioneel DAC-apparaat met “niet-zo-goede” jitter-afwijzing om de verschillen in kwaliteit van het ingangssignaal te benadrukken. Het enige dat verder in gedachten moet worden gehouden is dat de J-test resultaten het gecombineerde effect vertegenwoordigen van de signaalkwaliteit en de jitter-afstotingsprestaties van het DAC-apparaat.

De tweede mogelijkheid is het meten van de jitter van de S/PDIF of AES/EBU draaggolf met behulp van gespecialiseerde testapparatuur. De meeste speciale audio-analysers op de markt hebben de mogelijkheid om de draaggolfjitter te meten ingebouwd en de resultaten worden visueel weergegeven als een draaggolf-oogdiagram of een piek-tot-piek jitteramplitude.

De derde mogelijkheid is het gebruik van een oscilloscoop om de jitter van de digitale draaggolf of de DA-conversie (master) klok te analyseren. Als men toegang heeft tot het inwendige circuit van een HDMI-ontvanger, zou het gemakkelijk moeten zijn om de jitter van de HDMI-interface rechtstreeks te meten aan de geregenereerde audioklok die door de HDMI-ontvangerchip wordt geleverd. 

Met het audiosignaal in het S/PDIF- of AES/EBU-formaat kan elke andere gevestigde methode voor het meten, analyseren en kwantificeren van jitter van standaard digitale audio-interfaces worden gebruikt. Ondanks de omzetting van het HDMI-audiosignaal in S/PDIF- of AES/EBU-formaat in de HDMI-ontvanger, draagt het signaal nog steeds alle timingkenmerken van de HDMI-interface. Daarom kan een latere jitteranalyse van het S/PDIF- of AES/EBU-signaal een zeer goede schatting opleveren van de HDMI-interface/audiojitter.

Vanity^PRO Jitterprestaties

Om de effectiviteit van de jitterverzwakking/klokherstel van de Vanity^PRO aan te tonen, werden verschillende jittermetingen uitgevoerd met verschillende methoden. De volgende apparatuur werd gebruikt.

– HDMI Signaalbron: OPPO UDP-203
– HDMI Audio-extractors: Vanity^PRO en Ligawo
– USB Audio Interface: Weiss INT204
– Stand-alone DAC: SMSL Sanskrit6
– TIE Jitter Analyser: Keysight EZJIT
– Audio Analyser: Prism Sound M1
– J-test

De eerste gebruikte methode is met de HDMI audio geconverteerd naar S/PDIF formaat en het J-test signaal. De UDP-203 werd aangesloten op één van de HDMI audio extractors tegelijk via een 2m HDMI kabel. Het J-test bestand werd afgespeeld in FLAC formaat bij 48kHz. De digitale audio-uitgang van de audio-extractor werd aangesloten op de SMSL DAC. De analoge uitgang van de DAC werd vervolgens toegevoerd aan de single-ended analoge ingangen van de audioanalysator. 

Aangezien Prism Sound pionier is op het gebied van de J-test methode, beschikt de audio-analyser over een script om automatisch het testsignaal te genereren, alsmede de resultaten in de handige vorm van het “J-Test Sidebands + Noise” cijfer. Hierbij wordt niet alleen rekening gehouden met de zijbanden die worden veroorzaakt door de data-geïnduceerde jitter, maar ook met een breedbandige ruis. Naast de HDMI audio-extractors werden ter vergelijking ook de eigen digitale audio-output van de UDP-203 en een hoogwaardige USB audio-interface Weiss INT204 met J-test signaal getest.

Ligawo

Vanity^PRO

OPPO UDP-203

Weiss INT204

Discussie

We merken nogmaals op dat de hier besproken resultaten de gecombineerde prestaties zijn van alle elementen in de gehele signaalketen. De J-test Sidebands+Noise cijfers die worden toegeschreven aan de afzonderlijke signaalbronnen worden ook beïnvloed door de gebruikte DAC. Reviews van de DAC en zijn prestaties kunnen online worden gevonden voor vergelijkingsdoeleinden.

