Джиттер. Основные понятия

Измерение джиттера является, пожалуй, одной из самых сложных и интересных проблем цифровой связи.

Джиттером хронирования, или просто джиттером (jitter), называют паразитную фазовую модуляцию сигнала тактовой частоты. Можно также сказать, что джиттер представляет собой отклонение моментов стробирования сигнала от их идеальных положений.

Слишком большой джиттер иногда вызывает дополнительные ошибки цифрового сигнала или даже нарушает его синхронизацию. Возможными причинами являются:

• паразитная фазовая модуляция в генераторах тактовой частоты;
• воздействие шумов и помех на цепь синхронизации в приемнике;
• изменение длины тракта передачи;
• изменение скорости распространения;
• допплеровское смещение от движущихся объектов;
• нерегулярное поступление хронирующей информации и т. д.

Столь большому числу возможных причин соответствует множество типов джиттера.

Суммарный джиттер (Total Jitter, TJ) состоит из случайного джиттера (Random Jitter, RJ) и систематического (регулярного) джиттера (Deterministic Jitter, DJ).

Случайный джиттер RJ имеет гауссову функцию плотности вероятности PDF и характеризуется двумя параметрами: средним значением и среднеквадратичным отклонением. При такой функции PDF случайный джиттер может иметь сколь угодно большую амплитуду.

Джиттер этого типа измеряется как в амплитудных UIp-p (точнее, значениях «пик–пик»), так и в среднеквадратичных значениях UIRMS. Для джиттера с гауссовой плотностью вероятности, подобного белому шуму, UIp-p = (5�10) UIRMS. Для синусоидального джиттера соотношение между указанными параметрами составляет 2√2 = 2,83.

Систематический джиттер DJ имеет отличающуюся от гауссовой функцию распределения плотности вероятности и ограниченную амплитуду и включает в себя целый ряд джиттеров:

• периодический (Periodic Jitter, PJ), иногда называемый синусоидальным SJ;
• зависящий от информационного сигнала (данных) (Data Depending Jitter, DDJ);
• длительности цикла (Duty Cycle Distortion, DCD);
• алгоритмический (Algorithmic Jitter, AJ).

Главными причинами периодического джиттера PJ являются помехи от местных радиостанций или от переключений в сильноточных сетях. Он возникает также вследствие нестабильной работы систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Периодический джиттер может быть разложен в ряд Фурье и представлен в виде набора синусоид, поэтому иногда его называют синусоидальным. По определению, периодический джиттер не имеет корреляции с любым периодически повторяющимся сигналом данных. Этим он отличается от джиттера DDJ, который рассмотрим ниже.

Джиттер, зависящий от информационного сигнала DDJ, возникает вследствие межсимвольной интерференции (Intersymbol Interference, ISI) соседних импульсов. Характеристика этих искажений, а следовательно, и соответствующего джиттера будет зависеть от конкретного вида цифровой последовательности.

Джиттер длительности цикла характеризует отклонение продолжительности тактового импульса от его номинального значения. На практике это проявляется в разной длительности нулевого и единичного бита и оказывается следствием разной крутизны переднего и заднего фронтов тактового импульса.

Алгоритмический джиттер AJ возникает вследствие принципиальных особенностей конкретной ЦСП. Так, в плезиохронных ЦСП примером алгоритмического джиттера служит джиттер цифрового выравнивания и времени ожидания (Stuffing and Wait Time Jitter). Он появляется из-за переменной задержки операции цифрового выравнивания (Bit Stuffing) при мультиплексировании и демультиплексировании цифровых потоков. Дело в том, что решение о необходимости выравнивания может быть принято в любом месте цикла, а сама операция выполняется с переменной задержкой и только в определенном месте цикла. Точно такую же природу имеет джиттер отображения (Mapping Jitter) при размещении компонентных (tributary) сигналов PDH в синхронных транспортных модулях SONET/SDH с использованием операции цифрового выравнивания.

В системах SONET/SDH алгоритмический джиттер указателя (Pointer Jitter) возникает при компенсации рассинхронизации в сети посредством механизма указателей (Pointers). При этом происходит вставка или удаление одного байта указателя (смещение указателя), что означает появление джиттера с амплитудой в восемь единичных интервалов (Unit Interval, UI), каждый из которых равен времени, необходимому для передачи одного бита информации.

Джиттер характеризуется амплитудой и частотой. Флуктуации фазы с частотой выше 10 Гц называют джиттером, а флуктуации с частотой до 10 Гц включительно — вандером. В отечественной технической литературе джиттеру соответствует термин «фазовое дрожание», а вандеру — «дрейф фазы» тактовой частоты.

Расстояние между максимальным и минимальным значениями джиттера называется амплитудой джиттера и измеряется в единичных интервалах (Unit Interval, UI). Один UI соответствует одному периоду тактовой частоты.

Измерение вандера производится в абсолютных единицах времени и требует прецизионного источника тактовой частоты, при этом оно длится довольно долго. Основная характеристика вандера — ошибка временного интервала (Time Interval Error, TIE) — представляет собой отклонение (девиацию) тактовой частоты от частоты эталонного источника. TIE формирует базу для расчета двух других параметров вандера: максимально допустимой ошибки временного интервала (Maximum Tolerable Interval Error, MTIE) и девиации времени (Time Deviation, TDEV), первый из которых является критерием оценки долговременной, а второй — кратковременной стабильности синхросигнала. Кривые TDEV используются для оценки параметров генератора.

При недоступности эталонного источника тактовой частоты для оценки вандера применяется относительный параметр (Maximum Relative Time Interval Error, MRTIE). В этом случае на параметр MTIE накладывается неизбежное смещение частоты. Поэтому при измерении MRTIE из результата измерения MTIE вычитается соответствующее смещение частоты.

Сравнительная характеристика джиттера и вандера приведена в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика джиттера и вандера.

Каждое цифровое устройство характеризуется так называемой передаточной функцией джиттера (Jitter Transfer Function, JTF), или усилением джиттера (Jitter Gain, JG), и представляет собой отношение джиттера на выходе к джиттеру на входе.

Передаточная функция JTF особенно важна для оценки качества регенераторов. Цель этих измерений — оценка вносимого регенератором усиления джиттера, которое не должно быть выше допустимого значения, а также определение частоты среза (Cut Off Frequency, COF), начиная с которой регенератор начинает вносить ослабление джиттера.

Формула передаточной функции: H (f) = 20 lg (Output Jitter/Input Jitter), где Output Jitter и Input Jitter — амплитуды джиттера на выходе и входе, соответственно.

Еще один важный параметр — так называемая «переносимость» джиттера (Jitter Tolerance,JT). Он характеризует способность тестируемого устройства поглощать джиттер в зависимости от частоты.

Для всех видов интерфейсов в иерархиях ЦСП предусмотрены специальные шаблоны допусков, где лимитируются допустимые величины джиттера и вандера на входе устройства. Допустимая величина джиттера не должна вызывать появления ошибок или нарушения синхронизации цифрового сигнала. Один из таких шаблонов для интерфейса 2048 Кбит/c показан на рисунке.

В качестве испытательного сигнала при определении изображенного выше шаблона используется псевдослучайная последовательность PRBS (215-1) c фазовой модуляцией синусоидальным сигналом. При нахождении измеренного джиттера внутри шаблона соответствующее устройство не будет вносить ошибок в цифровой сигнал. Заметим, что на левой оси ординат отложены абсолютные единицы времени, в которых измеряется вандер, а на правой — относительные единичные интервалы UI, позволяющие измерять джиттер.