Anlass dieses Beitrags ist die Veröffentlichung eines Tests des gehypten Eversolo T8 im Aktiv-Hören Forum. Der Hersteller schwärmt vom „Ultrapräzisen Femtosekunden-Taktsystem“ und wir wollen sehen, was dran ist.
In den Grundlagen schauen wir uns die verschiedenen Clocktypen an. Und auf welche Phasenrauschwerte du achten sollst, um den relevanten Jitter zu bestimmen. Im Praxisteil kommen dann einige Clocks in die Begutachtung.
Unterhalb der Zusammenfassung findest du künftig ein Quellenverzeichnis. So möchte ich die Veröffentlichung in Foren und deren fachkundigen Forenten besser herausstellen. Außerdem kannst du mit den Links auf Nachschlagewerke wie zum Beispiel Wikipedia und die technischen Parameter der Hersteller einen Faktencheck machen.
Grundlagen
Clocks
Wenn wir zu einer Verabredung pünktlich sein wollen, schauen wir auf unsere Uhr. Der Computer benötigt ebenfalls Clocks, damit eine zeitrichtige Datenverarbeitung stattfinden kann. Siehe hierzu: Wie dein PC Timer tickt. Und bei der digitalen Audiowiedergabe wird der Datenstrom immer wieder neu getaktet, zum Beispiel im Switch, im Streamer und im DAC.
Phasenjitter und Phasenrauschen
Die Qualität von Oszillatoren und Takten wird üblicherweise anhand des Phasenrauschens oder des RMS-Phasenjitters charakterisiert.
Während Jitter die Abweichungen im Zeitbereich anzeigt, wird beim Phasenrauschen der Frequenzbereich verwendet. Phasenrauschen sind die unerwünschten, zufälligen Phasenschwankungen, die als kurzfristige Frequenzinstabilität gemessen werden. Aus beiden Werten lässt sich dieselbe Drift ableiten. Im Vergleich mit anderen Clocks gilt: je niedriger das Phasenrauschen ist (höherer Minuswert in dB), desto besser. Wenn bei 1 Hz das Phasenrauschen -105 dBc/Hz beträgt bedeutet es, dass die Phasenrauschleistung in einer 1-Hz-Bandbreite, die 1 Hz vom Träger entfernt liegt, 105 dB unter der Trägerleistung liegt.
Der Phasenjitter ist die Abweichung der Taktperiode von der idealen Periodizität. Er ist das Gegenstück zum Phasenrauschen im Zeitbereich. Der Phasenjitterwert wird in der Regel in Femtosekunden (fs) angegeben.
Wander vs. Jitter
Im Bild unten sind die Unterschiede zwischen Wander und Jitter dargestellt. Bei Wander handelt es sich um niederfrequenten Jitter bis 10 Hz! Zur Verdeutlichung: Die meisten Jitter-Zahlen berücksichtigen nur das Phasenrauschen im Bereich von 12 kHz bis 20 MHz, das weit außerhalb des Bereichs liegt, der das digitale Audio zu beeinflussen scheint. Wander kann die Audiosignale demodulieren und zu einer „Verbreiterung“ der Frequenzen führen. Beispielsweise würde ein 1-kHz-Signal durch 10-Hz-Jitter zu einem Frequenzbereich von 990 Hz bis 1010 Hz „aufgefächert“.
Auswirkungen von Wander
UpTone Audio brachte eine neue These ins Spiel, siehe hier, hier und hier.
Die These von UpTone Audio besagt, dass das Phasenrauschspektrum der eingehenden Daten das Phasenrauschspektrum der lokalen Clock (Empfänger Clock) überlagert. So gelangt Phasenrauschen von einem Gerät zum nächsten, auch über optische Verbindungen. Dieses Phasenrauschen breitet sich aus – sowohl mit Schnittstellen wie Ethernet, USB, S/PDIF, I2S, als auch in den Chips auf den Boards. Selbst ein DAC mit einer perfekten Clock, die direkt neben dem DAC-Chip sitzt, wird von all der vorgelagerten Jitter/Phasenmodulation beeinflusst, die in den Chips und auf der Leiterplatte kurz davor stattgefunden hat.
