2012. február 13., hétfő ::

Jitter-alapok

megjelenési formáik és mérési lehetőségeik digitális kommunikációs rendszerekben

1. ábra. A jitter alapkoncepciója
Mi is az a jitter?
Az ITU-T1 definíciója szerint a jitter a digitális jelek ideális, időbeli pozíciójához képest mutatkozó eltérés mértéke, amely átmenetileg, rövid ideig jelentkezik. Ideális esetben minden alkalommal ugyanoda esik időben egy él felvagy lefutása, amely időt a tervező állapít meg. A valóságban azonban a leggondosabban megtervezett jelrendszerek is instabilak valamilyen mértékben, esetenként időbeli elcsúszás jelentkezik, így az oszcilloszkópon is több beesési eseményt láthatunk. Az 1. ábra a jitter alapkoncepcióját ábrázolja.
A jitter magyarázatára legegyszerűbben szemábra segítségével nyílik lehetőség. Néhány helyen sűrűbben jelentkeznek ezek az időbeli elcsúszási események, ezek a szemábrán sűrűbb régiókként jelennek meg. Az átvitt bitfolyamot jellemzően olyan áramkör fogadja, amely egy adott időpillanatban dönt minden bitperiódusban a vett jelről, és attól függően, hogy a beérkező jel a küszöbfeszültség alatt vagy felett van-e, nullának, vagy egynek veszi. A jitter akkor jelent problémát, ha a nem kívánt éleltolódások a jelszintet illetően interferálnak a vevő helyes döntésével, hiszen ha egy ilyen él a mintavételezés pillanatára esik, tévesztést okozhat.
Pontosan miből adódik a probléma? Ideális esetben a rendszerek hibátlanul működnek, a valóságban azonban ez természetesen nincs így, ezért meghatározásra kerül egy bizonyos, tűréshatáron belüli hibamennyiség. Például: százmilliárd átvitt bitből, ha egyetlen bithibát engedünk meg, az 10-12 bithiba-arányt (BER2) jelent, és manapság általános követelménynek minősül. Ez azt jelenti, hogy szükség van a rendszerre jellemző jitterek mérésére, amellyel kimutatható, hogy jitter miatt nem mozdulnak el élek a szándékolt pozíciójuktól túlságosan nagy mértékben, és nem lesz a BER értéke nagyobb, mint 10-12. A még nagyobb problémát az jelenti, hogy ekkora bitmennyiség átvitele sok időbe kerül, ráadásul számos tesztelési technika nem mér minden egyes bitet, hanem erős alul-mintavételezéssel, csupán nagyságrendekkel kisebb mennyiség mérésére szolgál, amely miatt a 10-12 bithibaarány hiteles biztosítása nehéz.

A szemábra
A digitális kommunikációs jelek minőségének megállapítására általánosan elfogadott mérce a szemábra. A szemábrán az adatsorozat a benne foglaltatott bitekből áll össze, és ezek szuperpozíciójaként, közös időtengelyen ábrázolva jelenik meg. Az ideális szemábrán minden logikai "1" és "0" azonos amplitúdóval rendelkezik. Ha átmenet következik be "1"-ről "0"-ra vagy fordítva, a jelben amplitúdóváltozás, vagyis egy lefutó vagy felfutó él figyelhető meg. Ideális esetben minden "1"›"0" és "0"›"1" átmenet ugyanabban a várt időpillanatban történik, és ebben az esetben a "szem" mind az amplitúdó-, mind az időtengelyen nyitva van. Ha az átmenetek nem az elvárt időben történnek, akkor a jelben időzítési jitter van jelen, és a szemnyílás szűkülni kezd. A szemábrán a jittert gyakran a kétféle átmenet találkozásánál vizsgálják. A leggyakoribb átmeneti helyek jelennek meg a legvilágosabban a műszer kijelzőjén, a legritkábbak pedig sötéten láthatók. A kommunikációs rendszerek vételi oldalán a vevő feladata eldönteni, hogy nullát vagy egyet lát-e. Ez ideális esetben a bitidő közepén történik, azonban jitter jelenlétében az élek elcsúszhatnak azon időpillanat felé, amikor a logikai döntés megszületik. Ha ezek az élek időben kellően távol csúsznak el, elképzelhető, hogy a vevő ezek alapján fog döntést hozni, bithibát eredményezve. A jitterrel jelentősen terhelt rendszer közvetlenül a szemábráról diagnosztizálható. A legtöbb mai, korszerű kommunikációs rendszernél alapkövetelmény a <10-12 bithibaarány, ezért még ha az élek nagymértékű időbeli eltolódása ritka esemény is csupán, még mindig túlzottan sok lehet ilyen követelmények mellett.

