| Краткое резюме |
| Биография |
| Библиотека |
| Ссылки |
| Отчет о поиске |
| Индивидуальный раздел |
 |
Темненко Анна АндреевнаФакультет: компьютерных информационных технологий и автоматикиСпециальность: телекоммуникационные системы и сети Научный руководитель: Воронцов Александр Григорьевич |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Реферат по теме выпускной работы:Исследование и усовершенствование методов измерения джиттера в терминальном оборудовании телекоммуникационных системАнализ объекта исследованияДжиттер (англ. jitter — дрожание) — нежелательные фазовые или частотные случайные отклонения передаваемого сигнала. Возникают вследствие нестабильности задающего генератора, изменений параметров линии передачи во времени, различной скорости распространения частотных составляющих одного и того же сигнала.
 Рисунок 1 – Джиттер цифрового сигнала
Еще в середине 90-х годов прошлого века отечественные связисты стали бороться с проблемами, вызванными фазовым дрожанием сигнала. Сегодня же борьба с джиттером является не менее актуальной, поскольку применение новых стандартов быстрой передачи данных обязывает уделять большое внимание обеспечению высокой достоверности передаваемого сигнала, чтобы просто не сделать передачу информации бессмысленной[1].
Существует несколько видов джиттера в зависимости от места его возникновения:
В зависимости от причин и источников джиттера, его разделяют на две основные категории: случайный (random jitter - RJ) и регулярный (deterministic jitter - DJ).
Случайный обусловлен шумовыми процессами, происходящими во всех полупроводниках и компонентах. Его источниками являются:
Регулярный джиттер вызывается действующими на сигнал процессами, происходящими в системном оборудовании, а также может появиться при определенных способах представления передаваемых данных. Системный джиттер зависит от характеристик цифровой системы. Его источники:
Регулярный джиттер достигает своих максимальных значений в определенные временные интервалы и характеризуется амплитудным значением.
Таким образом, джиттер – это действительно серьезная проблема, требующая новых и более совершенных путей решения. И первым этапом на пути к эффективной борьбе с фазовыми отклонениями является их качественное измерение.
Цели и задачи исследованияЦелью проведенного исследования является разработка нового способа измерения джиттера на основе старых концепций, который позволил бы получить не только численное значение фазовых отклонений, но и представить наиболее развернутую и точную картину поведения джиттера в терминальных устройствах телекоммуникационных систем с целью дальнейшего анализа и составления статистики.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
Предполагаемая научная новизна данной работы заключается в комплексности предложенного метода измерения джиттера. Т.е. в данной работе предпринята попытка создания простого комплекта оборудования, которое позволяет получить комплексную оценку джиттера, заключающуюся не только в определении его численного значения, но и визуальном наблюдении за его поведением, которое изменяется в зависимости от различных окружающих факторов, шумов и помех.
Планируемый практический результат данной работы – выполнить цифровое моделирование средств измерения, реализующих метод в
соответствии с разработанной структурой.
Методика измерения фазовых отклоненийСпособов определения джиттера на сегодняшний день немало. Они простираются от глазковых диаграмм и гистограмм во временной области до анализа его частотных характеристик, и представлений, позволяющих разделить случайную и детерминированную составляющие полного амплитудного джиттера.
 Рисунок 2 – Глазковая диаграмма и связанная с ней гистограмма
Однако основными сейчас являются две методики измерения фазовой нестабильности: классическая, основанная на принципе аналоговых измерений сигнала, и более современная – цифровая. Проанализировав оба метода, были приняты во внимание недостатки обоих.
Так, в аналоговой методике восстановление синхроимпульсов ограничивает диапазон измерений джиттера, в результате весь возможный интервал должен быть разделен на несколько рабочих, где измерения выполняются независимо, а затем результаты должны «сращиваться». Также система восстановления синхронизации вносит шумы, что в результате сказывается на точности измерения джиттера.
Аналоговый способ измерения не идеален, однако у цифровых методов также есть недостатки. Во-первых, цифровые ФАПЧ имеют более низкую помехоустойчивость, и когда сигнал в линии связи очень зашумлен работают хуже аналоговых. Во-вторых, при увеличении уровня помех положения фронтов будут смещены и любая помеха в этом случае провоцирует их временное «дрожание», что, как следствие, приводит к накоплению джиттера в результате усреднения.
Предложенное решениеВ результате проведенного анализа было предложено объединить аналоговый метод измерения джиттера и современную цифровую статистическую обработку на компьютере.
Результат объединения аналоговой и цифровой схем представлен на структурной схеме рисунка 3:
 Рисунок 3 – Анимация структурной схемы измерения джиттера
(размер анимации 29Kb; число кадров 7; задержка смены кадра 0,5сек; число повторов 7. Для возобновления анимации – обновить страницу) Принцип работы схемы графически изображен на функциональной схеме, приведенной ниже на рисунке 4.
