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Per quanto riguarda invece le misure di clock, le frequenze di cui si sta parlando sono nell'intervallo 10-40MHz, quindi un analizzatore di spettro da 100MSps può fornire uno spettro ragionevole; il problema qui è ottenere una precisione adeguata sulla scala delle frequenze, che significa avere al minimo una FFT da 1M (meglio 10M) punti. Sfortunatamente è difficile trovare sistemi a prezzi decentemente bassi con delle memorie di campionamento tanto estese.
Ci sono comunque almeno due modi di aggirare l'ostacolo.
In primo luogo, se si ha a disposizione un analizzatore di spettro digitale con una banda sufficientemente elevata a qualsiasi frequenza di campionamento e nessun filtro antialias, allora è possibile sfruttare l'effetto di aliasing: in pratica sottocampionando il cock, cioè usando una frequenza di campionamento più bassa del doppio del clock in esame, nel campo di misura dell'analizzatore (0-Fs/2) comparirà un alias dello spettro del clock.
Tali alias possono essere facilmente analizzati in dettaglio, data la ridotta frequenza di campionamento. Ciò permette di avere un analisi diretta del rumore di fase di un clock anche con analizzatori di costo ridotto.
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Sfortunatamente, il range dinamico degli analizzatori di spettro a basso costo è molto limitato, mentre il jitter che ci si aspetta di misurare è a livelli molto bassi. Inoltre, è necessario adottare qualche tipo di averaging dello spettro per ridurre il rumore. E in ogni caso, si è proprio al limite, soprattutto in caso di analisi di clock di alta qualità
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In questi casi, è probabilmente meglio portare l'analizzatore in leggera saturazione, trascurando le armoniche di livello superiore così generate, che sono comunque normalmente presenti a causa della forma d'onda tipicamente quadra. Di fatto, alcuni test che ho effettuato sembrano mostrare che il livello relativo delle bande laterali non cambia anche con saturazione abbastanza spinta, forse perché il jitter influisce essenzialmente sui fronti di salita e discesa.
Per terminare, notare che una sound card non è una opzione, qui: qualsiasi sound card decente ha un filtro antialias in ingresso, e quindi la frequenza del clock è completamente cancellata dal filtro prima di raggiungere i circuiti di conversione.
Come seconda alternativa, è possibile utilizzare un mixer RF per miscelare il clock sotto esame e un secondo clock di riferimento. Un mixer è un apparato che produce all'uscita un segnale che è il prodotto matematico dei suoi ingressi. Se si assume che i due segnali sono sinusoidi con frequenze a e b, sicuramente ricorderete perfettamente che
cos(a*w*t) * cos (b*w*t) = 1/2 * [cos([a+b]*w*t) - cos([a-b]*w*t)] (Werner)
Cioè il segnale miscelato risultante contiene due sinusoidi le cui frequenze sono una la somma e l'altra la differenza fra le due frequenze dei segnali di ingresso. Ehm... che state dicendo? Non vi ricordavate? Davvero strano.... come avete potuto fare a meno di questa fondamentale cognizione? ;-)
Scegliendo adeguatamente il clock di riferimento, è possibile ottenere una qualsiasi frequenza centrale per la differenza, in pratica traslando il segnale originale senza alcuna compressione sull'asse delle frequenza. Il segnale risultante può essere poi facilmente analizzato in dettaglio senza richiedere FFT di dimensioni enormi.
Ovviamente il clock di riferimento deve essere perfettamente stabile: se ciò non avviene, il suo jitter si sommerà con legge quadratica al jitter del clock in esame. Il mixer, in linea di principio, potrebbe essere semplicemente una porta XOR con una alimentazione adeguatamente stabilizzata: un tale mixer realizzato con circuiti integrati funziona perfettamente, ma la precisione/sensibilità non è sufficiente per i nostri scopi.
Notare che in pratica i segnali non sono delle sinusoidi, ma onde quadre, e si deve prestare una certa attenzione per evitare di confondere armoniche con componenti di jitter.
Comunque, l'applicazione più importante di questo principio consiste nel portare entrambi gli oscillatori alla stessa frequenza. A questo punto, la frequenza differenza va a zero, e quanto rimane attorno a zero è solo il rumore di fase (phase noise) dell'oscillatore.
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Ho utilizzato questa tecnica per confrontare alcuni superclock audio, e i risultati sono come minimo interessanti.