2. ábra. Jitter-hisztogramok egy szemábra átmeneti pontján véletlenszerű (balra), ill. szisztematikus (jobbra) eloszlással
A jitter szemábrán történő mérésére egy lehetőség, ha ejtünk egy vízszintes vágást az élátmenetet jelző ponton, és megszámoljuk a találatokat. Ebből egy olyan hisztogram fog előállni, mint amilyen a 2. ábrán látható, ahol a bal oldalinál a jitter eloszlása véletlenszerűnek tűnik, bár mindössze néhány ezer mintából nehéz ilyen következtetést levonni. A jobb oldali ábrán nem véletlenszerűnek, hanem sokkal inkább szisztematikusnak tűnik az eloszlás. A vizsgálat e stádiumában még nem lehet biztosan megmondani, hogy mi okozhatja ezt: lehet specifikus adathoz kapcsolódó, de akár ettől független oka is, például áthallás vagy az interferencia egy más fajtája. Az "egy hiba az ezermilliárdból" hibaarány ellenőrzéséhez több ezermilliárd bit vizsgálatára van szükség, amely egy oszcilloszkóppal gyakorlatilag nem valósítható meg, hiszen túl sok időt venne igénybe. Így a szemábra nem ad kellő pontosságot, a pontos és hatékony jitterméréshez a szemábránál kifinomultabb méréstechnikai megoldásokra van szükség.

A véletlenszerű és determinisztikus jitter
Néhány szabvány és rendszer esetében szükséges a bennük működő mechanizmusok átfogóbb ismerete és a teljes jittertartalom pontosabb felmérésének lehetősége. Az ún. RJ/DJ-szétválasztás a rendszer jittertartalmát két fő kategóriára bontja:

  • a véletlenszerű jitterre, RJ3-re, valamint
  • a determinisztikus jitterre, DJ4-re.

Számos műszer, oszcilloszkópok, bithiba-arány-teszterek, időintervallum-analizátorok stb. képesek arra, hogy az RJ-t és DJ-t szétválasszák. Ez nagyon hasznos a fejlesztők és hibakeresők számára abból a szempontból, hogy az összetevők jobb ismeretében hatékonyabban legyenek kezelhetők a jel/zaj viszony, szimbólumközti áthallás vagy interferencia eredetű problémák.

3. ábra. Jittermérési céllal felvett szemábrák nagyobb (balra), ill. kisebb (jobbra) RJ-tartalommal
A véletlenszerű jitter hatása kapcsán az érintetteket érthető okokból kifolyólag leginkább az aggasztja, hogy nincs mihez kötni. Magyarán: véges valószínűséggel mindig van esély arra, hogy egy él oly messzire csússzon időben, ami a kommunikációs rendszerben hibás döntéshez, bithibához vezet. A determinisztikus jittert ezzel szemben van mihez kötni, az előre megjósolható feltételek mindig ugyanahhoz a következményhez vezetnek, például egy ismétlődő bitminta ugyanazon része mindig egy bizonyos él túl korai vagy késői átfutását okozhatja. A nagy mennyiségben jelen lévő, véletlenszerű jitter kis gyakorisággal ugyan, de bárhol eredményezhet élátfutást. Nagy problémát jelenthet az is, ha akár csak egy kisebb mennyiségű, véletlenszerű jitter egy szisztematikusan késő élátfutásra szuperponálódik, a véletlenszerű jitterek pedig ezt az élt még beljebb tolják az áramkör döntési pontja felé. A 3. ábrán látható szemábrák közül ennek megfelelően jitterszempontból a bal oldali a rosszabb.
A véletlenszerű jitterek jelenlététől függetlenül a domináns mégiscsak a konkrét feltételekhez köthető jitter-összetevő. Feltételezve azt, hogy a mérés alatt minden szisztematikus jitterkeletkezési feltétel teljesült, a műszer kijelzőjén a jittertartalom felső korlátja válik láthatóvá.

