РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ДЖИТТЕРА
Хмелевой О.В.
Руководитель Воронцов А.Г.
КИТА, ТКС-98а
Переход к цифровым методам передачи и коммутации помимо преимуществ, обусловленных новыми технологиями связи, вызвал множество проблем, специфически связанных с принципами передачи сигналов в цифровом виде, одной из таких является проблема синхронизации. Среди параметров, которые характеризуют сигнал синхронизации можно выделить джиттер и вандер. Данное исследование направлено на разработку методик оценки качества синхросигнала (измерение джиттера и вандера сигнала) используя имеющиеся в наличии оборудование и нестандартные методы спектрального оценивания.
Джиттером или фазовым дрожанием называется явление фазовой модуляции принимаемого сигнала (как аналогового, так и цифрового). На практике получили распространение два основных подхода к определению джиттера - в терминах фазы и в терминах частоты. Учитывая, что параметры частоты и фазы связаны простым соотношением и однозначно определяют друг друга, оба подхода эквивалентны. Для целей практического измерения джиттер представляется как изменение частоты принимаемого сигнала. В этом случае основными параметрами джиттера становятся его амплитуда и частота.
Различают два типа изменений частоты:
· быстрые колебания частоты, характеризующиеся fd > 10 Гц и получившие название собственно джиттера;
· медленные колебания частоты с fd < 10 Гц. получившие название вандера.
Необходимость разделения девиации частоты на джиттер и вандер связана с тем, что эти два параметра обычно возникают вследствие разных причин и по-разному влияют на параметры качества цифровой передачи. Получила распространение практика измерения амплитуды джиттера в единицах времени абсолютных (обычно, в микросекундах) или в приведенных единицах - единичных интервалах (Unit Interval ~ UI) Единичным интервалом называется время, необходимое для передачи одного бита информации при заданной скорости передачи.
Различают регулярный и нерегулярный джиттер. В случае постоянного (регулярного) джиттера, обусловленного обычно процессами мультиплексирования и регенерации, его влияние предсказуемо, носит аддитивный характер и компенсируется регенераторами и мультиплексорами. Нерегулярный (случайный) джиттер не может быть скомпенсирован и рассматривается как аддитивный шум. Исследования показали связь джиттера с тепловыми шумами и возможность накопления по мощности в составном цифровом канале Наиболее существенным считается процесс накопления регулярного джиттера, поскольку регулярный джиттер аккумулируется быстрее нерегулярного.
При передаче данных в цифровой форме джиттер, непосредственно связанный с нарушениями в синхронизации цифрового потока, приводит к двум эффектам
· В процессе регенерации, нарушения в синхронизации приводят к отклонению точек считывания дискретов от центра глазковой диаграммы В результате, снижается пороговый уровень работы по шумам что приводит к появлению битовых ошибок.
· На выходе асинхронных мультиплексоров наличие джиттера в системе синхронизации может привести к переполнению эластичных буферов и проскальзываниям с потерями цикловой синхронизации, что приводит к значительной деградации качества связи. Обычно проскальзывания вызываются вандером.
Регулярный (системный) джиттер обычно коррелирован с передаваемыми последовательностями битов. Поскольку задержки при передаче сигналов в скремблерах и кодерах обычно зависят от типа принимаемой/передаваемой последовательности процессы в мультиплексорах и регенераторах могут вызывать регулярный джиттер. Второй причиной возникновения регулярного джиттера могут быть нарушения в канале передачи, в частности связанные с наличием перекрестных помех, которые также вносят регулярный, коррелированный с последовательностями битов джиттер. Обычно регулярный джиттер в этом случае возникает при неправильной работе эквалайзеров или нарушениях в настройке цепей восстановления данных и характерен в большей степени для радиочастотных систем передачи.
Нерегулярный джиттер обычно обусловлен электромагнитным воздействием и интерференцией с внешними источниками сигнала, такими как шум, отражения, перекрестные помехи или интерференция с цепями литания и другими источниками ЭМП. В этом случае обычно спектр сигнала дает информацию об источнике интерферирующего сигнала.