Questo è lo schema del banco di misura. Il mixer deve essere un mixer a radiofrequenza, ma deve avere una risposta in frequenza che si estende fino alle frequenze più basse (frazioni di Hz, idealmente alla continua). Tutti i circuiti devono essere alimentati con tensioni ultra regolate e a basso rumore. E' necessario porre anche adeguata attenzione ad evitare loop di terra.
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Data l'alta stabilità che ci si aspetta da questi clock (e ce in effetti di norma anno), per un valutazione visiva di questi clock non è necessario un PLL. E' comunque richiesto un oscillatore con possibilità di taratura estremamente fine. E la di pazienza di Giobbe.
E' necessario attendere che entrambi i clock abbiano raggiunto una stabilità termica ed elettrica (il che può richiedere pochi minuti o qualche ora...) e poi "accordare" i due clock in modo da vedere il segnale differenza scomparire nello zero. Il fatto che si stiano miscelando onde quadre, comunque, aiuta parecchio nel raggiungere un accordo preciso, perché tutte le armoniche interagiscono fra di loro come le fondamentali, ma avendo frequenze multiple di queste, anche le loro frequenze differenza sono multiple dello stesso ordine della frequenza differenza delle fondamentale: avendo a disposizione 30-50 armoniche, si ha in pratica un amplificatore di errore naturale.
L'analisi dei segnali miscelati può a questo punto essere effettuata con una normale sound carta. Comunque, anche una scheda a 24 bit è abbastanza al limite della propria risoluzione.
Una possibile variazione di questo principio consiste nell'uso di un PLL (phase locked loop), con una costante di filtro enorme, per renderlo più stabile possibile. Se lo si aggancia al clock in esame, la frequenza differenza sarà zero, ed è possibile leggere direttamente lo spettro del jitter con una FFT (che include, tuttavia, le componenti di jitter di entrambi i clock).
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In pratica si può analizzare la tensione di errore di fase con una sound card o un analizzatore di spettro: questo di fatto rappresenta il rumore di fase dell'uscita del PLL, e non quella del clock di uscita, ma con un progetto accurato del circuito ed in particolare della risposta in frequenza del filtro passa basso del PLL è possibile effettuare una analisi completa dell'intervallo di frequenze che interessa.
Uno dei tweaking più antichi e diffusi per i CD player consiste nell'istallazione di un clock di qualità superiore. Ma in realtà quanto è importante avere a disposizione un clock migliore in un CD player?
Questa è una domanda niente affatto facile, e non sono certo di riuscire a porre un punto fermo nella discussione. La verifica è complicata e richiede molto tempo, e richiederebbe anche la disponibilità di parecchie unità dello stesso prodotto da modificare, il che ovviamente non è facile da ottenere.
Per quanto riguarda la mia esperienza, usare un clock di alta qualità può produrre miglioramenti molto rilevanti nel suono di un cd player a basso costo. I miglioramenti sono esattamente quelli che ci si potrebbe attendere a seguito di una riduzione del jitter: essenzialmente un passo ed un senso del ritmo migliore, che aumentano in maniera molto significativa il piacere d'ascolto.
Ho avuto recentemente la fortuna di presenziare a una dimostrazione pubblica dell' LClock XO II, uno dei molti superclock disponibili sul mercato (una versione precedente è stata anche provata su TNT), al Milano HiEnd 2004. Fabio Camorani, il distributore dei prodotti LC in Italia, aveva messo insieme un sistema con due CD player Pioneer esternamente identici, uno in versione originale e l'altro con il clock (ed altri componenti) istallato. Il pubblico doveva riconoscere quale era quello modificato. Anche se devo ammettere che non era un vero test cieco, e che il sistema non era "scientificamente verificato", devo dire che le differenze erano assolutamente in linea con quelli che ricordavo dalla prova. In ogni caso, dopo un paio di commutazioni da una sorgente all'altra gli ascoltatori interessati avevano correttamente identificato l'unità modificata. Questo in condizioni standard da fiera, sinonimo per la peggiore delle situazioni di ascolto, come sapete....
Questo dovrebbe eliminare ogni dubbio sulla validità di questo tipo di miglioria. Ma...