4. ábra. Egy szemdiagram felépítése, kádgörbével magyarázva
A kádgörbe
A kádgörbe BERTScan ábraként is ismeretes néhány szabványban, amely lényegében egy bithibaarányt ábrázoló görbe az idővagy bitperióduson belüli pozíció függvényében. A BER értékei a teljes bitperiódusra vonatkoznak, és bár a szem közepe gyakran teljesen mentes bithibától, a döntési ponttal a szemen belül mozogva nő a hibagyakoriság. A keletkező görbék formája és pozíciója utal a jittertartalomra. A bithibaarány-tesztelő műszerek (BERT5-ek) az egyetlen olyan műszercsoport, amely rendkívül alacsony bithibaarányig képes közvetlenül kádgörbe felvételére. Az oszcilloszkópok és időintervallum-analizátorok ugyan szintén képesek ilyen görbék felvételére, de az alacsony bithibaarányra vonatkozó eredmények csak extrapolációval kaphatók meg, így fennáll a veszélye annak, hogy a tesztelő nem a valós eredményt kapja, ha ilyen műszert használ.
A görbék esése betekintést nyújt a véletlenszerű folyamatokból adódó jitterekbe. Továbbá, annak a mértékéből, hogy az esések mennyivel vannak beljebb az élektől, lehet következtetni a szisztematikus jitterekre is. Ha a fejlesztő kellő türelemmel és idővel rendelkezik, és a műszer képes egészen akár 10-12 bithibaarányig is mérni, a teljes szemnyílásból a teljes jitter pontosan láthatóvá válik. Néhány megjelenítési formán a véletlenszerű és determinisztikus összetevőkre bontás is látszik (lásd 4. ábra). Általánosságban elmondható, hogy a teljes jitterre (TJ6) a kádgörbe adja a legjobb képet, ha a megállapított bithibaarányra közvetlen mérést végzünk.

Trendek
A jitterek trendnézetében az éleknél tapasztalható, referenciához képest mutatkozó időeltérést jelenítik meg az idő függvényében. Gyakran ábrázolják együtt más, egy időben fellépő jelekkel az időzítési hibák felfedésére, vagy éppen önmagában az adatjitter időfüggő változása vagy a ciklusok közötti jitter mérésére. A trendnézet valós idejű oszcilloszkópokkal felvehető.

5. ábra. Soros adatfolyam (sárga görbe) jitter-trendábrával (lila görbe) és az azt kiváltó rendszerórával (zöld görbe)
A trendnézet lehetővé teszi, hogy a mérést végző az időzítési hibákhoz más oszcilloszkópcsatornán mért eseményeket társítson, és időkorrelált módon tekintsük meg őket. Az 5. ábrán a sárga görbe egy soros adatbuszon mért adatfolyamot mutat, amelyen a jel feszültségét ábrázolják az idő függvényében. A lilás színnel ábrázolt jitter trendábra az adatfolyamra vonatkozik, és periodikus burst-öket láthatunk rajta. A jelenség jobb megértése érdekében egy újabb csatorna jelét vették hozzá a méréshez. A harmadik, zöld színnel jelölt görbe egy rendszer-órajelet ábrázol, amely egyértelműen az időzítési hiba oka a jitter-trendábrán.
Amint a jitter szempontjából kártékony jel beazonosításra került, a hibamentesítés már gyorsabb lehet. Néhány soros adatszabvány szándékosan előírja az adat modulációját szórt spektrumú órajellel, a jitter-trendábra pedig kiválóan alkalmas arra, hogy e modulálójel alakját és frekvenciáját megvizsgáljuk.