Кроме перечисленных причин возникновения джиттера в системах связи, имеется ряд причин непосредственно связанных с технологией цифровых телекоммуникаций. Такой джиттер возникает из-за алгоритмов, реализованных в цифровых системах передачи. Соответственно, такой джиггер является алгоритмическим
Одним из эффектов накопленного в составной системе передачи джиттера является то, что его воздействие на параметры системы передачи могут не проявляться в течении долгого времени. В результате небольшое увеличение джиттера или изменение другого параметра деградации качества приводит к резкому ухудшению параметров качества.
Рассматривая общую методологию измерений джиттера, необходимо отметить, что она до сих пор не установилась.
Джиттер измеряется как пиковая величина отклонения фазы (частоты), приведенная к длине периода передачи данных. Для точного измерения джиттера необходимо точно определить ширину полосы измерений. В противном случае невозможно оценить влияние джиттера на параметры системы передачи
На рисунке 1 представлены основные характеристики джиттера сигнала, где Аj – амплитуда джиттера, Tj – период джиттера.
Рис 1. Основные характеристики джиттера сигнала.
Наиболее естественным способом организации измерений джиттера считать спектральный анализ джиттера с использованием частотно - селективного приемника. Однако такой метод не нашел распространения в практике эксплуатационных измерений, гак как его реализация в приборах оказалась слишком дорогой В настоящее время метод спектрального анализа используется в нескольких измерительных системах для лабораторного анализа джиттера
В практике эксплуатационных измерений получила распространение методология, состоящая из двух измерений, различающихся используемыми фильтрами – нижних и верхних частот джиттера. Этот метод измерений дает меньше информации о джиттере, чем спектральный анализ джиттера, однако он позволяет получить важные результаты и экономически более эффективен.
Для измерения джиттера используется опорный фазостабильный сигнал. Для его первичной обработки в состав анализатора включена медленная петля ФАПЧ Зависимость параметра джиттера от времени получается путем простого сравнения фаз двух сигналов. Полученная информация фильтруется либо находится спектр сигнала.
В процессе магистерских исследований ведется работа по изучению и определению джиттера при условии использования аппаратуры HP=5372. Данная аппаратура позволяет измерять частоту, период, фазу, относительную частоту и фазу сигнала (сигналов). Пределы измерений - до 500мГц в обычном режиме, и до 2ГГц в быстром режиме измерений. Так же прибор позволяет производить измерения с множеством различных вариантов запуска начала измерений: автоматический запуск, ручной запуск, использование внешнего сигнала для запуска и т.д.
На первом этапе работы было произведено исследование возможности использования нестандартных методов спектрального оценивания (методы Бурга, ковариационный, Music и т.д.) на предмет выявления близких гармонических компонент в сложном сигнале при разном уровне компонент, разном уровне сигналов, различных порядках АР моделей. Преимуществом данных методов является использование очень небольшого количества измерений для определения спектра сигнала.
Предлагаемая методика измерения джиттера состоит в следующем:
· С помощью прибора HP=5372 производим измерение частоты (фазы) тестового сигнала. Прибор определяет частоту сигнала по трем измерениям, что позволяет получать мгновенные значения частоты;
· Массив мгновенных значений частоты (фазы) тестового сигнала, либо отклонений частоты (фазы) от среднего значения переносится в ПК, где и происходит последующая обработка результатов;
· С помощью исследуемых ранее нестандартных методов спектрального оценивания производится обработка результатов.
· Из всех методов находится оптимальный, определяются параметры джиттера сигнала. Критерий оптимальности – наиболее близкое отображение частоты возмущающего воздействия (вызывающего джиттер). Частота возмущающего воздействия (джиттера) устанавливается нами и заранее известна.
· Поскольку для нахождения спектра сигнала девиации частоты необходимо небольшое количество измерений, то для определения динамики изменения джиттера предусматривается проводить множество опытов с небольшим количеством измерений в каждом. Обработка результатов будет проводиться по каждому опыту отдельно, а затем будет формироваться графики (таблицы), характеризующие динамику изменений.
На данном этапе планируется использовать эту методику для оценки параметров джиттера (вандера) в тестовом сигнале, который получен от не очень стабильного генератора, что гарантирует наличие джиттера в сигнале.
На последующих этапах планируется искусственно вызвать появление джиттера при прохождении сигнала через линию связи, и оценить работоспособность предложенного метода оценки.