| Коротке резюме |
| Біографія |
 |
Темненко Анна АндріївнаФакультет: комп'ютерних інформаційних технологій та автоматикиСпеціальність: комп'ютерні системи та мережі Науковий керівник: Воронцов Олександр Григорович |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Реферат з теми випускної роботи:Дослідження та вдосконалення методів вимірювання джиттера в термінальному обладненні телекомунікаційних системАналіз об'єкта дослідженняДжиттер (англ. jitter - тремтіння) - небажані фазові або частотні випадкові відхилення переданого сигналу. Виникають внаслідок нестабільності генератора, змін параметрів лінії передачі з плином часу, різної швидкості поширення частотних складових одного і того ж сигналу.
 Рисунок 1 - Джиттер цифрового сигналу
Ще в середині 90-х років минулого століття вітчизняні зв'язківці почали боротися з проблемами, викликаними фазовим тремтінням сигналу. Сьогодні ж боротьба з джиттером є не менш актуальною, оскільки застосування нових стандартів швидкої передачі даних зобов'язує приділяти велику увагу забезпечення високої достовірності переданого сигналу, щоб просто не зробити передачу інформації безглуздою[1].
Існує кілька видів джиттера в залежності від місця його виникнення:
В залежності від причин і джерел джиттера, його поділяють на дві основні категорії: випадковий (Random jitter - RJ) і регулярний (deterministic jitter - DJ).
Випадковий обумовлений шумовими процесами, що відбуваються у всіх напівпровідниках та компонентах. Його джерелами є:
Регулярний джиттер викликається діючими на сигнал процесами, що відбуваються в системному обладнанні, а також може з'явитися при певних способах подання передаваємих даних. Системний джиттер залежить від характеристик цифрової системи. Його джерела:
Регулярний джиттер досягає своїх максимальних значень у певні часові інтервали і характеризується амплітудним значенням.
Таким чином, джитер - це дійсно серйозна проблема, яка потребує нових і більш вдосконалених шляхів вирішення. І першим етапом на шляху до ефективної боротьби з фазовими відхиленнями є їх якісне вимірювання.
Мета і задачі дослідженняМетою проведеного дослідження є розробка нового способу вимірювання джитера на основі старих концепцій, який дозволив би отримати не тільки чисельне значення фазових відхилень, але й представити найбільш розгорнуту і точну картину поведінки джитера в термінальних
пристроях телекомунікаційних систем з метою подальшого аналізу та складання статистики.
Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні задачі:
Передбачувана наукова новизна даної роботи полягає в комплексності запропонованого методу вимірювання джитера. Тобто в даній роботі зроблена спроба створення простого комплекту обладнання, яке дозволяє отримати комплексну оцінку джитера, що полягає не тільки у визначенні чисельного значення, але і візуальному спостереженні за його поведінкою, яка змінюється в залежності від різних навколишніх факторів, шумів та завад.
Плануємий практичний результат цієї роботи - виконати цифрове моделювання засобів вимірювання, що реалізують метод у відповідності до розробленої структури.
Методика вимірювання фазових відхиленьСпособів визначення джитера на сьогоднішній день чимало. Вони простягаються від глазкових діаграм і гістограм в часовій області до аналізу його частотних характеристик, і уявлень, які дозволяють розділити випадкову і детерміновану складові повного амплітудного джитера.
 Рисунок 2 - Глазкова діаграма і пов'язана з нею гістограма
Однак основними зараз є дві методики вимірювання фазової нестабільності: класична, заснована на принципі аналогових вимірів сигналу, і більш сучасна - цифрова. Проаналізувавши обидва методи, були прийняті до уваги недоліки обох.
Так, в аналоговій методиці відновлення синхроімпульсів обмежує діапазон вимірювань джитера, в результаті весь можливий інтервал повинен бути розділений на декілька робочих, де вимірювання виконуються незалежно, а потім результати повинні «зрощуватися». Також система відновлення синхронізації вносить шуми, що в результаті позначається на точності вимірювання джитера.
Аналоговий спосіб вимірювання не ідеальний, однак у цифрових методів також є недоліки. По- перше, цифрові ФАПЧ мають більш низьку завадостійкість, і коли сигнал в лінії зв'язку дуже зашумлений працюють гірше аналогових. По-друге, при збільшенні рівня перешкод положення фронтів будуть зміщені і будь-яка перешкода у цьому випадку провокує їх тимчасове «тремтіння», що, як наслідок, призводить до накопичення джитера в результаті усереднення.
Запропоноване рішенняУ результаті проведеного аналізу було запропоновано об'єднати аналоговий метод вимірювання джитера і сучасну цифрову статистичну обробку на комп'ютері.
Результат об'єднання аналогової і цифрової схем представлений на структурній схемі рисунка 3:
 Рисунок 3 - Структурна схема вимірювання джитера
Принцип роботи схеми графічно зображений на функціональній схемі, наведеній нижче на рисунку 4.