 Рисунок 4 – Функциональная схема измерения джиттера
В аналоговой ветке схемы (на структурной схеме - нижняя) из сигнала с линейным кодированием NRZI с помощью ФАПЧ восстанавливается синхросигнал, после чего выполняется сравнение фаз. На выходе фазового детектора появляется напряжение, величина и полярность которого зависит от разности фаз сигнала х и синхросигнала. Фактически, это серия импульсов, ширина которых пропорциональна разности фаз. Составляющая этих импульсов (пунктирная линия) и есть напряжение, пропорциональное изменению фазы. ФНЧ выделяет это напряжение, одновременно сужая частотный диапазон для измерений джиттера [2].
В цифровой ветке (на структурной схеме - верхняя) стоит блок делителя частоты на Т-триггерах, блоки ограничителя и триггера Шмита, которые являются составными элементами формирователя импульсов, позволяющего очистить сигнал от помех, но оставить джиттер – информационный параметр предложенной системы. Цифровые ФАПЧ и фазовый детектор работают аналогично ветке аналоговой схемы, принцип работы которой был рассмотрен выше.
Выходной сигнал фазового детектора представлен двумя его выходами – Q и Q'. И если принять, что положительные сдвиги фронтов импульсов – импульсы положительной полярности, а отрицательные – импульсы отрицательной полярности, то выходным сигналом будет простая разница двух сигналов, поданных на его вход. Таким образом, на ключи электронной схемы блока Charge Pump с одновибратора подается теоретически чистый от джиттера импульс, а с фазового детектора – именно такой разностный сигнал.
Реализация отображенной на рисунке 4 электрической схемы детально представлена на рисунке 5:
 Рисунок 5 – Электрическая схема измерения джиттера
Как видно из рисунка в схеме применяется два эталонных источника тока для заряда и разряда конденсатора, что исключает возможность остаточного заряда на нем, а, следовательно, и негативное влияние на результаты измерения.
Схема также имеет блок управления, который обеспечивает:
Рассмотрим принцип работы данной электрической схемы. Во время прихода переднего фронта импульса сигнала одновибратора, теоретически чистого, замыкается первый ключ и конденсатор начинает заряжаться в течении первой положительной полуволны поданного сигнала. После того, как конденсатор зарядился до заданной величины заряда, открывается второй ключ и он начинает разряжаться постепенно, по приходу импульсов с фазового детектора. Счетчик фиксирует, сколько таких импульсов было за все время разрядки конденсатора.
То есть конденсатор разряжается несколькими периодами «2» сигнала в то время, как заряжается в течении одной положительной полуволны «1».
Этот процесс можно отразить следующим соотношением:
где lc, ld – заряд источников тока; c – заряд конденсатора; T1 – период «1» сигнала; N – количество импульсов после фазового детектора, разряжающих конденсатор; T2 – длительность импульса «2» сигнала (разностного). В результате преобразования выражения (1), длительность разностных импульсов будет равна:
где заряд конденсатора уже не учитывается. В целом результатом является усредненное значение джиттера на выбранном интервале измерения [3]. Чтобы получить это значение, близкое к истинному, необходимо увеличивать интервал измерения, т.е. количество импульсов, разряжающих конденсатор, должно стремиться к бесконечности. Погрешность в таком случае будет равна:
Увеличить интервал измерения можно за счет увеличения напряжения опорного сигнала, и в соответствии с соотношением 4:
ток заряда конденсатора Ic также увеличится, что по формуле (1) приведет к увеличению времени заряда конденсатора, а, следовательно, и времени его разряда. Однако при этом необходимо учитывать объем счетчика, поскольку за больший временной интервал будет большее число отсчетов. Создание и настройка компьютерной моделиДля дальнейшего исследования предложенной системы необходимо провести ее компьютерное моделирование. На сегодняшний день существует достаточное количество разнообразных программных пакетов, позволяющих без проблем осуществить имитацию работы системы средствами компьютера. Из рассматриваемых вариантов, представленных такими программными пакетами, как System View, MatLab и LabView, выбор был остановлен на программе System View, поскольку она ориентирована на работу с сигналами, имеет уже готовые системные модули и необходимые модели. Также она позволяет достаточно точно определить результат и дает отличную визуальную информацию о нем.
Таким образом, в ходе дальнейшего исследования предложенной системы было проведено компьютерное моделирование в пакете System View.
Разработанная модель представлена на рисунке 6.
 Рисунок 6 – Модель объединенной схемы в пакете System View
На входе блока формирователя моделируется сигнал, получаемый терминальным оборудованием из линии связи, помехи и шумы которой имитирует белый Гауссов шум. Задавая уровень шума можно контролировать значение джиттера сигнала, что необходимо в процессе исследования при имитации различного его значения в принятом сигнале. Однако тут необходимо учитывать, что в случае увеличения стандартного отклонения шума свыше порядка 10^-3 В, результат уже является неадекватным и правильного значения величины фазовых отклонений не дает. На рисунке 7 представлен сигнал, полученный на выходе фазового детектора ФАПЧ цифровой ветки схемы, при уровне шума 10^-2 В:
 Рисунок 7 – Сигнал при уровне шума, равном 10^-2
Однако и в случае задания очень малого его значения – меньше порядка 10^-6 В становится необходимым увеличение времени измерения для накопления полной статистики, чтобы точно оценить величину джиттера на заданном интервале измерения. На рисунке 8 отображен сигнал, снятый с выхода фазового детектора ФАПЧ при уровне среднеквадратического отклонения шума, равном 10^-7.
 Рисунок 8 – Сигнал при уровне шума, равном 10^-7
Аналоговая схема призвана дать визуальное представление изменения характера нестабильности во времени, таким образом, она должна быть более чувствительной к любым изменениям фронтов сигнала, чем цифровая, а следовательно, в данной ветке является недопустимым использовать большое количество преобразователей. Данная рекомендация ограничивает частотный диапазон сигналов, которые поступают на аналоговую схему и позволяет измерять джиттер только низкочастотных сигналов (максимум – порядка 200 кГц).
Анализ результатов моделированияИтак, задав частоту входного сигнала, равной 200 кГц, а среднеквадратическое отклонение шума, равным 5*10^-4 В, в результате ряда преобразований величина несоответствия положений фронтов импульсов первоначального сигнала и сигнала с джиттером представляется в виде импульсов, отображенных на рисунке 9:
 Рисунок 9 – Серия импульсов несоответствия фронтов сигналов
Разработанная в программном пакете System View цифровая ветка модели предусматривает нахождение среднего значения джиттера двумя методами – математическим и схемотехническим. С помощью математического аппарата, который реализуется блоком усреднителя, определяется среднее значение джиттера на интервале измерения, равном длительности первой положительной полуволны импульса одновибратора.
Схемотехническое же определение среднего значения фазовых отклонений реализуется с помощью RC-цепей электрической схемы блока Charge Pump. Согласно структурной схеме рисунка 3, на входы электрической схемы подается сигнал одновибратора, изображенный на рисунке 10 и серия импульсов нестабильности фронтов сигнала, представленная на рисунке 9.
 Рисунок 10 – Импульс, сформированный одновибратором
На рисунке 11 изображен процесс разряда конденсатора блока Charge Pump, в соответствии с логикой, описанной выше. На графике четко можно проследить количество импульсов джиттера, разряжающих конденсатор на величину заряда его энергией импульса одновибратора.
 Рисунок 11 – Количество импульсув, разряжающих конденсатор блока Charge Pump
Исследовав цифровую ветку схемы при разных значениях шума, были получены результаты, сведенные в таблицу 1.
Таблица 1 – Среднее значение джиттера при разных уровнях шума
Несоответствие двух результатов, полученных разными способами является погрешностью измерения, что связано с особенностью реализации блока Charge Pump, поскольку емкости, входящие в его структуру, дают приближенное значение. На рисунке 12 показано совмещение результатов двух способов измерения.
 Рисунок 12 – Совмещенный результат измерения джиттера двумя способами
Использование двух разных методов (идеально работающего усреднителя и неидеальной электронной схемы) определения джиттера дает основание считать, что результаты близки к истине при малой разнице их отклонения, что и наблюдается на графике.
При таком же уровне шума, но задав меньшую частоту сигнала, равной 100 кГц, было проведено моделирование аналоговой части схемы. Тут в результате отсутствия промежуточных звеньев преобразования, нестабильность первоначального сигнала по отношению к эталонному – теоретически чистому от джиттера, полученному с помощью системы ФАПЧ, выглядит в виде следующей последовательности импульсов, представленных на рисунке 13:
 Рисунок 13 - Серия импульсов несоответствия фронтов сигналов
Аналоговый RC-фильтр, получив такую последовательность, выдает кривую, показывающую общую тенденцию изменения поведения джиттера на заданном интервале измерения. Результат работы фильтра, наложенный для большей наглядности на предыдущий, представлен на рисунке 14.
 Рисунок 14 – Тенденция поведения джиттера на интервале измерения
Анализируя график, можно заметить, что в системе в общем наблюдается накопление джиттера. Исследуя определенные временные интервалы измерения, видно, что есть периоды нарастания значения нестабильности и периоды ее уменьшения.
ЗаключениеТаким образом, предложенное совмещение аналоговой и цифровой методик измерения джиттера позволит получить следующие положительные результаты:
Список литературы
ПримечанияПри написании данного автореферата квалификационная работа магистра была не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2011 года. Полный текст и материалы по теме могут быть получены у автора и его научного руководителя после указанной даты.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
