Джи́ттер (англ. jitter — дрожание) или фазовое дрожание цифрового сигнала данных^[1]  — нежелательные фазовые и/или частотные случайные отклонения передаваемого сигнала. Возникают вследствие нестабильности задающего генератора, изменений параметров линии передачи во времени и различной скорости распространения частотных составляющих одного и того же сигнала.

В цифровых системах проявляется в виде случайных быстрых (с частотой 10 Гц и более) изменений местоположения фронтов цифрового сигнала во времени, что приводит к рассинхронизации и, как следствие, искажению передаваемой информации. Например, если фронт имеет малую крутизну или «отстал» по времени, то цифровой сигнал как бы запаздывает, сдвигается относительно значащего момента времени — момента времени, в который происходит оценка сигнала.

Джиттер является одной из основных проблем при проектировании устройств цифровой электроники, в частности, цифровых интерфейсов. Недостаточно аккуратный расчет джиттера может привести к его накоплению при прохождении цифрового сигнала по тракту и, в конечном счёте, к неработоспособности устройства.

При цифровой записи звука джиттер вносит в сигнал искажения, подобные детонации — явлению, вызванному неравномерностью движения магнитной ленты в аналоговом магнитофоне вследствие несовершенства лентопротяжного механизма. Однако вносимые цифровым джиттером искажения существенно заметнее искажений звука, вносимых детонацией. Видимо, это связано с большей «мягкостью» и «плавностью» детонационных искажений (можно сказать, «аналогового джиттера»), обусловленных эластичностью магнитной ленты и инерционностью механических элементов лентопротяжных механизмов.

В области телекоммуникаций джиттером называется первая производная задержки прохождения данных по времени.

Причины возникновения джиттера

• Фазовые шумы петли ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты) устройства, синхронизируемого внешним сигналом. Джиттер, вызываемый ФАПЧ, проявляется при прослушивании материала с записывающего устройства, синхронизируемого от воспроизводящего устройства.

• АЦП. В современных цифровых системах звукозаписи и воспроизведения основным источником джиттера является АЦП. Нынешние полностью цифровые студийные синхронизаторы достаточно совершенны и часто вносят джиттер меньший, чем АЦП.

[Править]Влияние джиттера на характеристики ацп

Частота дискретизации АЦП обычно задаётся кварцевым генератором, а любой кварцевый генератор (особенно дешёвый) имеет ненулевые фазовые шумы. Таким образом, моменты времени получения отсчетов сигнала (дискретов) расположены на временной оси не совсем равномерно. Это приводит к размыванию спектра сигналаи ухудшению отношения сигнал/шум.

[Править]Борьба с джиттером

При проектировании цифровых устройств следует максимально использовать передачу сигнала с регистра на регистр. Это позволяет применить простые методы расчета передач цифровых сигналов (временны́е диаграммы).

В цифровой звукозаписи следует использовать высококачественные кварцевые генераторы с источниками питания, имеющими малые пульсации и шумы. Также, применение полностью цифровых студий позволяет свести влияние джиттера к минимуму. Такой студией может являться и персональный компьютер со звуковой платой, имеющей хороший АЦП, в случае хранения, редактирования и воспроизведения звука только в цифровом виде.

В области телекоммуникаций с джиттером и его последствиями борются с помощью буферной памяти, устройств ФАПЧ, применением специальных линейных кодов, созданием выделенных сетей тактовой синхронизации.

[Править]Джиттер в телекоммуникациях

В телекоммуникациях под джиттером часто понимается разброс максимального и минимального времени прохождения пакета от среднего.^[2] К примеру, посылается 100пакетов минимальное время прохождения пакета — 395 мс, среднее — 400 мс, максимальное — 405 мс, в этом случае джиттер можно считать маленьким. Если же посылается 100 пакетов минимальное время прохождения пакета — 1 мс, среднее — 50 мс, максимальное — 100 мс, в этом случае джиттер большой. Например VoIPочень чувствителен к джиттеру.

