Исследование и усовершенствование методов измерения джиттера в терминальных устройствах телекоммуникационных систем
Автор: Темненко А.А.
Руководитель: д.т.н., проф. Воронцов А.Г.
Источник: Статья в сборнике трудов молодых ученых кафедры АТ, защищена на конференции 18.11.10г.
Сегодня измерение джиттера при конструировании цифровых систем становится все более важным. В последних разработках применяются новые стандарты быстрой передачи данных со скоростями передачи свыше гигабита в секунду. При такой скорости аналоговая природа сигнала становится разочаровывающе очевидной, и обеспечение достоверности сигнала занимает значительную часть процесса разработки [1].
Джиттер - одна из основных проблем при проектировании устройств цифровой электроники, в частности, цифровых интерфейсов. Недостаточно аккуратный его расчет может привести к его накоплению при прохождении цифрового сигнала по тракту и, в конечном счёте, к неработоспособности устройства [2].
Таким образом, джиттер – это действительно серьезная проблема, требующая новых и более совершенных путей решения.
Существует множество различных методов его измерения. Задачей 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 его поведения в терминальных устройствах телекоммуникационных систем с целью дальнейшего анализа и составления статистики.
В настоящее время выделяют две основные методики: классическая, основанная на принципе аналоговых измерений сигнала, и более современная – цифровая.
Целью аналоговой методики является измерение джиттера сигнала с линейным кодированием (NRZ). Для этого сначала из сигнала NRZ с помощью ФАПЧ восстанавливается синхросигнал. Далее необходим фильтр низкой частоты (ФНЧ), компенсирующий влияние ФАПЧ с ограниченной полосой. Полученная частота будет использоваться для сравнения с цифровым сигналом, содержащим джиттер.
Сигнал х и синхросигнал подаются на фазовый детектор, который выполняет сравнение фаз. На выходе фазового детектора появляется напряжение, величина и полярность которого зависят 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 [3].
Приведенный выше метод имеет следующие основные недостатки:
- 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»;
- система восстановления синхронизации вносит шумы. В результате это сказывается на точности измерения джиттера.
Аналоговый способ измерения не идеален, однако проанализировав цифровые методы, которые в настоящее время являются более популярными, очевидно, что они также имеют недостатки. Во-первых, цифровые ФАПЧ имеют более низкую помехоустойчивость, и когда сигнал в линии связи очень зашумлен работаю хуже чем аналоговые. Во-вторых, при увеличении уровня помех положение фронтов будут смещены и любая помеха в этом случае провоцирует временное «дрожание» фронтов, что, как следствие, приводит к накоплению джиттера в результате усреднения.
Таким образом, в 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 рисунке 1 :
Рисунок 1 – Объединенная схема измерения джиттера
Принцип работы цифровой части предложенной схемы следующий. Так как в современных телекоммуникационных системах работают с высоким частотным диапазоном, а цифровая обработка на компьютере предполагает более низкие частоты, в цифровой ветке стоит блок делителя частоты на Т-триггерах. Блоки ограничителя и триггера Шмитта являются составными элементами формирователя импульсов, позволяющего очистить сигнал от помех, которые размывают фронты импульсов, но оставить джиттер. 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 с ФАПЧ подается теоретически чистый от джиттера сигнал, а с фазового детектора – именно такой разностный сигнал.
Во время прихода переднего фронта импульса сигнала, теоретически чистого, замыкается первый ключ и конденсатор начинает заряжаться в течении первой положительной полуволны. После того, как конденсатор зарядился до заданной величины заряда, открывается второй ключ и он начинает разряжаться постепенно, по приходу импульсов с фазового детектора. Причем конденсатор разряжается только тогда, когда приходит этот импульс. 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 отображается следующим соотношением:
 |
(1) |
где lc, ld – заряд источников тока; c – заряд конденсатора; Tref – период «1» сигнала; N – количество импульсов после фазового детектора, разряжающих конденсатор; T – длительность импульса «2» сигнала (разностного).
В результате преобразования выражения (1), длительность разностных импульсов будет равна:
 |
(2) |
В целом результатом является усредненное значение джиттера на интервале измерения.
Таким образом, предложенное совмещение аналоговой и цифровой методик измерения джиттера позволит получить следующие положительные результаты:
- Аналоговая схема даст визуальное представление изменения джиттера по времени, позволит определить его источник и получить закон изменения джиттера на экране компьютера, а также произвести его анализ оператором.
- Цифровая же позволит сразу получить конечный результат измерения, т.е численное значение джиттера. При дальнейшем проектировании и улучшении схемы необходимо учитывать, что ни один измеритель реально не свободен от помех. Поэтому к вопросу выбора элементов нужно подходить очень тщательно, так как реальное значение джиттера может варьироваться в немалом диапазоне погрешности.
Перечень ссылок
- Бакланов И.Г., Лебедев А.Г., Сондак С.Ю. Несколько серьезных слов о джиттере. «Метрология и измерительная техника в отрасли связи» № 2. - М, 2005.
- Бакланов И.Г. Технологии измерений в современной телекоммуникации.- М.,1998.-264с.
- Tian Xia, Jien-Chung «Time–to–Voltage converter for On–Chip Jitter Measurement», IEEE Transactions on instrumentation and measurement, vol.52, no.6, Dec.2003.