Джиттер - Jitter

В электронике и телекоммуникациях , джиттер представляет собой отклонение от истинной периодичности предположительно периодического сигнала , часто в отношении опорных тактового сигнала . В приложениях для восстановления тактовой частоты это называется временным джиттером . Джиттер является значительным и обычно нежелательным фактором при проектировании почти всех каналов связи .

Джиттер можно количественно оценить так же, как и все изменяющиеся во времени сигналы, например, среднеквадратичное значение (RMS) или сдвиг от пика к пику . Также, как и другие изменяющиеся во времени сигналы, джиттер можно выразить через спектральную плотность .

Период дрожания - это интервал между двумя периодами максимального эффекта (или минимального эффекта) характеристики сигнала, который регулярно изменяется со временем. Частота джиттера , наиболее часто цитируемая величина, является обратной. МСЭ-Т G.810 частоты классифицируют джиттер ниже 10 Гц , как блуждают и частоты на уровне или выше 10 Гц , как дрожание.

Джиттер может быть вызван электромагнитными помехами и перекрестными помехами с носителями других сигналов. Джиттер может вызывать мерцание монитора, влиять на производительность процессоров в персональных компьютерах, вносить щелчки или другие нежелательные эффекты в аудиосигналы и вызывать потерю данных, передаваемых между сетевыми устройствами. Величина допустимого джиттера зависит от затронутого приложения.

Метрики

Для джиттера тактового сигнала обычно используются три показателя:

Абсолютный джиттер
Абсолютная разница в положении краев часов от которых было бы в идеале быть.
Джиттер периода (также известный как джиттер цикла )
Разница между любым одним тактовым периодом и идеальным или средним тактовым периодом. Джиттер периода, как правило, важен в синхронных схемах, таких как цифровые конечные автоматы, где безошибочная работа схемы ограничивается минимально возможным периодом тактовой частоты (средний период минус максимальное дрожание цикла), а производительность схемы устанавливается средний тактовый период. Следовательно, синхронная схема выигрывает от минимизации дрожания периода, так что самый короткий период тактовой частоты приближается к среднему тактовому периоду.
Межцикловое дрожание
Разница в продолжительности любых двух соседних периодов времени. Это может быть важно для некоторых типов схем генерации тактовых импульсов, используемых в микропроцессорах и интерфейсах RAM .

В телекоммуникациях единицей, используемой для вышеуказанных типов джиттера, обычно является единичный интервал (UI), который количественно определяет джиттер в единицах части периода единичной передачи. Это устройство полезно, потому что оно масштабируется с тактовой частотой и, таким образом, позволяет сравнивать относительно медленные межсоединения, такие как T1, с высокоскоростными магистральными линиями Интернета, такими как OC-192 . Абсолютные единицы, такие как пикосекунды , более распространены в микропроцессорных приложениях. Также используются единицы измерения в градусах и радианах .

В нормальном распределении на одно стандартное отклонение от среднего (темно-синий) приходится около 68% набора, в то время как два стандартных отклонения от среднего (средний и темно-синий) составляют около 95% и три стандартных отклонения (светлое, среднее, и темно-синий) составляют около 99,7%.

Если джиттер имеет гауссовское распределение , его обычно количественно определяют с помощью стандартного отклонения этого распределения. Это означает измерение RMS для распределения с нулевым средним. Часто распределение джиттера существенно негауссово. Это может произойти, если дрожание вызвано внешними источниками, такими как шум источника питания. В этих случаях могут быть более полезными измерения от пика до пика . Было предпринято много усилий для значимой количественной оценки распределений, которые не являются ни гауссовыми, ни значимыми пиковыми уровнями. У всех есть недостатки, но большинство из них подходят для инженерных работ. Обратите внимание, что обычно эталонная точка для джиттера определяется таким образом, что средний джиттер равен 0.

В компьютерных сетях джиттер может относиться к изменению задержки пакетов , изменению ( статистической дисперсии ) задержки пакетов .

