Многие неопытные электронщики путают джиттер (или фазовый шум) с электрическим шумом. Это связано с тем, что в обоих случаях оказывается негативное влияние на качество сигнала. Но все же они отличаются по характеру негативного воздействия и при использовании хороших инструментов анализа сигнала оба эти фактора можно выявить и исключить, или снизить их влияние.
В данной статье мы постараемся как можно подробней рассмотреть признаки джиттера и шума, а также как применять эти знания при анализе высокоскоростных сигналов.
Определение джиттера и шума
Давайте начнем из основных понятий. Джиттер – это изменение сигнала во времени от его номинального значения. Это будет проявляться в изменениях фазы, периода, ширины сигнала. Шум – это изменение амплитуды сигнала от ее номинального значения. Оба эти явления могут привести к серьезным ошибкам или увеличить частоту ошибок в битах последовательной связи.
Изначально тестирование последовательных каналов передачи данных ориентированы на характеристику и минимизацию неустойчивости синхронизации джиттеров, поскольку последовательность амплитуд сигналов были относительно большими. Однако, при увеличении скорости передачи данных амплитуда уменьшается настолько, что возникает вопрос шумов. Шум и джиттер пересекаются в случае проникновения шума во временной джиттер, когда сигнал пересекает порог логического срабатывания элемента:
Сигнал имеет аддитивный шум по вертикали. Если применить это к логическому элементу, то порог логического срабатывания будет преодолен раньше или позже, в зависимости от мгновенной амплитуды шума. Время выходного сдвига (Δt) напрямую зависит от амплитуды шума (Δv) и обратно зависит от номинального наклона (I) от края сигнала, как показано на рисунке.
Широкополосные цифровые осциллографы используют для измерения целостности сигнала на высокоскоростных последовательных каналах передачи данных. Поставщики предлагают ряд вариантов последовательного анализа данных, характеризующих целостность сигнала путем выделения джиттера и шума и экстраполируя их последствия для прогнозирования битовых ошибок.
Последовательный анализ данных
Рассмотрим анализ на осциллографе с помощью программы последовательного анализа данных (рисунок ниже). Расширенный вид сигнала последовательной передачи данных 2,48 ГГц показан в верхнем левом дисплее.
Джиттеры и шумы могут поступать от различных источников. Они могут классифицироваться довольно широко, как имеющие случайные или детерминированные компоненты. Детерминированные компоненты могут быть дополнительно определены как зависящие от сигнала, периодические, или ограниченного некоррелируемого сигнала.
Знания типа и величины этих компонентов помогает определить источник. Используя различные методы, программа может определять различные шумы и джиттеры компонентов. Также путем экстраполяции этих данных можно делать прогнозы, опираясь на ограниченные измерения продолжительной записи с частотой ошибочных бит до 1012.
Два следа ниже входного сигнала являются шумовой дорожкой и джиттером путевых сигналов. Сигналы следов показывают уровень шума и джиттера, отделенных от источника сигнала; они являются частью процесса изоляции, который имеет место в программном обеспечении анализа.
В правом верхнем углу рисунка изображена глаз-диаграмма. По открытию «глаза» можно судить о качестве сигнала, так как джиттер имеет свойство закрывать глаз по горизонтали, а шум по вертикали.
Детерминированный шум и джиттер ограничены, то есть они не увеличиваются с увеличением времени и количества измерений. Их эффект на глаз-диаграмму вполне предсказуем. Детерминированные компоненты измеряются в частотной области, используя быстрое преобразование Фурье (БПФ или англ. FFT).
Произвольные составляющие сигнала не ограничены и возрастают со временем. Гистограммы обоих видов помех показаны в правом графике (второй и третий сверху) и используются для прогнозирования случайных составляющих в требуемом количестве измерений (как правило, 1012 бит) с использованием статистических методов экстраполяции.
Интенсивность отказов показана на графике гистограммы с джиттером. Интенсивность отказов показывает горизонтальное открывание глаза как функцию числа измерений. Случайные составляющие джиттеров влияют на наклон кривых, а детерминированный джиттер влияет на горизонтальное положение (то есть, возрастающий детерминированный джиттер смещает кривую внутрь).
Под графическим дисплеем расположена таблица, содержащая шумы и измерения параметров джиттера. Они читают общий шум или джиттер и амплитуды случайных и детерминированных компонентов. Третья строка в таблице считывает ключевые параметры глаз-диаграммы.
Оба рассматриваемые явления могут повлиять на скорость битовых ошибок последовательных данных. На глаз-диаграмме видно, что шум может повлиять как вертикальное, так и горизонтальное закрытие глаза. Джиттер влияет на горизонтальное закрытие. Специальное программное обеспечение для анализа способно изолировать процессы измерения составляющих шума и джиттера, что позволит прогнозировать битовые ошибки для любого количества последовательных бит.
Основные поставщики широкополосных цифровых осциллографов предлагают программное обеспечение последовательного анализа для измерения составляющих шума и джиттера.