Тактовый сигнал (синхросигнал)

Синхросигнал (clock signal) — это сигнал, использующийся для согласования операций одной или более цифровых схем. Синхросигнал имеет форму меандра и колеблется между высоким и низким логическими уровнями. Активным уровнем тактового сигнала принято называть момент переключения из одного состояния в другое. Активным уровнем является высокий уровень, если схема переключается в момент, задаваемый нарастающим фронтом синхросигнала, то есть когда синхросигнал переключается из нижнего уровня в верхний. Если переключение происходит по спадающему фронту синхросигнала, то активный уровень — низкий. Периодом синхросигнала (clock period) называется отрезок времени между соседними переключениями, совершаемыми в одном и том же направлении, а частотой синхросигнала (clock frequency) — величина обратная периоду. Скважностью синхросигнала называется отношение периода синхросигнала к времени его активного состояния. Коэффициентом заполнения называется величина обратная скважности. Скважность меандра равна двум.

АСИНХРОННАЯ И СИНХРОННАЯ ПЕРЕДАЧА

Имеется два основных вида передачи цифровых сигналов, приводящих к двум фундаментально отличающимся способам установки временной базы (тактовой частоты для определения моментов принятия решения) в приемном оконечном устройстве цифровой линии. Первым из этих способов является асинхронная передача, которая состоит в раздельной передаче групп битов или знаков. Внутри отдельной группы для каждого отдельного сигнала используется специальный, определенный заранее временной интервал. Однако моменты передачи групп друг с другом не связаны. Поэтому в приемном оконечном устройстве для приема каждой группы тактовая частота устанавливается заново. При втором способе, называемом синхронной передачей, цифровые сигналы посылаются непрерывно с постоянной скоростью. В этом случае приемное оконечное устройство должно сформировать и поддерживать колебание с тактовой частотой, которое синхронизируется с входящим цифровым сигналом в течение неограниченного периода времени.

4.2.1. Асинхронная передача

Между периодами передачи асинхронная линия находится в неактивном, или незагруженном состоянии. Начало каждой группы передачи обозначается стартовым битом. Ширина стартового импульса на приеме измеряется и определяется его середина. Отсчеты импульсов последующих информационных битов берутся с номинальной частотой, начиная от середины интервала второго бита. После информационных битов передается один или большее число стоповых битов, что позволяет линии вернуться в неактивное состояние . На рис. 4.4 показан асинхронный вид работы, используемый обычно для низкоскоростной передачи данных.

Как показано на рис. 4.4, обнаружение каждого бита информации выполняется путем взятия идеального отсчета входного сиг-гала в середине каждого сигнального интервала. На практике моменты взятия отсчетов отклоняются от идеального положения на величину, зависящую от степени изменения формы стартового импульса шумами и искажениями. Поскольку моменты взятия отсчетов для каждого информационного бита определяются на базе единственного стартового бита, асинхронные системы плохо работают при высоких уровнях шумов. Конечно, можно было бы использовать более одного стартового бита для улучшения точности определения начальной фазы колебания тактовой частоты, но это усложнило бы приемник и потребовало бы введения дополнительной избыточности для передачи хронирующей информации.

Первоначально стоповые биты вводились, чтобы дать электромеханическому оборудованию достаточно времени для установки фазы перед поступлением следующего знака. При электронном оборудовании единственная цель введения стоповых битов состоит в том, чтобы позволить стартовому биту всегда быть бестоковой посылкой (логическим нулем).

Стартовые биты

Стоповые биты

Переданный сигнал

Сигнал на приеме

Идеальные моменты отсчета для каждого зака, состоящего из восьми битов

Рис. 4.4. Асинхронная передача

Ошибки хронирования возникают также, если номинальное значение тактовой частоты в приемнике численно отличается от номинального значения скорости передачи в передающем устройстве. Даже если стартовый бит дает возможность определить правильную начальную фазу колебания тактовой частоты, смещение тактовой частоты приемника вызывает сдвиг каждого последовательного момента взятия отсчета все далее от центра соответствующих сигнальных интервалов. Поскольку использование самого термина асинхронный подразумевает наличие автономного генератора в приемнике, определенный сдвиг неизбежен во всех асинхронных системах. Максимальная длительность каждой группы символов или знака определяется предельными значениями неточностей определения первоначальной фазы и максимальной ожидаемой разности частот генераторов передатчика и приемника.