Типы

Одно из основных различий между случайным и детерминированным джиттером заключается в том, что детерминированный джиттер ограничен, а случайный джиттер не ограничен.

Случайный джиттер

Случайный джиттер, также называемый гауссовым джиттером, представляет собой непредсказуемый электронный синхронизирующий шум. Случайный джиттер обычно следует нормальному распределению из-за теплового шума в электрической цепи или из-за центральной предельной теоремы . Центральная предельная теорема утверждает, что совокупный эффект многих некоррелированных источников шума, независимо от распределения, приближается к нормальному распределению.

Детерминированный джиттер

Детерминированный джиттер - это тип джиттера тактового сигнала или сигнала данных, который является предсказуемым и воспроизводимым. Размах этого джиттера ограничен, и эти границы можно легко наблюдать и прогнозировать. Детерминированный джиттер имеет известное ненормальное распределение. Детерминированное дрожание может быть либо коррелировано с потоком данных ( дрожание, зависящее от данных ), либо некоррелировано с потоком данных (ограниченное некоррелированное дрожание). Примерами джиттера, зависящего от данных, являются джиттер, зависящий от рабочего цикла (также известный как искажение рабочего цикла) и межсимвольные помехи .

Общий джиттер

п BER
6.4 10 −10
6,7 10 −11
7 10 −12
7.3 10 −13
7,6 10 −14

Общий джиттер ( T ) представляет собой комбинацию случайного дрожания ( R ) и детерминированного дрожания ( D ) и вычисляется в контексте для требуемой частоты ошибок по битам (BER) для системы:

T = D от пика до пика + 2 nR rms ,

в котором значение n основано на BER, требуемом для связи.

Общий BER, используемый в стандартах связи, таких как Ethernet, составляет 10 −12 .

Примеры

Джиттер выборки

При аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразовании сигналов обычно предполагается, что выборка является периодической с фиксированным периодом - время между каждыми двумя выборками одинаково. Если в тактовом сигнале, поступающем в аналого-цифровой или цифро-аналоговый преобразователь , присутствует джиттер , время между выборками изменяется и возникает мгновенная ошибка сигнала. Ошибка пропорциональна скорости нарастания полезного сигнала и абсолютному значению ошибки часов. Влияние джиттера на сигнал зависит от характера джиттера. Случайный джиттер имеет тенденцию добавлять широкополосный шум, в то время как периодический джиттер имеет тенденцию добавлять ошибочные спектральные компоненты, «птички». В некоторых условиях джиттер менее наносекунды может снизить эффективное битовое разрешение преобразователя с частотой Найквиста с 22 кГц до 14 бит.

Джиттер дискретизации является важным фактором при преобразовании высокочастотного сигнала или там, где тактовый сигнал особенно подвержен помехам.

В цифровых антенных решетках джиттеры АЦП и ЦАП являются важными факторами, определяющими точность оценки направления прихода и глубину подавления помех.

Джиттер пакетов в компьютерных сетях

В контексте компьютерных сетей дрожание пакетов или вариация задержки пакетов (PDV) - это вариация задержки, измеряемая по изменчивости во времени сквозной задержки в сети. В сети с постоянной задержкой дрожание пакетов отсутствует. Джиттер пакетов выражается как среднее отклонение от средней задержки в сети. PDV - важный фактор качества обслуживания при оценке производительности сети.

Передача пакета трафика с высокой скоростью, за которым следует интервал или период передачи с более низкой или нулевой скоростью, также может рассматриваться как форма дрожания, поскольку представляет собой отклонение от средней скорости передачи. Однако, в отличие от дрожания, вызванного изменением задержки, пакетную передачу можно рассматривать как желательную функцию, например, при передачах с переменной скоростью передачи битов .

Джиттер видео и изображения

Дрожание видео или изображения возникает, когда горизонтальные линии кадров видеоизображения случайным образом смещаются из-за искажения сигналов синхронизации или электромагнитных помех во время передачи видео. В рамках восстановления цифровых изображений и видео было проведено исследование сглаживания фазовых искажений на основе моделей.