De Ligawo Audio extractor geeft de ruwe HDMI audioprestaties weer zonder enige geavanceerde jitterdemping. Zoals verwacht is de ruisvloer zeer hoog met een kam-achtige vorm rond de 12kHz audiotoon. Gezien de andere resultaten en de onbewerkte prestaties van de DAC, is het veilig om aan te nemen dat het grootste deel van de ruis het gevolg is van de HDMI jitter. 

De FFT plots in het OPPO artikel geven geen informatie over het totale analoge signaalniveau, dus een directe vergelijking van de ruisvloerniveaus is niet mogelijk, ondanks het feit dat de eenheidsconversie tussen dBu en dBV triviaal is. De J-test sideband+Noise cijfers zijn -69.1dB en -69.2dB voor het linker en rechter kanaal.

De FFT plots voor de Vanity^PRO tonen de ruisvloer op hetzelfde niveau als dat van de DAC zelf, met slechts een klein randje rond de hoofdtoon van 12kHz. De data-geïnduceerde zijbanden zijn het enige teken van prestatievermindering als gevolg van jitter, wat bewijst dat de Vanity^PRO een uitzonderlijk schone digitale audiobron is. De J-test zijband+ruis cijfers zijn -90.7dB en -90.4dB voor het linker en rechter kanaal, wat meer dan 21dB beter is dan de Ligawo. Als een DAC met een betere data-jitter rejectie zou worden gebruikt, zou het verschil in prestaties nog groter zijn.

Van de eigen digitale uitgang van de OPPO UDP-203 werd verwacht dat deze een zeer schoon signaal zou leveren, vergelijkbaar met de Vanity^PRO. Verrassend genoeg blijkt het ook te worden belast door een behoorlijke hoeveelheid jitter, wat leidt tot een verhoogde ruisvloer en niet-harmonische uitlopers. De J-test sideband+Noise cijfers zijn -84.7dB en -84.1dB voor het linker en rechter kanaal, wat aanzienlijk slechter is dan de Vanity^PRO.

Het laatste geteste apparaat was de INT204 van Weiss Engineering. Het is een hoogwaardige USB audio interface met vaste audio oscillatoren, die een zeer stabiel uitgangssignaal zouden moeten produceren. De prestaties waren iets beter dan de OPPO UDP-203 met de J-test zijband+ruis cijfers van -86.9dB en -86.0dB voor het linker en rechter kanaal. De ruisvloer lag dicht bij het eigen geluid van de DAC, maar er was een behoorlijke hoeveelheid niet-harmonische sporen op laag niveau aanwezig. Deze sporen kunnen worden veroorzaakt door ruislekkage via de USB-bus vanuit een elektromagnetisch zeer lawaaierige omgeving van een PC of door de USB-interface zelf.

Samenvatting

Digitale draaggolfanalyse

De volgende methode die werd gebruikt was de digitale draaggolf jitter analyse van het S/PDIF signaal die rechtstreeks door de Prism Sound analyser werd uitgevoerd. De output van deze methode is de “Sampling Jitter” waarde in nano seconden piek tot piek (ns p-p). Het voordeel van deze methode is dat het ook mogelijk is de sampling jitter te demoduleren en het spectrum ervan in de audioband te tonen. Dezelfde verzameling apparaten werd gebruikt en het S/PDIF signaal werd rechtstreeks op de Prism Sound analyser aangesloten. De metingen werden verricht met een J-test signaal om een worst-case data-overdrachtscenario te creëren.

Ligawo

Vanity^PRO

OPPO UDP-203

Weiss INT204

Discussie

De Ligawo HDMI extractor vertoonde 28,3ns p-p sampling jitter en jitter spectrum met een hoog niveau van uniforme ruis en een discrete piek bij 20kHz.

De Vanity^PRO had 1,7ns p-p sampling jitter en jitter spectrum met een veel lagere ruisvloer met enkele laagfrequente discrete componenten. Deze componenten waren op hetzelfde niveau aanwezig, zelfs als er geen audiosignaal werd overgebracht. Hun aanwezigheid in metingen van andere apparaten kan wijzen op een beperking van de testmethode of een systeemgerelateerde oorzaak.

De OPPO UDP-203 vertoonde 6,0ns p-p sampling jitter en een iets verhoogde ruisvloer met een kleine bult rond 12kHz, mogelijk als gevolg van het J-test signaal.

De Weiss INT204 tenslotte had 8,0ns p-p sampling jitter met een gedemoduleerde jitter ruisvloer vergelijkbaar met die van de Vanity^PRO, maar met een hoger niveau van laagfrequente componenten.

Opnieuw vertoonde de Vanity^PRO de laagste amplitude van bemonsteringsjitter in de digitale draaggolfanalyse die door de Prism Sound audio-analyser werd uitgevoerd.

Samenvatting

Master-Clock TIE Analyse

De laatste methode die werd gebruikt om de jitter niveaus tussen een standaard HDMI ontvanger en de Vanity^PRO te vergelijken is de directe audio master-clock analyse met een gespecialiseerd instrument van Keysight. In dit geval wordt de audio master-clock die door de HDMI-ontvangerchip wordt geleverd, geanalyseerd op TIE (Time Interval Error) en vergeleken met de TIE van de audio master-clock van de Vanity^PRO. Deze vergelijking kwantificeert objectief de HDMI-audiojitter en de verbetering van de audioklokkwaliteit die door de Vanity^PRO wordt bereikt.

TIE is een geaccumuleerde randtimingsfout van het echte kloksignaal ten opzichte van een ideale klokrepresentatie met dezelfde frequentie. De momentane metingen worden geaccumuleerd en weergegeven als een histogram met statistisch bepaalde parameters. De definitie van TIE en standaardmeetmethoden zijn online te vinden.

HDMI Receiver

Vanity^PRO

Discussie

De waarden waarnaar moet worden gekeken bij de TIE-metingen zijn standaardafwijking en piek-tot-piek (of min en max). De standaardafwijking vertegenwoordigt een RMS-waarde. Een ding moet worden opgemerkt is dat beide histogrammen een standaard Gaussische verdeling vertonen. De HDMI ontvanger geeft de TIE standaardafwijking (RMS) 471ps terwijl de Vanity^PRO slechts 2,9ps heeft. Dit is een verhouding van circa 162x of 44dB in het voordeel van de Vanity^PRO.

Een andere manier om de TIE meting te visualiseren is met oscilloscoop display persistentie en vertraagde horizontale lijn. Randinstabiliteit vanaf de trigger tot het observatiepunt accumuleert over een willekeurig aantal klokperioden en veroorzaakt een kleurgegradeerde verdikking van de weergegeven golfvorm. Deze visualisatiemethode wordt gebruikt in de Vanity^PRO online presentatie van de jitterverzwakkingsfunctionaliteit.

HDMI Receiver versus Vanity^PRO

Conclusie

Het doel van dit artikel was het onderwerp HDMI Audio jitter te behandelen in de context van het kwantificeren van de jitterniveaus met behulp van verschillende methoden en het demonstreren van de jitterreductiemogelijkheden van de Vanity^PRO HDMI audio extractor. De resultaten van directe en indirecte methoden van jittermeting die in dit artikel worden gepresenteerd, bewijzen dat de Vanity^PRO ongeëvenaarde prestaties levert bij het elimineren van jitter uit de HDMI-interface. Dit biedt de audioliefhebber een unieke mogelijkheid om elke compatibele HDMI-audiobron te gebruiken als een digitaal meerkanaals audiotransport van topklasse met bitnauwkeurige digitale audiotransmissie en nagenoeg nul jitter voor de meest nauwkeurige geluidsweergave.

Dit is een vrije vertaling van de originele Engelse Audiopraise artikel: “HDMI Audio Jitter: Is there a way out?“