Di recente, ho deciso di spendere un paio di giorni cercando di capire quanto le modalità di montaggio di un superclock commerciale potessero influenzare il jitter a livello audio. Il clock era il Net Audio RockClock (molto presto su queste pagine), gentilmente messo a disposizione da David Pritchard. Il circuito del RockClock è racchiuso in una scatola metallica (pressofusa!) connessa a massa, che dovrebbe rendere il circuito di generazione del clock ampiamente insensibile al posizionamento specifico. è stato montato nel solito Pioneer PD-S 505, and collegato alla piastra principale con un pezzo di doppino solid core ricavato da un cavo di rete UTP Cat.5. Il clock utilizzava la sua specifica alimentazione, la NET Audio CD Clock Power Supply.
Una nota sui valori misurati. Misurare il jitter significa valutare livelli di segnale nel range -105/-130dBFS, che in un CD player normale corrispondono a 0.7-11uV: i numeri che si ottengono non sono perfettamente stabili. Perciò ciascun test è stato ripetuto da 5 a 8 volte. I valori riportati nel seguito sono la media dei valori, seguita dal minimo e dal massimo fra parentesi, tanto per dare una idea della distribuzione.
Inizialmente ho iniziato con il clock nella posizione più comoda all'interno del box. Il jitter misurato a questo punto era 358ps (340-370ps). Comunque, il contenitore del clock rimaneva vicino ai chip di potenza del controller della meccanica, il che appariva certamente non ottimale.
Quindi ho provato a sollevare il clock di alcuni centimetri (5-6cm), lasciando tutto il resto inalterato. Il jitter è caduto a 334ps (329-341ps).
Allontanando il clock dalla scheda per quanto possibile data la connessione così breve vece crollare il jitter ulteriormente a 328ps (322-332ps). IL fatto che il doppino del clock passasse o meno accanto ai driver di potenza della meccanica non aveva alcuna conseguenza apparente.
Quindi ho spostato l'alimentatore del clock indietro verso i cablaggi all'uscita dell'alimentatore principale, ma si aveva un aumento immediato del jitter fino a 346ps (338-351ps), per cui ho cercato un posto più tranquillo: l'ho trovato appena sopra i diodi di raddrizzamento dell'alimentatore.... e non chiedetemi perché questo possa essere un posto tranquillo! La sola supposizione che possa fare è che i cablaggi dell'alimentazione siano percorsi da impulsi di corrente estremamente veloci e violenti, causati dai componenti digitali e dai motori della meccanica; questi impulsi potrebbero essere ricavata dai condensatori di filtro, che potrebbero perciò impedire agli impulsi di raggiungere i raddrizzatori. Va bene, va bene, neanche per la fantascienza serve così tanta fantasia, ho capito...
A questo punto ho deciso di passare all'ottimizzazione della connessione fra il clock e la scheda principale. Per prima cosa, ho aggiunto una resistenza da 43 ohm in serie alla linea calda del clock(come suggerito da altri progettisti di clock), per cercare di adattare in qualche modo l'impedenza di uscita del clock a quella caratteristica del doppino (circa 100 ohm). I risultati sono stati decisamente interessanti, con il jitter giù a 311ps (302-318ps).
A questo punto, c'era chiaramente un problema di adattamento da risolvere. Ho eliminato la resistenza da 43 ohm e ne ho messa una da 100ohm all'ingresso del clock sulla scheda principale (la scheda era stata ovviamente modificata eliminando il quarzo e i condensatori di servizio e rimpiazzandoli con due robustissimi pin: una idea assolutamente geniale, dato il superlavoro che hanno dovuto sopportare in questi giorni!)
Il risultato ha superato le aspettative: il jitter misurato è crollato a 288ps (277-302ps). Il reinserimento della resistenza da 43ohm all'uscita del clock non ha a questo punto apportato alcun beneficio.
Riassumendo, con modifiche apparentemente del tutto secondarie è possibile ridurre un jitter gia non elevatissimo del 20%. Considerando quanto jitter è probabilmente aggiunto fra l'ingresso del clock e i circuiti di conversione a causa di interferenze e disturbi sull'alimentazione, è molto più di quanto mi aspettassi.
Una esperienza ancora più estrema. Stavo testando il mio DAC TNT1541, temporaneamente senza decimazione, ma continuavo a ottenere dei valori di jitter completamente diversi in quella che a mio parere era esattamente la stessa configurazione. Questo era decisamente strano: come detto i valori che si ottengono non sono perfettamente stabili, ma hanno comunque un range di oscillazione abbastanza limitato.