Тестирование

Джиттер в архитектурах с последовательной шиной измеряется с помощью глазковой диаграммы . В архитектурах с последовательной шиной существуют стандарты измерения джиттера. Стандарты охватывают допуск джиттера , передаточную функцию джиттера и генерацию джиттера , с требуемыми значениями для этих атрибутов различных между различными приложениями. Там, где это применимо, соответствующие системы должны соответствовать этим стандартам.

Тестирование на джиттер и его измерение приобретают все большее значение для инженеров-электронщиков из-за увеличения тактовой частоты в цифровых электронных схемах для достижения более высоких характеристик устройства. Более высокие тактовые частоты имеют соразмерно меньшие отверстия для глаз и, таким образом, налагают более жесткие допуски на джиттер. Например, современные компьютерные материнские платы имеют архитектуру последовательной шины с открытием глазков 160 пикосекунд или меньше. Это чрезвычайно мало по сравнению с архитектурами параллельной шины с эквивалентной производительностью, у которых может быть отверстие порядка 1000 пикосекунд .

Джиттер измеряется и оценивается различными способами в зависимости от типа тестируемой цепи. Во всех случаях цель измерения джиттера - убедиться, что джиттер не нарушит нормальную работу схемы.

Тестирование характеристик устройства на устойчивость к джиттеру может включать внесение джиттера в электронные компоненты с помощью специализированного испытательного оборудования.

Менее прямой подход - при котором аналоговые сигналы оцифровываются, а результирующий поток данных анализируется - используется при измерении джиттера пикселей в устройствах захвата кадра .

Смягчение

Схемы защиты от джиттера

Цепи защиты от джиттера (AJC) - это класс электронных схем, предназначенных для уменьшения уровня джиттера в тактовом сигнале. Контроллеры AJC работают за счет изменения синхронизации выходных импульсов, чтобы они более точно соответствовали идеализированному тактовому сигналу. Они широко используются в схемах синхронизации и восстановления данных в цифровой связи , а также в системах выборки данных, таких как аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь . Примеры схем защиты от дрожания включают в себя контур фазовой автоподстройки частоты и контур автоподстройки частоты с задержкой .

Буферы джиттера

Буферы дрожания или буферы устранения дрожания - это буферы, используемые для противодействия дрожанию, вносимому постановкой в ​​очередь в сетях с коммутацией пакетов, чтобы гарантировать непрерывное воспроизведение аудио- или видеопотока, передаваемого по сети. Максимальное дрожание, которому может противодействовать буфер устранения смещения во времени, равен задержке буферизации, введенной перед началом воспроизведения медиапотока. В контексте сетей с коммутацией пакетов термин " вариация задержки пакета" часто предпочтительнее, чем джиттер .

Некоторые системы используют сложные буферы устранения смещения во времени с оптимальной задержкой, которые способны адаптировать задержку буферизации к изменяющимся характеристикам сети. Логика адаптации основана на оценках дрожания, вычисленных на основе характеристик поступления медиапакетов. Корректировки, связанные с адаптивным устранением дрожания, включают введение разрывов в воспроизведении мультимедиа, которые могут быть заметны слушателю или зрителю. Адаптивное устранение дрожания обычно выполняется для аудиовоспроизведений, которые включают в себя обнаружение голосовой активности, что позволяет регулировать длительность периодов молчания, тем самым минимизируя перцепционное воздействие адаптации.

Dejitterizer

Dejitterizer - это устройство, уменьшающее джиттер в цифровом сигнале . Устройство устранения джиттеризации обычно состоит из эластичного буфера, в котором сигнал временно сохраняется, а затем повторно передается со скоростью, основанной на средней скорости входящего сигнала. Устройство устранения джиттеризации может оказаться неэффективным при устранении низкочастотного джиттера (дрейфа).

Фильтрация и разложение

Фильтр может быть разработан для минимизации эффекта джиттера выборки.

Сигнал джиттера можно разложить на функции внутреннего режима (IMF), которые в дальнейшем можно применять для фильтрации или устранения смещения во времени.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки