Джиттер: Отклонение от периодичности сигнала

Введение

Отклонение тактовой частоты от идеальной периодичности

В электронике и телекоммуникациях джиттер – это отклонение от точной периодичности предположительно периодического сигнала, часто относительно опорного тактового сигнала. В приложениях восстановления тактовой частоты это называется временным джиттером (тайминговым джиттером). Джиттер является значительным и обычно нежелательным фактором при проектировании практически всех каналов связи. Джиттер можно оценить в тех же единицах, что и любые сигналы, изменяющиеся во времени, например, среднеквадратичное значение (RMS) или размах отклонения. Как и другие сигналы, изменяющиеся во времени, джиттер может быть выражен в терминах спектральной плотности. Период джиттера – это интервал между двумя моментами времени максимального (или минимального) воздействия характеристики сигнала, регулярно изменяющейся во времени. Частота джиттера, более часто указываемый параметр, является величиной, обратной периоду. ITU-T G.810 классифицирует отклонения на низких частотах ниже 10 Гц как блуждание (wander), а на высоких частотах, 10 Гц и выше, как джиттер. Джиттер может быть вызван электромагнитными помехами и наводками от других сигналов. Джиттер может вызывать мерцание изображения на мониторе, влиять на производительность процессоров в персональных компьютерах, приводить к щелчкам или другим нежелательным эффектам в аудиосигналах и вызывать потерю передаваемых данных между сетевыми устройствами. Допустимый уровень джиттера зависит от конкретного применения.

Типы

Одно из основных различий между случайным и детерминированным джиттером заключается в том, что детерминированный джиттер имеет ограниченную величину, а случайный джиттер – неограниченную.

Случайный трепет

Случайный джиттер, также называемый гауссовским джиттером, — это непредсказуемый электронный шум по времени. Случайный джиттер обычно подчиняется нормальному распределению, поскольку вызывается тепловым шумом в электрической схеме.

Детерминированный трепет

Детерминированный джиттер — это тип джиттера тактовых или сигналов данных, который предсказуем и воспроизводим. Пиковое значение этого джиттера ограничено, и эти границы можно легко наблюдать и предсказывать. Детерминированный джиттер имеет известное распределение, отличное от нормального. Детерминированный джиттер может быть коррелирован с потоком данных (джиттер, зависящий от данных) или некоррелирован с потоком данных (ограниченный некоррелированный джиттер). Примерами джиттера, зависящего от данных, являются джиттер, зависящий от длительности импульса (также известный как искажение длительности импульса) и межсимвольная интерференция.

Движение при отборе проб

При преобразовании сигналов из аналогового в цифровой и из цифрового в аналоговый формы, дискретизация обычно рассматривается как периодическая с фиксированным периодом – интервал времени между любыми двумя дискретами одинаков. Если в сигнале тактирования аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразователя присутствует джиттер, интервал между дискретами изменяется, что приводит к мгновенной ошибке сигнала. Эта ошибка пропорциональна скорости изменения полезного сигнала и абсолютной величине ошибки тактирования. Влияние джиттера на сигнал зависит от его характера. Случайный джиттер, как правило, добавляет широкополосный шум, а периодический джиттер – нежелательные спектральные компоненты, известные как "птички". В определенных условиях, джиттер менее одной наносекунды может снизить эффективное разрешение преобразователя с частотой Найквиста 22 кГц до 14 бит. Джиттер дискретизации является важным фактором при преобразовании высокочастотных сигналов или в ситуациях, когда тактовый сигнал особенно восприимчив к помехам. В цифровых антенных решетках джиттер АЦП и ЦАП являются ключевыми факторами, определяющими точность оценки угла прихода сигнала и глубину подавления помех.

Джиттер пакетов в компьютерных сетях

В контексте компьютерных сетей, джиттер пакетов или вариация задержки пакетов (PDV) – это изменение задержки, измеряемое как изменчивость времени задержки от начала до конца в сети. Сеть с постоянной задержкой не имеет джиттера пакетов. Джиттер пакетов выражается как среднее отклонение от средней сетевой задержки. PDV является важным фактором качества обслуживания при оценке производительности сети. Передача всплеска трафика с высокой скоростью, за которым следует интервал или период передачи с более низкой или нулевой скоростью, также может рассматриваться как форма джиттера, поскольку это отклонение от средней скорости передачи. Однако, в отличие от джиттера, вызванного изменением задержки, передача всплесками может быть желательной характеристикой, например, при передаче с переменной битовой скоростью.

