Измерение фазового дрожания цифрового сигнала

Фазовые дрожания являются специфическим видом искажений, которые возникают в процессе формирования и передачи цифровых сигналов в ТКС.

Фазовым дрожанием (джиттером) называется явление фазовой модуляции принимаемого сигнала. На практике получили распространение два основных подхода к определению джиттера — в терминах фазы и в терминах частоты. Учитывая, что параметры частоты и фазы связаны простым соотношением.

то оба подхода оказываются эквивалентны.

Подход к описанию джиттера в терминах фазовой нестабильности принимаемого цифрового сигнала является распространенным теоретическим описанием процесса. Распространение этого подхода привело к появлению определений джиттера как фазового дрожания.

В терминах частоты джиттер рассматривается как вариации (изменения) частоты принимаемого сигнала. В этом случае основными параметрами джиттера становятся его амплитуда и частота. Быстрые колебания частоты (/^_ол > 10 Гц) получили название собственно джиттера или фазового дрожания. Медленные колебания частоты (/^_ол < 10 Гц) называют вандер или дрейф фазы. Необходимость разделения девиации частоты на джиттер и вандер связана с тем, что эти два параметра обычно возникают вследствие разных причин и по-разному влияют на параметры качества цифровой передачи.

Естественно, вариации фазы связаны с вариациями частоты интегральным соотношением, поэтому оба подхода в этом смысле эквивалентны.

Джиттер цифрового сигнала в цифровых системах передачи возникает по ряду причин. Это, прежде всего, шумы и помехи в линейном тракте цифровых систем передачи, а также искажения цифрового сигнала. Указанные причины приводят к дрожанию фазы стробирующих импульсов, определяющих момент регенерации сигнала, а следовательно, и к дрожанию самого цифрового сигнала, которое накапливается в процессе многократной регенерации сигнала в тракте системы передачи данных.

Установлено, что закон изменения (дрожания) фазы цифрового сигнала является нормальным. В качестве основных характеристик джиттера принято использовать его среднеквадратическое и пиковое значения.

Для измерения малых фазовых дрожаний цифровых сигналов используется метод измерения, основанный на преобразовании фазового сдвига в импульсы, амплитуда которых пропорциональна этому сдвигу.

Структурная схема прибора, реализующего данный метод, приведена на рис. 4.20. Исследуемый сигнал и (Г) через входное устройство поступает на устройство управления, обеспечивающее в момент появления передних фронтов импульсов исследуемого сигнала u (t) формирование строб-импульсов U", подающихся на коммутатор.

На второй вход коммутатора поступает напряжение треугольной формы U"" с выхода интегратора. Интегратор управляется сигналом с устройства выделения тактовой частоты, чем обеспечивается стабильность периода напряжения треугольной формы. На выходе коммутатора образуются короткие импульсы U_K, модулированные по амплитуде. Амплитуда импульсов пропорциональна фазовому сдвигу (рис 4.21). В нормализаторе длительности происходит расширение импульсов на время, равное, как правило, Г/4. Среднеквадратическое значение фазового дрожания измеряется вольтметром со среднеквадратическим преобразователем на входе.

Рис. 4.20. Схема реализации метода преобразования фазового сдвига в а. мплитудно-модулированные импульсы

Рис. 4.21. Временные диаграммы метода преобразования фазового сдвига в амплитудно-модулированные импульсы

Второй распространенный метод измерения джиттера основан на использовании фазового детектора. Структурная схема и временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, представлены на рис. 4.22, а и б соответственно.

а

Рис. 4.22. Измеритель джиттера с фазовым детектором: а — упрощенная структурная схема; б — временные диаграммы.

В качестве опорного синхронизирующего сигнала, относительно которого измеряется фазовое дрожание в этой схеме, используется внешний сигнал тактовой частоты f_T.

На один вход фазового детектора через входное устройство поступает исследуемый сигнал u (t), а на второй вход — сигнал f_T с регулируемой линии задержки. Перед измерением с помощью линии задержки добиваются минимального показания вольтметра. На выходе фазового детектора образуется импульсная последовательность с длительностью импульсов, пропорциональной относительным фазовым сдвигам обоих сигналов. После прохождения через фильтр нижних частот усредненное значение джиттера измеряется вольтметром.

Джиттер может быть измерен также осциллографическим методом по глаз-диаграмме. Для этого исследуемый сигнал u (t) подается на вход канала вертикального отклонения. При синхронизации развертки осциллографа от сигнала тактовой частоты и при совмещении принимаемых реализаций сигнала во времени на экране осциллографа наблюдается глаз-диаграмма.

При отсутствии амплитудных искажений идеализированная глаздиаграмма для двухуровневого однополярного сигнала показана на рис. 4.23, а, ас учетом джиттера — на рис. 4.23, б.

Рис. 4.23. Глаз-диаграмма: а — идеализированная; б — с учетом джиттера.

Раскрыв глаз-диаграммы, т. е. расстояние между двумя уровнями в точке отсчета В можно определить запас помехоустойчивости по амплитуде при регенерации сигнала, а ширина раскрыва Г* отражает допуск на фазовое дрожание. Величина фазового дрожания определяется как относительное уменьшение раскрыва диаграммы.