Verbundene Systeme in diesem unteren Bereich der „Wanderung “ tauschen Taktungenauigkeiten untereinander aus. Und zwar durch Störungen, die diese Ungenauigkeiten in den Chips verursachen oder die sich über die Masse ausbreiten. Dies geschieht auch, wenn keine Musikdaten übertragen werden, da die Systeme ständig in Verbindung stehen und das Phasenrauschen anliegt. Sei es über Kupfer oder Lichtwellenleiter. Gleiches gilt für USB oder andere Systembusse. Deshalb ist eine Pufferung der Daten hier wirkungslos.
Das Grundrauschen ist sehr frequenzabhängig. Bei einer Standardplatine mit Signalen auf einer Massefläche fließt der hochfrequente Rückstrom direkt unter dem Signalkabel durch die Massefläche, sodass es selten zu Problemen mit den Taktpins kommt. Aber der niederfrequente Rückstrom verteilt sich über die gesamte Massefläche, sodass er leicht die Taktpins beeinträchtigen kann. Das bedeutet, dass niederfrequente Jitter-Komponenten in Datenschnittstellen kleine Spannungen über die Massefläche erzeugen können, was leicht zu Problemen mit den Taktpins führen kann.
Clock Typen
In der Tabelle unten sind die unterschiedlichen Clocks aufgelistet. Beginnend mit den XO Clocks sind die Phasenrauschwerte zwischen 1-10 Hz recht bescheiden, da sehr hoch. Dafür sind sie sehr preiswert. Dagegen haben die Low-Noise OCXO Clocks sehr niedrige Phasenrauschwerte, welches sich auch in einem sehr hohen Preis widerspiegelt. Die Rubidium Clocks sind außer Konkurrenz, da es hier auf die Langzeitstabilität ankommt.
| Clock-Typ | Funktionsprinzip | Phasenrauschen ca. @1 Hz (dBc/Hz) | Phasenrauschen ca. @10 Hz (dBc/Hz) | Preise ca. | Qualität / Einsatzbereich |
|---|
| XO | Einfacher Quarz-Oszillator ohne Kompensation | ca. –50…–70 | ca. –80…–100 | €1 – €10 | Basis-Takt, Consumer-Elektronik |
| TCXO | Temperatur Kompensierter Quarz | ca. –60…–80 | ca. –90…–110 | €5 – €30 | Bessere Temperatur-Stabilität |
| VCXO | Quarz Steuerung über Spannung (PLL-Tuning) | ca. –80…–100 | ca. –100…–120 | €10 – €50 | PLL-Anwendungen, moderates PN |
| DCXO | Digital gesteuerter XO (Feintuning per Digitalwort) | ähnlich VCXO | ähnlich VCXO | €10 – €100 | Digitale Frequenzregelung |
| VCTCXO | Temperaturkompensiert + Spannungsgesteuert | ca. –90…–110 | ca. –110…–130 | €20 – €80 | Stabil + steuerbar |
| OCXO | Quarz im temperaturgeregelten Ofen | ca. –95…–120 | ca. –120…–140 | €30 – €200+ | Hochpräzise Referenz |
| Low-Noise OCXO | Selektierte, rauschoptimierte OCXO | ca. –120…–125+ | ca. –135…–147+ | €200 – €1.000 | Messtechnik, HF-Referenz |
| Rubidium-Referenz | Atomarer Frequenzstandard (Rb-Übergang) | ca. –80…–100 | ca. –100…–130 | €2.000 – €5.000 | Metrologie, höchste Langzeitstabilität |
Quelle: ChatGPT – Achtung Werte sind nicht kontrolliert!Umrechnung des Phasenrauschens in Jitter
