Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 13 ноября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика

Итоги Премии «Живая электроника России — 2018»


Интервью, презентации

Ранее

Форматы сжатия данных

В статье рассматриваются основные методы сжатия данных, приводится классификация наиболее известных алгоритмов, и на простых примерах обсуждаются механизмы работы методов CS&Q, RLE-кодирования, Хаффмана, LZW, дельта-кодирования, JPEG и MPEG. Статья представляет собой авторизованный перевод [1].

Увеличение ресурсов сети

В статье рассмотрены методы расширения спектра и виды уплотнения доступа. Рассказывается об основных особенностях и преимуществах каждого подхода.

Управление ориентацией поля в электроприводах 

Метод управления ориентацией поля в электроприводах с регулированием скорости вращения улучшает динамические параметры, позволяет выбрать оптимальный электродвигатель и улучшить эффективность системы. В статье описаны базовые принципы метода, построение схемы управления и применение цифровых сигнальных контроллеров для эффективной реализации системы. Статья представляет собой перевод [1].

 

12 октября

Джиттер, шум и целостность сигнала в высокоскоростных системах коммуникации

В статье освещены базовые концепции и определения понятий джиттера, шума, целостности сигнала и частоты битовых ошибок в высокоскоростных системах коммуникации. Обсуждаются виды джиттера и шума, а также механизмы и причины их возникновения. Приведена методология статистического описания джиттера и шума в системе. Статья представляет собой сокращенный перевод работы [1].



В

зависимости от типа среды, используемой для передачи и приема сигнала, системы коммуникации подразделяются на три основные категории: оптоволоконные, проводные (с медным проводом) и беспроводные. Ширина полосы пропускания этих систем обычно составляет от нескольких ТГц для оптоволокна до нескольких ГГц для медного провода.
Оптоволокно наиболее часто ис­поль­зуется для протяженных (бо­лее 1 км) и высокоскоростных (до 100 Гбит/с на канал) систем связи. Мед­ный провод используется на средних расстояниях (менее 1 км) и средних или высоких скоростях передачи (от 1 Мбит/с до нескольких Гбит/с на канал). Беспроводная связь используется на средних расстояниях (около 1 км) при средней скорости передачи (до 100 Мбит/с). Выбор среды распространения в основном определяется стоимостью и требованиям к системе. Ясно, что оптоволокно имеет наиболее широкую собственную полосу пропускания, поэтому оно может обеспечить наивысшую скорость передачи сигнала по одному каналу.

Что такое джиттер, шум и целостность сигнала?

В передаваемом и принимаемом сигнале всегда содержится шум. Шум — это фактически любой нежелательный сигнал, который добавляется к идеальному сигналу. Идеальный цифровой сигнал представляет собой трепецеидальный импульс. При наличии шума идеальный сигнал искажается, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Идеальный и реальный цифровой сигнал

Отклонение сигнала с шумами от идеального можно увидеть по двум показателям: по времени и по амплитуде. Амплитудой цифрового сигнала для системы на основе медного провода является напряжение, а для оптоволоконной или беспроводной (радиочастотной) системы — мощность. Отклонение амплитуды сигнала ΔA называется амплитудой шума (или шумом), а отклонение времени Δt — временным джиттером (или джиттером).
Влияние временного джиттера и амплитудного шума на систему не симметрично. Амплитудный шум является постоянной функцией и может влиять на характеристики системы постоянно. Временной джиттер воздействует на систему, только когда происходит переход фронта сигнала.
Целостность сигнала определяется, в общем случае, как любое отклонение сигнала от идеальной формы. Таким образом, целостность сигнала связана как с амплитудным шумом, так и с временным джиттером. Однако некоторые характеристики целостности сигнала, такие как отрицательные и положительные выбросы и «звон» сигнала, не могут быть полностью определены через джиттер и шум (см. рис. 2).

Рис. 2. Важные характеристики целостности сигнала

Как джиттер и шум влияют на характеристики системы?

Механизм битовых ошибок

Влияние временного джиттера и амплитудного шума можно лучше всего оценить с точки зрения приемника коммуникационной системы. Приемник осуществляет выборку входного импульса в момент времени ts при пороговом напряжении vs, как показано на рис. 3. В идеальном случае приемник дискретизирует цифровые данные по центру входного импульса. В этом случае, когда для порогового времени для нарастающего и спадающего фронта сигнала удовлетворяются условия tr < ts < tf и V1 > vs, система детектирует сигнал логической «1», и данные принимаются корректно (см. рис. 3а).
При наличии джиттера и шума нарастающий и спадающий фронт могут сдвигаться вдоль временной оси, а уровень напряжения может перемещаться вдоль оси амплитуды. В этом случае условия корректного детектирования бита для данного момента выборки и порогового напряжения могут не выполняться, что приводит к битовой ошибке, т.е. логическая «1» считывается как логический «0». Нарушение этих условий дискретизации может привести к трем вариантам считывания логической «1».
– Время пересечения нарастающего фронта отстает от момента выборки, или tf > ts.
– Время пересечения падающего фронта опережает момент выборки, или tf < ts.
– Напряжение логической «1» меньше напряжения выборки vs, или V1 < vs.
Для случая считывания сигнала логического «0» (см. рис. 3б) условия корректного считывания выглядят следующим образом: tr < ts < tf и V0 < vs. Варианты нарушения правильного считывания логического «0» аналогичны считыванию логической «1». Однако для напряжения логического «0» условия нарушения считывания становятся следующими: V0 > vs.

                              а)                                            б)

Рис. 3. Дискретизация приемником входных данных: а) сигнал логической «1», б) сигнал логического «0»

Частота битовых ошибок

Так как цифровая система передает и принимает множество битов данных за какой-либо промежуток времени, работа системы в целом может быть описана с помощью скорости появления битовых ошибок, а именно отношения ошибочных битов Nf к общему количеству принятых битов N. Это отношение называется частотой битовых ошибок (bit error rate — BER), или коэффициентом битовых ошибок.
BER — это базовый показатель качества коммуникационной системы. При скоростях передачи данных порядка нескольких Гбит/с величина BER для большинства коммуникационных стандартов, таких как Fibre Channel (FC), Gigabit Ethernet, SONET и PCI Express, должна быть не более 10–12. Большая величина BER ухудшает эффективность сети или канала и увеличивает время ожидания системы. Величина 10–12 означает, что среди 1012 принятых и переданных битов допускается лишь один бит ошибки. Ясно, что величина BER зависит от скорости передачи данных, джиттера и шума в коммуникационной системе. Из определения BER следует, что BER — это статистический показатель, поэтому для его анализа можно применить статистику Пуассона.

Источники временного джиттера, амплитудного шума и нарушения целостности сигнала

Джиттер и шум — это отклонения от идеального сигнала. Их вызывает множество причин. По физической природе источники шума и джиттера в коммуникационной системе можно разделить на два больших класса: собственные и несобственные. Собственные источники связаны с физическими свойствами электронов и дырок в полупроводниковых приборах, несобственные — с конфигурацией системы, поэтому они могут быть устранены из системы.

Собственный шум и джиттер

Собственный шум, в основном, вызывается случайным поведением и флуктуациями электронов и дырок электронных и оптических приборов, используемых в схемах. Собственный шум можно минимизировать, однако его нельзя совсем исключить из прибора или системы. Следовательно, этот тип шума определяет базовые ограничения на характеристики системы, ее динамический диапазон. Собственные шумы электронно-оптических приборов обычно включают тепловой шум, дробовой шум и фликкер-шум.

Тепловой шум

Тепловой шум вызывается случайным характером движения носителей заряда в условиях теплового равновесия. Кинетическая энергия этих флуктуирующих случайным образом носителей заряда пропорциональна их температуре и среднеквадратичной скорости. Спектральная плотность мощности теплового шума пропорциональна температуре. Тепловой шум устанавливает ограничение на величину отношения сигнал-шум, так как он присутствует во всех электронных и оптических приборах, имеющих ненулевую абсолютную температуру. Тепловой шум иногда называют шумом Джонсона или шумом Найквиста.

Дробовой шум

Дробовой шум генерируется потоком квантованных носителей в потенциальном барьере со случайным временем генерации или пространственным распределением. Другими словами, дробовой шум обусловлен случайными флуктуациями потока носителей. Впервые дробовой шум был изучен в вакуумном диоде, а позднее был обнаружен также в p-n-переходе полупроводникового транзистора. Дробовой шум прямо пропорционален постоянному току смещения, а также заряду носителя. Обычно в полупроводниковых приборах величина дробового шума превышает величину теплового шума.

Фликкер-шум

Фликкер-шум — это явление, при котором спектральная плотность мощности шума обратно пропорциональна частоте в широком частотном диапазоне. Фликкер-шум можно обнаружить во всех активных приборах и некоторых пассивных компонентах, таких как углеродные резисторы. Для генерации фликкер-шума необходим постоянный ток. В настоящее время нет общепринятой теории, объясняющей причины и механизм фликкер-шума. Поэтому исследования фликер-шумов по большей части эмпирические. Было обнаружено, что спектральная плотность мощности фликкер-шума пропорциональна 1/f α, где α равна примерно 1. По этой причине фликкер-шум также называют 1/f-шум.

Преобразование шума во временной джиттер

Шум обычно описывается с помощью физических величин или параметров. В коммуникационных, компьютерных и электронных системах этими величинами могут быть напряжение, ток или мощность. Мы используем общий термин «амплитуда» для представления этих физических величин. Принимая, что амплитудный шум ΔA(t) накладывается на амплитуду сигнала A0(t), так что суммарный сигнал A(t) = A0(t)+ ΔA(t), соответствующий временной джиттер можно оценить согласно линейной теории искажения малого сигнала в виде следующего уравнения:

 

,

 

где k = (dA0(t)/dt) — наклон, или скорость нарастания сигнала. Это линейное преобразование амплитудного шума во временной джиттер показано на рисунке 4.
Можно увидеть, что для амплитудного шума ΔA соответствующий временной джиттер уменьшается при увеличении наклона, и наоборот. Для уменьшения джиттера цифрового сигнала в системе это означает уменьшение времени нарастания и спада импульса.

Рис. 4. Преобразование амплитудного шума во временной джиттер согласно модели линейной теории искажения

Несобственный шум и джиттер

Несобственный шум и джиттер представляют собой отклонения от идеальности, связанные с системой. Другими словами, эти виды джиттера и шума можно контролировать или устранять с помощью соответствующих мероприятий по улучшению характеристик системы. Обычно встречаются следующие типы шумов и джиттера, связанные с системой: периодическая модуляция (фазовая, амплитудная или частотная), искажение рабочего цикла, межсимвольная интерференция, перекрестные помехи, нежелательная интерференция, как например электромагнитные помехи из-за радиации, а также отражения, вызванные несогласованностью среды распространения сигнала. В следующих разделах рассматриваются источники таких помех и их причины.

Периодический шум и джиттер

Периодический шум или джиттер — это вид сигнала помехи, который повторяется через определенный промежуток времени. Математически он может быть описан с помощью следующего уравнения:

,

где T0 — период, t — время, ф0 — фаза периодического сигнала.
Период T0 и частота f0 связаны соотношением T0 = 1/f0. Хотя все используемые в уравнении обозначения связаны с временным джиттером, аналогичные рассуждения могут быть применимы и к амплитудному шуму. Периодическая частотная функция может быть получена с помощью преобразования Фурье.
Периодический джиттер может быть вызван различными механизмами модуляции, такими как амплитудная, частотная и фазовая модуляции. Кроме того, функция модуляции может иметь различную форму. Типичными формами модуляции являются синусоидальная, треугольная и пилообразная. Совершенно ясно, что периодический амплитудный шум вызывает периодический временной джиттер с амплитудой, обратно пропорциональной наклону, или скорости нарастания фронта сигнала. В компьютерных системах периодический шум/джиттер может быть вызван такими причинами как влияние импульсного источника питания, широкополосного тактового сигнала и периодических электромагнитных помех.

Искажение рабочего цикла

Искажение рабочего цикла определяется как отклонение рабочего цикла от нормальной величины. Рабочий цикл представляет собой отношение длительности импульса к его периоду.
Большинство тактовых сигналов имеет номинальное значение рабочего цикла 50%. Поэтому более длинный или более короткий импульс могут вызывать искажение рабочего цикла. Это искажение может быть обусловлено отклонением ширины импульса или периода либо и тем, и другим одновременно. Кроме того, изменение ширины импульса может возникнуть из-за отклонения опорного уровня сигнала. Другим механизмом появления искажения рабочего цикла является задержка распространения, когда тактовый сигнал формируется из фронтов нарастания и спада двух тактовых сигналов с вдвое более низкой частотой, у которых различное время распространения.

Межсимвольная интерференция

Межсимвольная интерференция связана с сигналом данных; тактовый сигнал не имеет этого вида помех по определению. Сигнал данных может сохранять свою амплитуду для нескольких периодов без перехода фронта, в то время как тактовый сигнал меняет свою амплитуду во время каждого периода. Представление данных для систем цифровых коммуникаций зависит от схемы кодировки, принятой в этой системе. Важным параметром цифровой схемы кодирования является расстояние между соседними переходами, которое определяется как максимальная длина последовательных «1» и «0» в пределах кодовой комбинации. Эта длина определяет наименьшую частоту спектра передаваемых данных и, следовательно, устанавливает частотный диапазон для тестирования системы. Оптоволоконный стандарт SONET, рассчитанный для применения на большие дистанции, использует схему защиты кода и может иметь довольно длинное расстояние между соседними переходами (например, 23 или 31) и, следовательно, сравнительно низкочастотный спектр. Коммуникационные стандарты для небольших расстояний, такие как Fibre Channel или Gigabit Ethernet, используют блочный код (например, кодировку 8B10B), который имеет более короткое расстояние между соседними переходами (например, 5) и сравнительно более высокочастотный спектр.
В среде с потерями предыдущий бит может вызвать отклонение как длительности фронта, так и амплитуды от идеальных значений. В коммуникационных системах на основе медного провода это объясняется эффектом «памяти» электронных приборов. Одним из таких эффектов является емкостной эффект. Из-за него каждое переключение сигнала имеет ограниченное время заряда или разряда. Если сигнал переключится так, что следующее переключение произойдет до того, как предыдущее достигло требуемого уровня, отклонение времени и амплитуды происходит в текущем бите. Эффект межсимвольной интерференции проиллюстрирован на рисунке 5.

Рис. 5. Временной и амплитудный эффект межсимвольной интерференции

Любое увеличение длительности импульса (или расширение) вызывает эффект межсимвольной интерференции. Поэтому следует ожидать этот эффект также и в оптоволоконной системе коммуникации. Для многомодового оптоволокна механизм расширения называется модовой диспер­сией.
Разное время распространения волн в многмодовом оптоволокне вызывает расширение импульса на другом конце оптоволокна. Для одномодового оптоволокна доминирующим механизмом расширения являются дисперсионные эффекты, включая хроматическую и поляризационную дисперсии. На рисунке 6 показаны дисперсионные эффекты в оптоволокне.

Рис. 6. Эффекты межсимвольной интерференции в оптоволоконном канале связи

Перекрестные помехи в системе с медными проводами

Перекрестные помехи — это по существу явление интерференции. Они в основном встречаются в системе с несколькими каналами, в которых сигналы могут воздействовать друг на друга. Для системы на основе медных проводов перекрестные помехи вызываются электромагнитным взаимодействием. Для интегральных схем, в которых геометрические размеры и расстояние между проводниками довольно мало, доминирующим механизмом является емкостная связь. Когда происходит переключение сигнала на одном канале, часть энергии этого сигнала переходит в соседний или перекрывающий канал из-за емкостной связи, что вызывает отклонение уровня сигнала на этом канале. Для схемы на уровне печатной платы, где геометрия сравнительно велика, одинаково важны как емкостная, так и индуктивная связь. Индуктивная связь подчиняется закону Ленца, согласно которому изменение магнитного поля генерирует электрическое поле, которое связано с электрическим зарядом, вызывающим изменение напряжения.
В общем случае, эффект перекрестных помех можно смоделировать как флуктуации напряжения, или шум. Однако эти помехи могут непосредственно влиять и на джиттер. Когда две линии передачи имеют емкостную связь и происходит одновременное переключение цифровых сигналов на двух линиях вблизи одного из их концов, фронт сигналов на другом конце увеличивается, если переключение сигналов на двух линиях происходит синфазно (при одинаковой полярности), или уменьшается, если переключение происходит в противофазе (противоположная полярность).
Помеху по напряжению из-за емкостной связи можно рассчитать согласно следующему уравнению:

 

,

 

где Zv — импеданс линии, которая была подвергнута воздействию помехи; Cm — взаимная емкость линий;
dVd/dt — производная по времени напряжения, приложенного к воздействующей линии.
Для помехи по напряжению из-за индуктивной связи:

 

,

 

где Zd — импеданс приводной линии; Lm — взаимная индуктивность линий; dId/dt и dVd/dt — производные по времени тока и напряжения драйвера, соответственно.
Можно заметить, что напряжение перекрестных помех пропорционально скорости нарастания напряжения или тока. С увеличением скорости передачи данных или частоты передний фронт цифрового сигнала становится меньше. Следовательно, скорость нарастания сигнала и шум из-за перекрестных помех увеличиваются. Как было сказано выше, временной джиттер, обусловленный перекрестными помехами, можно оценить по скорости нарастания сигнала в конце линии.

Перекрестные помехи в оптоволоконной системе

Перекрестные помехи могут также появляться в оптоволоконных системах, особенно в многоканальных системах, например там, где используется мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing — WDM). В WDM-системах и WDM-системах повышенной плотности (Dense WDM — DWDM) перекрестные помехи могут проявляться через линейные и нелинейные эффекты. Линейные эффекты связаны с утечкой энергии фотонов с соседних каналов, которые имеют различные длины волн, в оптических фильтрах или демультиплексорах.
К нелинейным эффектам относятся следующие.
– Вынужденное комбинационное рассеяние (Stimulated Raman Scat­ter­ing — SRS), при котором каналы с короткой волной могут усиливать каналы с длинной волной в широком диапазоне длин волн.
– Вынужденное рассеяние Ман­дель­штама-Бриллюэна (Stimulated Bril­louin Scattering — SBS), при котором каналы с короткой волной могут усиливать каналы с длинной волной в узком диапазоне длин волн.
– Четырехволновое смешение (Four-wave mixing — FWM), при котором новая волна или сигнал, или четвертая волна, генерируется, когда три длины волны трех WDM-каналов удовлетворяют определенному соотношению.
Подобно перекрестным помехам в медном проводе, оптоволоконные перекрестные помехи вызывают амплитудный шум на передаваемом сигнале и, следовательно, временной джиттер, в свою очередь ухудшающий производительность системы.

Количественное описание джиттера и шума

Полный размах и среднеквадратичная величина джиттера

На протяжении многих лет джиттер количественно определялся по величине полного размаха и/или по среднеквадратичному отклонению. В настоящее время стало ясно, что такой подход не совсем правомерен. При наличии случайного и неограниченного джиттера или шума (такого как тепловой или дробовой шум), ожидаемая величина полного размаха является монотонно возрастающей функцией размера статистической выборки. Полный размах — полезный параметр для ограниченных, но не для произвольных значений джиттера или шума. Подобные проблемы происходят и при расчете среднеквадратичного отклонения.
Для более точного количественного определения статистического распределения джиттера и шума нужно использовать функцию плотности распределения вероятности (Probability Density Function — PDF) и связанные с ней компоненты. Такой подход не только дает общее описание статистического процесса возникновения джиттера и шума, но также позволяет выявлять их причины.

Описание джиттера и шума с помощью PDF

Джиттер или шум является сложным статистическим сигналом и, следовательно, может иметь много связанных с ним компонентов. Далее будем рассматривать джиттер, однако аналогичный подход применим к шуму. В общем случае, джиттер можно разделить на два компонента: детерминированный (Deterministic Jitter — DJ) и случайный (Random Jitter — RJ). Амплитуда DJ ограничена, а RJ — неограниченна и имеет гауссово распределение.
Детерминированный джиттер можно разделить на периодический джиттер; джиттер, зависимый от данных, и ограниченный некоррелированный джиттер. Джиттер, зависимый от данных, вызывается комбинацией искажения рабочего цикла и межсимвольной интерференции. Причинами ограниченного некоррелированного джиттера могут быть перекрестные помехи. Случайный джиттер может быть как единичным, так и множественным гауссовым. Каждый компонент джиттера имеет свои корневые причины и характеристики. Например, причиной детерминированного джиттера может быть среда с ограниченной полосой пропускания, отражения, перекрестные помехи, электромагнитные помехи, помехи по земле, периодическая модуляция или зависимость от кодировки данных. Источниками случайного джиттера могут быть тепловой шум, дробовой шум, фликер-шум, случайная модуляция или нестационарная интерференция.
Большинство компонентов шума аналогично рассмотренным компонентам джиттера, за исключением искажения рабочего цикла. Аналогичные компоненты джиттера и шума могут или не могут быть взаимосвязаны.

Передаточная функция джиттера при последовательной передаче данных

При последовательной передаче данных тактовый сигнал встроен в поток битов. На стороне приемника этот тактовый сигнал должен быть восстановлен с помощью специального устройства восстановления синхронизации, в качестве которого обычно используется схема ФАПЧ. Хорошо известно, что ФАПЧ имеет определенную частотную характеристику. Следовательно, когда приемник использует восстановленный тактовый сигнал для синхронизации принимаемых данных, изменение джиттера со стороны приемника подчиняется этой частотной характеристике. На рисунке 7 показана блок-схема типовой системы с последовательным каналом передачи, включающей передатчик (Tx), среду передачи, или канал, и приемник (Rx).
ФАПЧ обычно имеет низкочастотную характеристику Hl(f), показанную на рисунке 8.

Рис. 7. Блок-диаграмма системы с последовательным каналом передачи

Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика типовой ФАПЧ

Приемник последовательных данных коммуникационной системы «видит» джиттер данных, которые синхронизируются восстановленным тактовым сигналом. Следовательно, для эмуляции джиттера нужна разностная функция между тактовым сигналом и данными, как показано на рисунке 9.
Так как устройство восстановления синхронизации (или ФАПЧ) имеет низкочастотную передаточную функцию Hl(f), джиттер имеет высокочастотную передаточную функцию Hh(f), как показано на рисунке 10. При этом Hl(s) + Hh(s) = 1, где s — это комплексная частота.
Исходя из высокочастотной передаточной функции джиттера, показанной на рисунке 10, видно, что приемник более эффективно способен отслеживать низкочастотный джиттер при частотах f < fc. На рисунке 11 показана маска допустимых значений джиттера для передаточной функции рисунка 10.

Рис. 9. Блок-схема эмуляции джиттера со стороны приемника системы последовательной передачи данных

Рис. 10. Амплитудно-частотная характеристика джиттера со стороны приемника после разностной функции

Рис. 11. Маска допустимых значений джиттера приемника, соответствующая передаточной функции рисунка 10

Заметим, что наклон линии на рисунках 10 и 11 имеет одинаковую величину, но противоположную полярность на частотах
f < fc. Маска допустимых значений определяет минимальную величину джиттера, которую должен обеспечивать приемник, в зависимости от частоты передачи данных.

Литература

1. Mike Peng Li. Jitter, Noise, and Signal Integrity at High-Speed: A Tutorial.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Майк Пенг Ли (Mike Peng Li), технический директор, Wavecrest



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты