Джиттер. Измерение джиттера

Джиттер можно измерить разными способами. Самый простой и интуитивно понятный — оценка по глаз-диаграмме. Глаз-диаграмма цифрового сигнала с малым джиттером имеет близкую к симметричной форму с плавными переходами и характеризуется практически полностью открытым «глазом», позволяющим точно идентифицировать биты данных. Если точка стробирования сигнала совпадает с центром «глаза», где сигнал достигает своего максимума или минимума, то вероятность возникновения битовой ошибки близка к нулю. В то же время присутствие на глаз-диаграмме множества отдельных фронтов и спадов говорит о наличии существенного джиттера, зависящего от данных, а ее размытость и малая открытость являются признаком значительного случайного джиттера. Для глаз-диаграммы специального тестового сигнала не требуется, хотя, при желании, можно использовать измерительный сигнал импульсного генератора.

Другой широко известный способ оценки результирующего джиттера (Total Jitter, TJ) — его нормализованная гистограмма, которая представляет собой зависимость коэффициента битовых ошибок BER от положения точки стробирования на единичном временном интервале UI. Точке стробирования, находящейся в середине единичного интервала, где UI=0.5 соответствует практически безошибочная передача. По мере смещения этой точки, что указывает на увеличение джиттера, величина BER возрастает. Кривую зависимости BER от амплитуды джиттера называют U-образной кривой (bathtub curve). В соответствии с общепринятым соглашением джиттер не должен приводить к битовым ошибкам с коэффициентом больше 10-12. На U-образной кривой этой величине BER отвечает диапазон джиттера + 0,2 UI.

Обратите внимание, как резко возрастает крутизна кривых BER при увеличении амплитуды джиттера более 0,2 UI.

Весьма эффективным способом оценки джиттера считается спектральный анализ, где источники детерминированного джиттера проявляются в виде пиков на непрерывной кривой случайного фазового шума.

Спектральные способы измерения джиттера представляют собой очень тонкий и точный инструмент, который как нельзя лучше подходит для оценки джиттера разрабатываемых приборов и поиска сложных повреждений в цифровом оборудовании в лабораторных условиях. Однако приборы спектрального анализа джиттера достаточно дороги и поэтому при эксплуатации цифрового оборудования и цифровых систем передачи используются редко.

Для измерения джиттера необходимы генератор тестовых последовательностей и анализатор джиттера. В качестве измерителя могут выступать осциллограф, спектрометр и анализатор битовых ошибок.

Генераторы, используемые при тестировании, должны обеспечивать генерацию псевдослучайных последовательностей с минимальным собственным джиттером (Intrinsic Jitter, IJ). Поэтому при выборе генератора следует в первую очередь убедиться в том, что величина IJ не превышает 0,05 UI. Существующие же схемотехнические решения позволяют ограничить величину IJ несколькими тысячными долями UI.

Генераторы джиттера могут управлять величиной джиттера или задержки, что обеспечивает внесение в тестовый сигнал требуемого количества джиттера и измерение степени реакции на него тестируемой цепи.

Наиболее универсальными анализаторами джиттера являются высокоскоростные цифровые записывающие осциллографы реального масштаба времени (Digital Storage Oscilloscopes, DSO). В соответствии с общепринятой практикой при анализе джиттера ширина диапазона частот должна по крайней мере в 1,8 раза превышать максимальную скорость передачи битов для последовательного сигнала без возврата к нулю. Поскольку DSO работают в диапазоне до 6 ГГц, они могут измерять джиттер на скоростях до 3,2 Гбит/с.

Уровень собственного среднеквадратичного джиттера этих осциллографов составляет менее чем 1,5 пикосекунд.

Частота дискретизации DSO по крайней мере в два раза превышает частоту сигнала и обычно в три с половиной раза больше максимально возможного диапазона частот при однократной записи полного сигнала. Для повышения эффективного разрешения во времени в осциллографах может применяться интерполяция между выборками.

После того как сигнал записан, задействуются различные функции его измерения и отображения: построение глаз-диаграммы, восстановление передаваемых тактовых импульсов, определение ошибки временного интервала TIE, параметров скважности, фронтов и спадов. Осциллографы отображают гистограммы для всех этих параметров и выполняют быстрое преобразование Фурье для представления сигнала в частотной области. Они позволяют получать и множество параметров джиттера, например джиттер от цикла к циклу, джиттер за n циклов и т. д., расширяя тем самым возможности диагностики.

В качестве анализаторов джиттера используются также тестеры битовых ошибок (BERT). Конфигурации современных BERT позволяют регулировать положение момента стробирования и уровень принятия решения. Эти возможности необходимы для построения точечных глаз-диаграмм и диаграмм iso-BER (с контурными линиями, разграничивающими области равной вероятности на глаз-диаграмме). При помощи тестеров BER можно создать U-образную кривую и ее интерполяцию (что ускоряет построение), а также разделять случайный и детерминированный джиттеры.

Обычно тестер джиттера определяет текущие (сurrent values) положительные и отрицательные значения джиттера и выводит их на дисплей. За время тестирования запоминаются и выводятся на дисплей положительные и отрицательные максимальные значения джиттера (maximum values). Рекомендуемое время для создания адекватного выходного джиттера сигнала данных — 60 с. Именно за этот период формируется амплитуда джиттера.

Если длительность измерения велика, то его результат включает зачастую не только джиттер, но и вандер, для устранения которого может использоваться фильтр верхних частот.

Кроме того, при измерении джиттера часто фиксируются так называемые скачки фазы (phase hit), появляющиеся при превышении джиттером заданного порога (+ «пик-пик»). Подобные события записываются с помощью счетчика. Соответствующая запись показывает, как часто происходит превышение амплитуды джиттера. Измерение скачков фазы дает пользователю более полное представление о работе его линии. В частности, это позволяет определить, равномерно или пакетами (burst) распределяются скачки фазы в сеансе измерения.

Простейшая схема измерения джиттера представляет собой схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с выходным фазовым компаратором. У фильтра нижних частот (ФНЧ) полоса пропускания очень узкая, и поэтому схема ФАПЧ, основным элементом которой является управляемый напряжением генератор ГУН, не реагирует на кратковременные фазовые дрожания сигнала тактовой частоты.

Если спектр джиттера хронирующего сигнала ниже граничной частоты ФНЧ, то он полностью подавляется схемой ФАПЧ. Поэтому эта схема позволяет измерять только фазовые дрожания, частота которых выше граничной частоты ФНЧ.

Кратко рассмотрим методы измерения некоторых типов джиттера.

ИЗМЕНЕНИЕ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО ДЖИТТЕРА

Напомним, что максимально допустимый джиттер (Maximum Tolerable Jitter, MTJ) представляет собой максимальную величину джиттера,которая не вызывает появления ошибок или аварийных сигналов, а в случае с IP телефонией не вызывает искажений голоса в гарнитуре для компьютера.

При испытаниях MTJ на вход измеряемого объекта от генератора джиттера подается цифровой сигнал, модулированный синусоидальным джиттером. Амплитуда джиттера увеличивается ступенчато до появления в приемнике ошибок или срабатывания аварийной сигнализации.

Помимо этого, существует еще так называемый быстрый режим измерения максимально переносимого джиттера (Fast Maximum Tolerable Jitter, FMTJ). При измерении FMTJ на генераторе джиттера задаются граничные значения частоты и амплитуды джиттера, указанные в стандартах. Джиттер в каждой точке измерения квалифицируется двумя возможными исходами — ОК (удовлетворительно) или Fail (неудовлетворительно).

ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ ДЖИТТЕРА JTF

Под JTF понимают отношение выходного и входного джиттера цифрового устройства или системы, т. е. модуль JTF фактически представляет собой амплитудно-частотную характеристику джиттера соответствующей системы.

На вход тестируемого устройства подаются сигналы различных частот с джиттером постоянной амплитуды, а величина джиттера измеряется на выходе устройства.

Особенностью передаточной функции джиттера является то, что ее модуль Х больше нуля. Это означает что цифровое устройство, например регенератор, вносит усиление джиттера, которое может накапливаться в тракте передачи. Чтобы ограничить этот процесс, в определенных точках тракта передачи включаются специальные подавители джиттера.

Кроме джиттера в цифровых системах связи должен обязательно контролироваться и вандер. Измерение последнего имеет две особенности по сравнению с измерением джиттера: необходим эталонный внешний источник синхросигнала; сеанс измерений должен длиться не менее 12 суток.