Mit dem im Web verfügbaren Phase Noise to Jitter Calculator von Marki Microwave ist eine einfache Berechnung möglich. Man gibt einfach die Phasenrauschwerte ein und bekommt das Ergebnis. Hier muss man auf die Maßeinheiten achten:
| Einheit | Wissenschaftliche Schreibweise | Dezimaldarstellung |
|---|
| 1 Femtosekunde (1 fs) | s | 0,000000000000001 |
| 1 Pikosekunde (1 ps) | s | 0,000000000001 |
| 1 Millisekunde (1 ms) | s | 0,001 |
Und die Parameter müssen richtig eingegeben werden. Zitat von Horst (Trinnov) aus dem Aktiv-Hören Forum:
„Also im Tool nur 0,001KHz (= 1 Hz) bis 0,00001 MHz (= 10 Hz) einstellen und mit dem Papierkorb Symbol die anderen Zeilen aus der Berechnung rausnehmen. Ich verwende das Tool seit ca. Mitte 2024“
Gesagt – getan! Ich habe die typischen (höheren) Phasenrauschwerte der unterschiedlichen Clocks in Jitter umgerechnet. Hier beginnend mit der XO Clock:
Der sehr hohe Jitter von 50080 fs (50,08 ps) bei den XO-Clocks dominiert unten die Skala. Richtig interessant wird es im Grunde genommen erst ab den OCXO Clocks mit 322 fs. Die Low-Noise Modelle glänzen hier mit 26 fs.
Praxis
Tests mit verschiedenen Clocks
Eversolo T8
Der Eversolo T8 ist ein reiner Streamer, der damit wirbt, dass ein makelloses digitales Signal mit einem „ultrapräzisen Femtosekunden-Taktsystem“ an deinen externen Digital-Analog-Wandler (DAC) übertragen wird. Im Streamer sind Clocks von Accusilicon AS318-B verbaut. Zitat von Gert (Fortepianus) aus dem Aktiv-Hören Forum:
„Daraus rechnet das Tool dann also einen Jitter von 24fs aus, das ist gut und 24fs liegen im Bereich von Femtosekunden. Was mich da dran jetzt ärgert? Der Jitter im Frequenzbereich 100Hz-1MHz interessiert für Audioanwendungen nicht. Oft wird sogar der Jitter von 12kHz-20MHz angegeben, das ist vielleicht für die Satelliten-Technik interessant, aber für Audio überhaupt nicht. Da schlägt vor allem der Jitter von 1Hz-10Hz zu, den man auch Wander nennt.
So jetzt rechnen wir das nicht von 100Hz aufwärts, sondern von 1Hz an: Da kommt jetzt etwas über eine Picosekunde raus, 1,04ps, was 1040fs sind. Also unter einer Femtoclock verstehe ich was anderes.“
Ich habe das nachgerechnet und auf 1 Hz bis 10 Hz beschränkt, was es mit 1037 fs (1,037 ps) auch nicht besser macht:
T+A SDV 3100 HV
Der T+A SDV 3100 HV ist ein sogenannter Streamer DAC, dass heißt neben den PCM- und DSD-Wandlern sind auch Streamingfunktionen eingebaut. Darüber hinaus ist das NAA-Modul von HQPlayer enthalten. Siehe Beitrag: Einplatinencomputer mit HQPlayers NAA nutzen.
Die Clocks sind durch die Glasscheibe leicht zu identifizieren. Es handelt sich um zwei Crystek VCXO CVHD-957 Clocks, davon eine mit 49,152 MHz und die andere mit 45,1584 MHz.
Leider wurden keine Phasenrauschwerte mit 1 Hz angegeben, so dass ich mit 10 Hz bis 100 Hz gerechnet habe.
Zum besseren Vergleich habe ich die Berechnung wie beim Eversolo T8 gemacht. Die Werte sind bei einer Trägerfrequenz von 49,152 MHz und der Berechnung zwischen 100 Hz bis 1 MHz mit 84,56 fs deutlich schlechter als beim vergleichsweise preiswerten Eversolo T8 (24 fs):
Wenn ich die Bandbreite zwischen 10 Hz und 100 Hz eingrenze, komme ich mit 837,6 fs fast auf 1 ps heran:
Wenn ich 1 Hz mit -70 dBc/Hz analog dem Eversolo T8 simuliere, dann erreicht der Jitterwert schlechte 2032 fs und wir bewegen uns im Picosekundenbereich: 2,032 ps!
Mutec REF10 SE120
Der Taktgenerator Mutec REF10 SE120 hat seinen Namen, weil er
- ein hochpräzises 10-MHz-Referenztaktsignal für angeschlossene Geräte bereitstellt und
- das Phasenrauschen bei 1 Hz mit ≤ -120 dBc/Hz sehr niedrig ausfällt.
Der REF10 SE120 basiert auf einem extrem aufwendig selektierten, handgefertigten, ofengesteuerten Quarzoszillator aus deutscher Produktion. OCXO steht für Oven Controlled Crystal Oscillator, d. h. der Quarz wird auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt und über einen Temperaturregelkreis zwischen 70°C – 80°C gehalten. Dies minimiert die Frequenzdrift und macht die Clock so genau.
Der Mutec REF10 SE120 ist nahezu kabellos und hervorragend verarbeitet.
Jedem Gerät liegt ein Phasenrauschdiagramm bei. Schauen wir uns die Jitterwerte an. Mit sagenhaft niedrigen Jitterwerten von 16,64 fs wird klar, warum diese Low-Noise OCXO Clock so gut ist.
Der Mutec REF10 SE120 versorgt bei mir den GUSTARD N18 PRO Netzwerk-Switch mit sauberen 10 MHz Takt. Den Hörtest führte ich in meinem System mit meinem Kumpel Bernd (fis Audio) durch. Dieser Test war schnell beendet, da sehr eindeutig. In Stichworten:
Reclocking an: dichter an der Musik dran, Fokussiert
Reclocking aus: mehr aus der Mitte, keine Feinheiten
Siehe Bericht: Was bringt ein Reclocking mit dem Mutec REF10 SE120?
Zusammenfassung
Bei den Clocks kommt es auf den Phasenjitter, beziehungsweise das Phasenrauschen im Bereich 1 Hz bis 10 Hz (Wander) an. Wander ist als niederfrequenter Jitter laut Upton Audio ziemlich tückisch, weil das Phasenrauschspektrum der eingehenden Daten das Phasenrauschspektrum der lokalen Clock (Empfänger Clock) überlagert. Es kann nicht durch Pufferung oder Lichtwellenleiter aufgehalten werden und beeinflusst im DAC über die Massefläche dessen Taktpins.
Bei den Clock Typen muss man mit den OCXO Clocks tief in die Tasche greifen, um gute Jitterwerte zu erhalten. Mit dem Phase Noise to Jitter Calculator kannst du das Phasenrauschen selbst in Jitter im relevanten Bereich umrechnen.
Bei dem relativ preiswerten Eversolo T8 und sogar beim teuren T+A SDV 3100 HV sind sogenannte FemtoClocks verbaut. Die Hersteller stellen die Werte besser dar, indem sie Jitter im Frequenzbereich gern zwischen 100 Hz bis 1 MHz angeben. Wie wir gesehen haben, bewegen wir uns im relevanten Wander (1 Hz – 10 Hz) mit den verbauten Clocks stattdessen im Pikosekundenbereich. Gute OCXO Clocks sind schon im Einkauf sehr teuer und werden daher von Streaming-/ und DAC-Herstellern gemieden.
Aber es gibt Tuningmöglichkeiten. Platziere eine Referenz Clock wie zum Beispiel den Mutec REF10 SE120 in deiner Kette und du wirst eine Verbesserung hören.
Quellenverzeichnis
In alphabetischer Reihenfolge:
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