Джиттер видео и изображений

Дрожание видео или изображения возникает, когда горизонтальные линии кадров видео случайным образом сдвигаются из-за искажения сигналов синхронизации или электромагнитных помех при передаче видео. Исследование, основанное на модели устранения дрожания, было проведено в рамках восстановления цифровых изображений и видео.

Испытания

Джиттер в архитектурах последовательных шин измеряется с помощью глазковых диаграмм. Существуют стандарты для измерения джиттера в архитектурах последовательных шин. Эти стандарты охватывают устойчивость к джиттеру, передаточную функцию джиттера и генерацию джиттера, при этом требуемые значения для этих характеристик варьируются в зависимости от конкретных применений. В соответствующих случаях, системы, соответствующие стандартам, должны им соответствовать. 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 высокой производительности устройств. Более высокие тактовые частоты приводят к пропорционально меньшему раскрытию глазковой диаграммы и, следовательно, предъявляют более жесткие требования к допустимому джиттеру. Например, современные компьютерные материнские платы имеют архитектуры последовательных шин с раскрытием глазковой диаграммы 160 пикосекунд или меньше. Это чрезвычайно мало по сравнению с параллельными архитектурами шин с эквивалентной производительностью, которые могут иметь раскрытие порядка 1000 пикосекунд. Джиттер измеряется и оценивается различными способами в зависимости от типа тестируемой схемы. Во всех случаях цель измерения джиттера состоит в том, чтобы убедиться, что он не нарушит нормальную работу схемы. Тестирование производительности устройства на устойчивость к джиттеру может включать в себя добавление джиттера в электронные компоненты с использованием специализированного тестового оборудования. Менее прямой подход, при котором аналоговые сигналы оцифровываются и анализируется полученный поток данных, используется при измерении джиттера пикселей в видеозахватчиках.

Противозависимые от джитра схемы

Анти-джиттерные схемы (AJC) — это класс электронных схем, предназначенных для уменьшения уровня джиттера в тактовом сигнале. Анти-джиттерные схемы работают путем повторной синхронизации выходных импульсов, чтобы они более точно соответствовали идеальному тактовому сигналу. Они широко используются в схемах восстановления тактовой частоты и данных в цифровых коммуникациях, а также в системах дискретизации данных, таких как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Примеры анти-джиттерных схем включают в себя фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ) и схему с задержкой, синхронизированной по фазе (СЗСФ).

Буферы для отвода

Буферы джиттера или буферы де-джиттера — это буферы, используемые для компенсации джиттера, возникающего из-за очередей в сетях с коммутацией пакетов, чтобы обеспечить непрерывное воспроизведение аудио- или видеопотока, передаваемого по сети. Максимальный джиттер, который может быть компенсирован буфером де-джиттера, равен задержке буферизации, вводимой перед началом воспроизведения медиапотока. В контексте сетей с коммутацией пакетов термин "вариация задержки пакетов" часто предпочтительнее термина "джиттер". Некоторые системы используют сложные буферы де-джиттера с оптимальной задержкой, способные адаптировать задержку буферизации к изменяющимся сетевым условиям. Логика адаптации основана на оценках джиттера, вычисляемых на основе характеристик поступления медиапакетов. Корректировки, связанные с адаптивным де-джиттером, могут приводить к разрывам в воспроизведении медиа, которые могут быть заметны слушателю или зрителю. Адаптивный де-джиттер обычно применяется для аудиовоспроизведения, включающего обнаружение голосовой активности, что позволяет регулировать длительность периодов тишины и, таким образом, минимизировать воспринимаемое влияние адаптации.

Дегитризатор

Дежиттеризатор – это устройство, предназначенное для уменьшения джиттера в цифровом сигнале. Обычно дежиттеризатор состоит из эластичного буфера, в котором сигнал временно сохраняется, а затем повторно передается с частотой, основанной на средней частоте входящего сигнала. Дежиттеризатор может оказаться неэффективным при устранении низкочастотного джиттера (дрейфа).

Фильтрация и разложение

Фильтр может быть разработан для минимизации влияния джиттера дискретизации. Сигнал джиттера может быть разложен на собственные модовые функции (IMF), которые затем могут быть использованы для фильтрации или подавления джиттера.