 Рисунок 4 - Функціональна схема вимірювання джитера
В аналоговій гілці схеми (на структурній схемі - нижня) з сигналу з лінійним кодуванням NRZI за допомогою ФАПЧ відновлюється синхросигнал, після чого виконується порівняння фаз. На виході фазового детектора з'являється напруга, величина і полярність якої залежить від різниці фаз сигналу х і синхросигналу. Фактично, це серія імпульсів, ширина яких пропорційна різниці фаз. Складова цих імпульсів (пунктирна лінія) і є напруга, пропорційна зміни фази. ФНЧ виділяє цю напругу, одночасно звужуючи частотний діапазон для вимірювань джитера [2].
У цифровій гілці (на структурній схемі - верхня) стоїть блок дільника частоти на Т-тригерах, блоки обмежувача і тригера Шміта, які є складовими елементами формувача імпульсів, що дозволяє очистити сигнал від завад, але залишити джиттер - інформаційний параметр запропонованої системи. Цифрові ФАПЧ і фазовий детектор працюють аналогічно гілці аналогової схеми, принцип роботи якої було розглянуто вище.
Вихідний сигнал фазового детектора представлений двома його виходами - Q та Q' . І якщо прийняти, що позитивні зрушення фронтів імпульсів - імпульси позитивної полярності, а негативні - імпульси негативної полярності, то вихідним сигналом буде проста різниця двох сигналів, що подані на його вхід. Таким чином, на ключі електронного схеми блоку Charge Pump з одновібратора подається теоретично чистий від джитера імпульс, а з фазового детектора - саме такий різницевий сигнал.
Реалізація відображеної на рисунку 4 електричної схеми детально представлена на рисунку 5:
 Рисунок 5 - Електрична схема вимірювання джитера
Як видно з рисунка в схемі застосовується два еталонних джерела струму для заряду і розряду конденсатора, що виключає можливість залишкового заряду на ньому, а, отже, і негативний вплив на результати вимірювання.
Схема також має блок управління, який забезпечує:
Розглянемо принцип роботи даної електричної схеми. Під час приходу переднього фронту імпульсу сигналу одновібратора, теоретично чистого, замикається перший ключ і конденсатор починає заряджатися протягом першої позитивної півхвилі поданого сигналу. Після того, як
конденсатор зарядився до заданої величини заряду, відкривається другий ключ і він починає розряджатися поступово, по приходу імпульсів з фазового детектора. Лічильник фіксує, скільки таких імпульсів було за весь час розрядки конденсатора.
Тобто конденсатор розряджається декількома періодами «2» сигналу в той час, як заряджається протягом однієї позитивної напівхвилі «1».
Цей процес можна відобразити таким співвідношенням:
де lc, ld – заряд джерел струму; c – заряд конденсатора; T1 – період «1» сигналу; N – кількість імпульсів після фазового детектора, що розряджають конденсатор; T2 – тривалість імпульсу «2» сигналу (різницевого). У результаті перетворення виразу (1), тривалість різницевих імпульсів буде дорівнювати:
де заряд конденсатора вже не враховується. У цілому результатом є усереднене значення джитера на вибраному інтервалі вимірювання [3]. Щоб отримати це значення, близьке до істинного,
необхідно збільшувати інтервал вимірювання, тобто кількість імпульсів, які розряджають конденсатор, має наближатися до нескінченності. Похибка в такому випадку буде дорівнювати:
Збільшити інтервал вимірювання можна за рахунок збільшення напруги опорного сигналу, і відповідно до співвідношення 4:
струм заряду конденсатора Ic також збільшиться, що за формулою (1) призведе до збільшення часу заряду конденсатора, а, отже, і часу його розряду. Однак при цьому необхідно враховувати обсяг лічильника, оскільки за більший часовий інтервал буде більше число відліків. Створення та налаштування комп'ютерної моделіДля подальшого дослідження запропонованої системи необхідно провести її комп'ютерне моделювання. На сьогоднішній день існує достатня кількість різноманітних програмних пакетів, що дозволяють без проблем здійснити імітацію роботи системи засобами комп'ютера. З
розглянутих варіантів, представлених такими програмними пакетами, як System View, MatLab і LabView, вибір був зупинений на програмі System View, оскільки вона орієнтована на роботу з сигналами, має вже готові системні модулі та необхідні моделі. Також вона дозволяє
досить точно визначити результат і дає відмінну візуальну інформацію про нього.
Таким чином, в ході подальшого дослідження запропонованої системи було проведено комп'ютерне моделювання в пакеті System View.
Розроблена модель представлена на рисунку 6.
 Рисунок 6 - Модель об'єднаної схеми в пакеті System View
На вході блоку формувача моделюється сигнал, що одержується термінальним обладнанням з лінії зв'язку, перешкоди і шуми якої імітує білий Гаусів шум. Задаючи рівень шуму можна контролювати значення джитера сигналу, що є необхідним в процесі дослідження при імітації
різного його значення в прийнятому сигналі. Проте тут необхідно враховувати, що в разі збільшення стандартного відхилення шуму понад порядку 10^-3В, результат вже є неадекватним і правильного значення величини фазових відхилень не дає. На рисунку 7 представлений сигнал, отриманий на виході фазового детектора ФАПЧ цифрової гілки схеми, при рівні шуму 10^-2В:
 Рисунок 7 - Сигнал при рівні шуму, що дорівнює 10^-2
Однак і в разі завдання дуже малого його значення - менше порядку
10^-6В стає необхідним збільшення часу виміру для накопичення повної статистики, щоб точно оцінити величину джитера на заданому інтервалі вимірювання. На рисунку 8 відображений сигнал, знятий з виходу фазового детектора ФАПЧ при рівні середньоквадратичного відхилення шуму, що дорівнює 10^-7.
 Рисунок 8 - Сигнал при рівні шуму, що дорівнює 10^-7
Аналогова схема покликана дати візуальне представлення зміни характеру нестабільності з плином часу, таким чином, вона повинна бути більш чутливою до будь-яких змін фронтів сигналу, ніж цифрова, а отже, в даній гілці є неприпустимим використовувати велику кількість перетворювачів. Дана рекомендація обмежує частотний діапазон сигналів, які надходять на аналогову схему і дозволяє вимірювати джиттер тільки низькочастотних сигналів (максимум - порядку 200 кГц).
Аналіз результатів моделюванняОтже, задавши частоту вхідного сигналу, що дорівнює 200 кГц, а середньоквадратичне відхилення шуму, рівним 5*10^-4 В, в результаті ряду перетворень величина невідповідності положень фронтів імпульсів первинного сигналу і сигналу з джиттером представляється у вигляді імпульсів, відображених на рисунку 9:
 Рисунок 9 - Серія імпульсів невідповідності фронтів сигналів
Розроблена в програмному пакеті System View цифрова гілка моделі передбачає знаходження середнього значення джитера двома методами - математичним і схемотехнічним. За допомогою математичного апарату, який реалізується блоком усереднювача, визначається середнє значення джитера на інтервалі вимірювання, який дорівнює тривалості першої позитивної напівхвилі імпульсу одновібратора.
Схемотехнічне ж визначення середнього значення фазових відхилень реалізується за допомогою RC- ланцюгів електричної схеми блоку Charge Pump. Згідно структурної схеми рисунка 3, на входи електричної схеми подається сигнал одновібратора, зображений на рисунку 10 і серія імпульсів
нестабільності фронтів сигналу, представлена на рисунку 9.
 Рисунок 10 - Імпульс, сформований одновібратором
На рисунку 11 зображено процес розряду конденсатора блоку Charge Pump, відповідно до логіки, описаної вище. На графіку чітко можна простежити кількість імпульсів джитера, що розряджають конденсатор на величину заряду його енергією імпульсу одновібратора.
 Рисунок 11 - Кількість імпульсув, розряджаються конденсатор блоку Charge Pump
Дослідивши цифрову гілку схеми при різних значеннях шуму, були отримані результати, зведені в таблицю 1.
Таблиця 1 - Середнє значення джитера при різних рівнях шуму
Невідповідність двох результатів, отриманих різними способами є похибкою вимірювання, що пов'язано з особливістю реалізації блоку Charge Pump, оскільки ємності, що входять до його структури, дають наближене значення. На рисунку 12 показано суміщення результатів двох способів вимірювань.
 Рисунок 12 - Суміщений результат вимірювання джитера двома способами
Використання двох різних методів (ідеально працюючого усереднювача та неідеальної електронної схеми) визначення джитера дає підставу вважати, що результати близькі до істини при малій різниці їх відхилення, що і спостерігається на графіку.
При такому ж рівні шуму, але задавши меншу частоту сигналу, що дорівнює 100 кГц, було проведено моделювання аналогової частини схеми. Тут в результаті відсутності проміжних ланок перетворення, нестабільність первісного сигналу по відношенню до еталонного - теоретично чистого від джитера, отриманого за допомогою системи ФАПЧ, отримується у вигляді послідовності імпульсів, представлених на рисунку 13:
 Рисунок 13 - Серія імпульсів невідповідності фронтів сигналів
Аналоговий RC-фільтр, отримавши таку послідовність, видає криву, що показує загальну тенденцію зміни поведінки джитера на заданому інтервалі вимірювання. Результат роботи фільтру, накладений для більшої наочності на попередній, представлений на рисунку 14.
 Рисунок 14 - Тенденція поведінки джитера на інтервалі вимірювання
Аналізуючи графік, можна помітити, що в системі загалом спостерігається накопичення джиттера. Досліджуючи певні часові інтервали вимірювання, видно, що є періоди наростання значення нестабільності та періоди її зменшення.
ВисновокТаким чином, запропоноване суміщення аналогової і цифрової методик вимірювання джитера дозволить отримати такі позитивні результати:
Перелік літератури
ПриміткиПри написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра була незавершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2011 року. Повний текст і матеріали по темі можуть бути отримані у автора та його наукового керівника після зазначеної дати.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