Spektrum-nézetek
Bár legtöbbünk számára talán az időtartomány-beli nézet a legintuitívabb, a frekvenciatartomány-beli nézet is tartogat értékes információkat. A spektrális nézetek formátumukat tekintve eltérők lehetnek, de mindenképpen a demodulált jitter frekvencia-összetevőit mutatja amplitúdó szerint. A legpontosabb és teljes körű mérési eredményeket a fáziszajábra adja (a jitter a fáziszaj integrálja), amely spektrumanalizátorral nyerhető ki. Az egyéb műszerek, mint oszcilloszkópok, időintervallum-analizátorok, bithibaarány-teszterek a spektrumot az idővagy hibatartományból nyerik, amelyet a frekvenciatartományba konvertálnak át. Ez utóbbiak felbontása és dinamikatartománya nem összemérhető a spektrumanalizátorok által kínálttal, azonban hibakeresésre így is hasznosak.

6. ábra. Egy tipikus órajel és adatjel spektruma (balra) és egy fáziszárt hurkon végzett, közvetlen jittermérés spektruma (jobbra)
A spektrumképen a frekvencia-összetevőkből az anomáliák könnyen észrevehetők, és hasznos, relatív információkat szolgáltatnak. Gyakran például egy tüske frekvenciája ismert rendszerjellemzőkre, például órajelre vagy annak egy leosztott részére, esetleg akár kapcsolóüzemű tápegység által bevitt jitterre enged következtetni. A 6. ábra bal oldala egy órajel- és adatspektrum jellemző alakulását mutatja, a jobb oldalán pedig egy fáziszárt hurok intrinsic jitterspektruma látható. A fáziszajmérések egy adott sávszélességen integrálhatók, amellyel a teljes, integrált jitter a rendszerre nézve megállapítható, jóllehet ez nem konvertálható közvetlenül csúcstól-csúcsig-jitterre, amelyet az adatkommunikációs szabványokban előírnak. Az ábra jobb oldalán láthatók a determinisztikus jitterforrások is: egy a kHz-es tartományban, amely a tápvonalról jön, egy pedig a MHz-es tartományban látszik, amely az órareferenciából jön.

A 7. ábrán látható spektrumot a beérkező, sárgával ábrázolt adatjelből nyert jitter­adatok transzformálásával kaptuk meg. Bár ez az ábrázolás nem nyújtja azt a pontosságot és dinamikatartományt, mint a spektrumanalizátoros mérések, arra kiválóan megfelelnek, hogy gyorsan és egyszerűen kapjunk támpontot a további hibakereséshez.

DJ-mérések
A determinisztikus jitterre irányuló mérések a szisztematikus kiváltó okok elemzését szolgálják. Jellemzően oszcilloszkópok, időintervallum-analizátorok szolgálnak ezekre a mérésekre. A determinisztikus jittert további összetevőkre szokás bontani:

  • periodikus jitterre (PJ7), amelyet az adatfolyamtól független, ismétlődő események (például áthallás) váltanak ki,
  • adatfüggő jitterre (DDJ8), amely az átvitt adat összetételétől (ezen belül például elég­telen sávszélességű csatornáknál tapasztalható, szimbólumközti áthallástól) függ,
  • kitöltési tényező torzításra (DCD9), amely következtében a logikai nullák időtartama eltér a logikai egyekétől, amely az ideálisnál kisebb szemnyílást eredményez.
8. ábra. Egy klasszikus szinuszjel PJ profilja (fent), egy DDJ hisztogram (középen) és egy DDJ vs. bitábra (alul)
Az RJ/PJ hisztogram, DDJ hisztogram és DDJ kontra bitek ábrázolási módokkal megállapítható, hogy az eddigiekben felsoroltak közül mely okozza a legnagyobb problémát, kellő alapot adva a további fejlesztéshez. A 8. ábra egy klasszikus szinuszjel PJ profilját, egy DDJ hisztogramot, valamint egy DDJ vs. Bit ábrát mutat.
A cikkben felhasznált ábrák az Agilent Technologies Inc. tulajdonában állnak.


1: International Telecommunication Union Standardization Sector
2: Bit Error Ratio
3: Random Jitter
4: Deterministic Jitter
5: Bit Error Ratio Tester
6: Total Jitter
7: Periodic Jitter
8: Data Dependent Jitter
9: Duty Cycle Distortion

A MEDEXPERT Kft.honlapja

Kovács Péter

Az Elektronet magazin főszerkesztője...

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Led technológia

Led technológia

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény