10811

Измерение джиттера в цифровых системах передачи. Построение глазковой диаграммы

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа Измерение джиттера в цифровых системах передачи. Построение глазковой диаграммы Цель работы: исследовать возможность и перспективность применения глазковых диаграмм для анализа цифровых сигналов. Теоретические сведения Джиттером или фазов...

Русский

2013-04-02

560.85 KB

84 чел.

Лабораторная работа

Измерение джиттера в цифровых системах передачи.
Построение глазковой диаграммы

Цель работы: исследовать возможность и перспективность применения глазковых диаграмм для анализа цифровых сигналов.

Теоретические сведения

Джиттером или фазовым дрожанием называется явление фазовой модуляции принимаемого сигнала (как аналогового, так и цифрового). Нестабильность частоты принимаемого цифрового сигнала показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1.

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. Регулярный джиттер возникает в случае неправильной работы эквалайзеров или нарушений 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, отражение, перекрестные помехи или интерференция с цепями питания и другими источниками ЭМП. В этом случае обычно спектр сигнала дает информацию об источнике интерферирующего сигнала. Интерференция с цепями питания 50 Гц и другими низкочастотными сигналами обычно легко идентифицируется, тогда как поиск интерференции от компьютерных и вычислительных систем связан с анализом в диапазоне порядка 60 МГц и представляет определенные сложности.

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, и является алгоритмическим.

Джиттер стаффинга. В технологии плезиохронной цифровой передачи (PDH) принята методика выравнивания входящих в мультиплексор потоков за счет вставки битов (методика битового стаффинга). Согласно данной методике стаффинг производится в определенные промежутки времени считывания информации из эластичного буфера. Чтобы процесс битового стаффинга мог работать, информация, поступающая в приемный эластичный буфер мультиплексора, принимается со скоростью, меньшей скорости передачи. Двумя основными принципами битового стаффинга являются:

  1.  скорость считывания из приемного эластичного буфера должна быть больше скорости записи в буфер;
  2.  вставка битов (стаффинг по битам) должна производиться в заранее установленные интервалы времени для обеспечения эффективного удаления стаффинговых битов.

Из-за битового стаффинга, даже если входящий в мультиплексор поток идеально дискретизирован, на выходе мультиплексора поток имеет значительный джиттер (justification jitter). Этот джиттер компенсируется на приемной стороне эластичным буфером приемника. Принцип работы буфера приемника основан на использовании петли ФАПЧ. После удаления стаффинговых битов ФАПЧ подстраивается под среднюю скорость принимаемой информации и производит считывание с этой скоростью. Для наиболее полной компенсации стаффингового джиттера используются узкополосные петли ФАПЧ. Однако несмотря на узкополосностъ, петли ФАПЧ имеют конечную полосу, поэтому поток на выходе содержит стаффинговый джиттер, имеющий регулярную структуру.

На практике джиттер в системах PDH имеет более сложную структуру, связанную с алгоритмом внесения стаффинговых битов только в определенные временные интервалы, которые могут не совпадать с кратностью разности скоростей.

В качестве примера процессов, происходящих в приемном буфере, рассмотрим передачу/прием цифрового потока в системе PDH при частоте вставки стаффинговых битов, кратной разности частот приёма/передачи приемного буфера мультиплексора. В этом случае стаффинг выражается дробью с числителем 1 (рис. 2.2).

Рис. 2.2.

В этом случае стаффинг равномерен и, обычно, в демультиплексоре хорошо компенсируется. Выходящий поток содержит стаффинговый джиггер, обусловленный только конечной полосой петли ФАПЧ.

Если частота вставки не кратна разности частот приема/передачи, стаффинговое отношение будет выражаться дробным числом. В зависимости от того, находится ли дробная часть или структура стаффинга будет различной (рис. 2.3).

Рис. 2.3.

Для точного измерения джиттера необходимо точно определить ширину полосы измерений. Иначе нельзя оценить влияние джиттера на параметры системы передачи. Наиболее естественным способом организации измерений джиттера можно было бы считать спектральный анализ джиттера с использованием частотно-селективного приемника. Однако такой метод слишком дорог и в настоящее время используется в нескольких измерительных системах и для лабораторного анализа джиттера.

Помимо достаточно хорошо известных методов аналоговых сигналов с использованием осциллограмм и спектрального анализа, в методологии измерений цифровых сигналов широкое распространение получило представление в виде специальных диаграмм, что определяются дискретной природой сигналов. При проведении измерений получили распространение два основных класса диаграмм: диаграммы физических параметров цифрового сигнала – глазковые диаграммы и диаграммы состояний и алгоритмические диаграммы – древовидные диаграммы и различные виды диаграмм Треллиса.

Диаграммы физических параметров используются для анализа как простых бинарных цифровых сигналов, так и сложных сигналов современных цифровых телекоммуникаций – многоуровневых (например, сигналы линейного кодирования ISDN) и модулированных сигналов (применяемых в радиочастотных системах передачи и системах радиосвязи).

Для построения двухуровневой глазковой диаграммы (рис. 2.4) битовый поток подается на осциллограф, в то время, как синхронизация внешней развертки производится от битового потока частотой fb.

Рис. 2.4. Двухуровневая глазковая диаграмма

В случае построения многоуровневых диаграмм сигнал должен проходить через многоуровневый конвертер, а синхронизация производится от символьного потока частотой fb. Для калибровки глазковой диаграммы сигнал часто подают в обход фильтра, ограничивающего диапазон сигнала. В этом случае возникает диаграмма в виде прямоугольника (табл. 1, слева). Фильтр, ограничивающий полосу передаваемого сигнала, вносит существенные изменения в форму импульса, в результате чего возникает диаграмма в виде «стандартного глаза» (табл. 1, справа). Глазковые диаграммы используют периодическую структуру цифрового сигнала. За счет внешней синхронизации развертки получаемые осциллограммы волнового фронта сигнала накладываются друг на друга с периодом одного отсчета. В результате проведения измерений с накоплением получается глазковая диаграмма, при этом по оси ординат откладывается амплитуда сигналов, по оси абсцисс – время соответственно.

Реальная осцилограмма сигнала «разрезается» посимвольно в соответствии с тактовыми импульсами синхронизирующего генератора, а затем глазковая диакрамма «складывается» из полученных кусков.

В идеальном случае при отсутствии цепей фильтрации в результате такого сложения получится квадрат («квадратный глаз»). Однако глазковая диаграмма реального сигнала будет значительно отличаться от квадрата, поскольку будет содержать в себе составляющие нарастания фронта сигнала, спада фронта, прямоугольный импульс будет иметь форму колокола, в результате получится диаграмма, более похожая на глаз.

Исследование глазковых диаграмм позволяет провести детальный анализ цифрового сигнала по параметрам, непосредственно связанным с формой волнового фронта: параметру межсимвольной интерференции, джиттеру передачи данных, джиттеру синхронизации и другим характеристикам.

Таким образом, глазковая диаграмма (рис. 2.5) представляет собой результат многократного наложения битовых последовательностей с выхода генератора ПСП, отображаемый на экране осциллографа в виде диаграммы распределения амплитуды сигнала по времени.

Рис. 2.5. Глазковая диаграмма и ее основные параметры

Эффекты уширения импульса, а также фазовое дрожание сигнала вызывают появление взаимных искажений между символами, что приводит к пересечению глазковой драграммы с временной осью в разные промежутки времени. Максимальная ширина области пересечения с временной осью определяется как пиковое фазовое дрожание или джиттер передачи данных Tj.

Исследование глазковых диаграмм позволяет провести детальный анализ цифрового сигнала по следующим параметрам:


Лабораторная установка

Рис. 2.6. Лабораторная установка для построения глазковой диаграммы. ПСП – псевдослучайная последовательность

Ход работы

C помощью глазковой диаграммы предлагается измерить приведенные ниже параметры сигнала.

  1.  Амплитуда. Можно использовать вертикальную гистограмму для получения различных измерений амплитуды. Для комплексных сигналов измерения проводятся как на синфазные, так и на квадратурные составляющие, если не определено иначе. Для измерений амплитуды по крайней мере один отсчет в вертикальной гистограмме должен достигать 10 изменений прежде, чем было проведено измерение, гарантируя более высокую точность
  2.  Глазковая амплитуда. Глазковая амплитуда, измеряемая в единицах амплитуды, является расстоянием между двумя соседними глазковыми уровнями. Для NRZ сигнала существует только два уровня: высокий (уровень 1 на рисунке) и низкий (уровень 0 на рисунке). Глазковая амплитуда – разница этих двух величин, как показано на рис. 4.

 

  1.  Амплитуда глазкового пересечения. Амплитуда глазкового пересечения (рис. 5) — это уровни амплитуды, на которых происходят глазковые пересечения; измеряется в единицах амплитуды. Метод анализа состоит в вычислении этой величины с использованием среднего значения вертикальной гистограммы в моменты пересечения.
  2.  Процентное соотношение глазкового пересечения. Процентное соотношение глазкового пересечения – это уровень, на котором находится нулевое глаз ко вое пересечение, вычисленное как процентное отношение от глазкового открытия. Вычисляют по формуле

,

где  – уровень, на котором произошло первое глазковое пересечение;  – средний уровень наиболее преобладающего пика гистограммы, построенной для высокого логического уровня; – средний уровень наиболее преобладающего пика гистограммы, построенной для низкого логического уровня.

  1.  Глазковая высота (рис. 7). Измеряется в единицах амплитуды, определяется как 3 между двумя соседними глазковыми уровнями. Для NRZ-сигнала существует только два уровня: высокий (уровень 1 на рисунке) и низкий (уровень 0 на рисунке). Глазковая высота — это разница двух 3 точек, как показано на рис. 5. 3 точка – точка, которая находится на расстоянии трех стандартных девиаций от средней величины PDF.

  1.  Глазковый уровень (рис. 8). Глазковый уровень – это уровень амплитуды, используемый для представления битов данных, измеряется в единицах амплитуды. Для идеального NRZ-сигнала существуют два глазковых уровня: +А и –А. Метод анализа состоит в вычислении глазковых уровней путем оценки среднего значения вертикальной гистограммы в окне вокруг глазковой задержки, которая также является серединной (50%-й) точкой между моментами глазкового пересечения. Ширина этого окна определяется с помощью свойства границы глазкового уровня.

Метод анализа состоит в вычислении среднего значения всех вертикальных гистограмм в пределах границ глазкового уровня. Средняя вертикальная гистограмма показана на рис 5. Существует две различных PDF для каждого глазкового уровня. Средние величины индивидуальных гистограмм — это глазковые уровни (рис. 9). 

  1.  Глазковое отношение сигнал/шум. Определяется как отношение глазковой амплитуды к сумме стандартных девиаций двух глазковых уровней. Это может быть выражено как

,

где и и – глазковые уровни 1 и 0; и  – стандартные девиации глазковых уровней 1 и 0 соответственно.

Для NRZ-сигнала глазковый уровень 1 соответствует высокому уровню, а глазковый уровень 0 – низкому уровню.

  1.  Добротность. Метод анализа состоит в вычислении добротности так же, как в вычислении отношения глазкового сигнал/шума. Однако вместо использования «личин средней и стандартной девиации вертикальной гистограммы  и  используются величины средней и стандартной девиации. Вычисляют ю формуле

,

где  – средний уровень наиболее преобладающего пика гистограммы, построенной для высокого логического уровня;  – средний уровень наиболее преобладающего пика гистограммы, построенной для низкого логического уровня; sigmatop – стандартная девиация для средней величины высокого логического уровня, sigmabase – стандартная девиация для средней величины низкого логического уровня.

  1.  Вертикальное глазковое открытие. Вертикальное глазковое открытие определяется как вертикальное расстояние между двумя точками на вертикальной гистограмме при глазковой задержке, которая соответствует значению коэффициента интенсивности ошибочных битов. Типичное значение интенсивности ошибочных битов для измерения глазкового открытия составляет 10-12 , что приблизительно соответствует точке 7 с учетом гауссовского распределения.
  2.  Временные измерения. Можно использовать горизонтальную гистограмму глазковой диаграммы, чтобы получить большое количество временных измерений. Для временных измерений до проведения измерений по крайней мере один уровень сигнала по горизонтальной гистограмме должен достигнуть 10 отсчетов.
  3.  Период глазкового пересечения. Период глазкового пересечения вычисляется как среднее значение горизонтальной гистограммы для каждой точки пересечения вокруг соответствующего уровня амплитуды. Эта величина измеряется в секундах. Этой областью является область от –AtotalBW до + AtotalBW, где –AtotalBW – общий диапазон размаха амплитуды глазковой диаграммы (т. е., Atotal= AmaxAmin) и BW – это пересекшаяся ширина диапазона, показанная на рис. 10. Средняя PDF в этой области показана на рис. 11. Поскольку этот пример предполагает два символа на ось, то присутствуют две точки пересечения.

  1.  Глазковая задержка. Глазковая задержка (рис. 12) – это расстояние от средней точки глаза к началу времени; измеряется в секундах. Метод анализа состоит в вычислении этого расстояния с использованием времени пересечения. Для симметричного сигнала, глазковая задержка – также лучшая точка осуществления выборки.
  2.  Время глазкового затухания. Время глазкового затухания – это среднее время между высокими и низкими пороговыми значениями. Время затухания, вычисляемое от 10 до 90% амплитуды глаза, показано на рис. 12.
  3.  Время глазкового нарастания. Время глазкового нарастания – это среднее время между низкими и высокими пороговыми значениями. На рис. 13 показано время нарастания, вычисленное от 10 до 90% амплитуды глаза.

  1.  Глазковая ширина. Глазковая ширина (рис. 14) – это горизонтальное расстояние между двумя точками, которые являются тремя стандартными девиациями (3) от средних значений моментов глазковых пересечений, в направлении к центру глаза. Размерность глазковой ширины — секунда.

  1.  Горизонтальное глазковое открытие. Горизонтальное глазковое открытие — это горизонтальное расстояние между двумя точками горизонтальной гистограммы, соответствующими значению интенсивности ошибочных битов. Измерение производится по значению амплитуды. Типичное значение интенсивности ошибочных битов для измерений глазкового открытия – 10-12, что приблизительно соответствует 7 точкам с учетом гауссовского распределения.
  2.  Джиттер полного размаха. Джиттер полного размаха – это разница между пиковыми точками данных гистограммы.


Отчет

Отчет должен содержать следующее:

  1.  Тема лабораторной работы.
  2.  Цель лабораторной работы.
  3.  Краткие теоретические сведения.
  4.  Схема лабораторной установки.
  5.  Глазковая диаграмма.
  6.  Вычисления параметров глазковой диаграммы.
  7.  Выводы по работе.

Контрольные вопросы

  1.  Что называют джиттером?
  2.  Чем характерен системный джиттер?
  3.  Почему при передаче сигналов возникает регулярный джиттер?
  4.  В чем суть нерегулярного джиттера?
  5.  Чем обусловлен нерегулярный джиттер?
  6.  Что такое джиттер стаффинга?
  7.  Что такое глазковая диаграмма?
  8.  Где применяется глазковая диаграмма?
  9.  Как строится глазковая диаграмма?
  10.  Назовите основные параметры, которые позволяет исследовать глазковая диаграмма.

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58882. Складносурядне речення, його будова і засоби зв’язку в ньому 33.5 KB
  Передаючи мікрофон по ряду ланцюжком діти дають відповіді на запитання з розділу Синтаксису і Морфології: Що вивчає Синтаксис Яке речення називається простим Яке речення називається складним Які типи складних речень ви знаєте Що таке сполучник...
58883. Словесний портрет літературного героя 55.5 KB
  Мета: Поглибити знання учнів про портрет навчити розрізняти портрет як жанр живопису та літературний опис зовнішності персонажа; розширити портретну лексику учнів; розвивати творчу уяву логічне мислення усне мовлення...
58884. Організаційний момент на уроці української мови та літератури: теорія, практика, інновації 202.5 KB
  Сукупність методів і прийомів на кожному етапі уроку складає мікроструктуру уроку. Вона є дуже мобільною. Розробка її з позиції досягнення найбільшої адекватності у кожній конкретній ситуації дозволяє гнучкіше використовувати всю структуру того чи іншого типу уроку.
58885. Основа словесної творчості учнів 34 KB
  Мета: розширити уявлення учнів про історичне минуле про мудрість і розважливість Ярослава Мудрого; збагачувати словниковий запас школярів; виробляти в учнів уміння самостійно аналізувати та робити висновки; виховувати у школярів зацікавленість до історичного минулого нашого народу.
58886. Вплив алкоголю, наркотиків на нервову систему і поведінку людини 55.5 KB
  Чому наше колесо не кругле чому не котиться рівно і плавно по життю Що вам заважає Зверніть увагу на фактори що впливають на формування здоров’я....
58888. Шлях до Перемоги. Тематична екскурсія 73 KB
  План Барбаросса відповідно до якого війна на сході мала розпочатися відразу після весняного бездоріжжя і закінчитися до настання зимових холодів тобто протягом травня-листопада 1941 року.
58889. Загальновійськова підготовка. Стройові прийоми і рух без зброї 39.5 KB
  За підготовчою командою слід подати корпус трохи впередперенести вагу тіла більше на праву ногузі збереженням рівноваги; за виконавчою командою почати рух з лівої ноги повним кроком. Під час руху стройовим кроком голову та корпус тримати прямо дивитись вперед.
58890. 9-ти этажный монолитный жилой дом 4.02 MB
  Массовое монолитное домостроение переходит от кустарной технологии и мизерных объёмов к современным методам возведения и поточному строительству. В условиях рыночных отношений, при дефиците жилья и социально культурных объектов в России, у этого эффективного метода домостроения несомненно большие перспективы.