Alla fine mi sono reso conto di quale potesse essere la causa del problema: la misura dipendeva pesantemente dalla presenza o meno, e in caso di presenza dalla posizione, del coperchio metallico del contenitore, che nel frattempo continuavo a mettere e togliere per cercare di capire se ci fosse qualche connessione difettosa. Ho ripetuto il test parecchie volte, e i risultati hanno confermato pienamente l'ipotesi.
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| Verde = con coperchio in acciaio | Celeste = con coperchio in alluminio |
| Giallo = con coperchio in metallo, isolato | Arancio = senza coperchio |
Che significa tutto ciò? Che il sampling jitter è una brutta bestia: è l'effetto di talmente tante componenti diverse che risulta estremamente sensibile a un numero enorme di fattori elettrici, ambientali e meccanici.
Perciò, perché un CD player abbia un buon senso del ritmo, un buon clock è certamente necessario, ma ben lontano dall'essere sufficiente; il trattamento del segnale di clock in tutto il sistema deve essere specificamente progettato per rendere il clock disponibile ovunque necessario nelle migliori condizioni, e tutte le linee di alimentazione devono essere progettate in modo da evitare la propagazione dei disturbi, in particolare di quelli generati nei componenti digitali.
In questi giorni ci sono progettisti di clock che dichiarano jitter di 2-3ps per i loro clock. Dai test è chiaro che un tale clock può dare benefici significativamente migliori di un buon clock solo nei migliori sistemi , progettati fin dall'inizio per fornire le migliori performance in questo ambito.
Nei sistemi economici o di medio livello, l'eccezionale passo di questi clock verrebbe distorto e inquinato dalle piste di clock disegnate senza cura eccessiva, mai gli adattamenti non corretti, dai loop di massa, dalle alimentazioni sporche, gli operazionali al risparmio e così via.
Nei sistemi più recenti, in particolare i lettori DVD economici, la qualità dei clock sembra superiore a quella dei CD player economici di qualche anno fa. Tuttavia, il sampling jitter resta relativamente elevato (500ps), ed essenzialmente costituito da rumore probabilmente di origine digitale e video.
Notare che gran parte di questi problemi sono strutturali, dipendendo sulle scelte fondamentali di progetto e dal layout della scheda. C'è ben poco (o, almeno, non c'è poi così tanto) che si possa fare per risolvere a posteriori questi problemi. In questi casi la scelta di un clock di qualità molto elevata (jitter di pochi ps) al momento del progetto o più tardi come tweak sembra proprio uno spreco.
D'altro canto, ci sia aspetta che i progettisti dell'high end già includano clock a jitter estremamente basso nei loro progetti. In ogni caso, non credo che ci siano molte persone disposte a far eseguire un tweak su un prodotto di altissimo livello, a meno che la modifica non venga sponsorizzata dal costruttore. Perciò, a mio modesto avviso, anche qui l'utilità dei veri super clock è discutibile.
Quindi, i clock di elevata qualità sono inutili? Nulla di più sbagliato.
C'è infatti un enorme numero di CD player di livello medio, e tutti quelli di livello economico, che possono trarre benefici veramente enormi da un nuovo clock. L'effetto è evidente, chiaro, non c'è alcuna discussione su questo. Quindi l'utilità dei clock è fuori discussione.
Un vero problema, comunque, è il prezzo di questi oggetti, confrontato con il prezzo dei CD player. Nei fatti, il prezzo di molto di questi è superiore a quello di un CD player entry level; anche peggio, con i DVD player, che hanno ormai prezzi stracciati, un tweaking completo richiede 2 clock. D'altro canto, è fuori discussione che l'effetto di un buon clock su un CD player può essere assolutamente notevole, evidente; un CD player economico con un buon clock di norma presenta un suono più fluido e ritmico di un CD player non modificato di costo doppio.
Quindi è decisamente difficile trarre delle conclusioni, dato che tutto dipende dalle caratteristiche sonore del CD player originale e dai gusti dell'utente.
Ciò che resta comunque chiaro, almeno secondo me, è che, con la maggioranza dei sistemi a basso e medio costo, un tweaker senza strumentazione specifica che utilizza un superclock con jitter dell'ordine dei 2-5ps rischia di ottenere lo stesso risultato che avrebbe potuto ottenere con un qualsiasi clock con un jitter ragionevolmente basso (diciamo sotto i 50ps). Ma resta il fatto che con il clock migliore ha più probabilità di ottenere un risultato migliore.
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