Основной привлекательной чертой асинхронной передачи является простота определения моментов взятия отсчетов сигнала в приемнике. В дополнение к этому асинхронная передача является по своему существу гибкой с точки зрения работоспособности системы в диапазоне средних скоростей передачи данных. При высоких скоростях знаки передаются один за другим. Передача автоматически приспосабливается и к пониженным скоростям данных путем увеличения пауз между знаками. В противоположность этому синхронный приемник должен отследить изменение скорости в передатчике, прежде чем он сможет правильно взять отсчеты входного сигнала. Обычно тактовый генератор синхронной системы перестраивается очень медленно и в узком диапазоне. Следовательно, асинхронная система более подходит для тех применений, когда скорость передачи меняется.

Системы с синхронной передачей могут выдержать передачу информации с переменной скоростью, но при этом задача подстройки под скорость передачи информации выполняется за счет процессов более высокого уровня (протокола канального уровня), при которых в цифровой поток вводятся кодовые комбинации, соответст вующие нулевой информации. Эти комбинации используются для заполнения цифрового потока, когда источнику нечего передавать. Такую форму передачи иногда называют изохронной. Изохронный вид работы необходим, когда синхронная линия используется для передачи данных от асинхронного источника.

Еще одной привлекательной чертой асинхронной передачи является то, что этот вид работы автоматически обеспечивает синхронизацию по знакам. Следовательно, если речевой сигнал, преобразованный посредством ИКМ, передается асинхронно, то стартовый и стоповый биты автоматически определяют границы кодовой комбинации. При синхронной передаче для синхронизации по кодовым комбинациям необходимо принимать дополнительные меры.

К основным недостаткам асинхронной передачи относятся ее большая чувствительность к ошибкам на линиях с высоким уровнем шумов и относительно большая избыточность, необходимая для хронирования. Поэтому асинхронная передача наиболее подходит для тех применений, где стоимость реализации системы имеет большее значение, чем отношение сигнал-шум и полоса. Асинхронная передача используется в модемах на скоростях передачи до 1200 бит/с в каналах ТЧ. Что касается цифровой телефонии, то нечто подобное асинхронной передаче рассматривается для двухпроводной цифровой абонентской линии в работах [2, 3, 4]. Такие системы образуют дуплексный (четырехпроводный) канал путем передачи блоков цифрового сигнала попеременно в каждом направлении по одной паре проводов. Из-за этого такие системы называют иногда системами передачи типа пинг-понг , они не являются по-настоящему асинхронными, поскольку каждая передача в каждом из направлений осуществляется в заранее определенные моменты времени, что, возможно, устраняет необходимость в стартовых и стоповых битах.

 Синхронная передача

В линиях типа Т1 и других межстанционных линиях с цифровой передачей, используемых в настоящее время на телефонной сети США, применяют исключительно синхронную передачу. Вследствие этого формат кода передачи для этих систем должен быть создан с учетом специальных соображений, чтобы гарантировать, что каждый регенератор или приемное устройство могут заставить работать местный задающий генератор со скоростью передачи входного сигнала. Вообще говоря, требования синхронизации подразумевают, что для непрерывного определения границ сигналов необходима определенная минимальная плотность переходов в сигнале. Достаточное число переходов не может обеспечить и чисто случайный сигнал. В этих случаях должны быть приняты определенные меры по введению искусственных переходов в передаваемые сигналы. Хотя эти дополнительные переходы и подразумевают определенную избыточность, уменьшение пропускной способности может быть относительно небольшим. Ниже указаны пять способов обеспечения наличия переходов в сигнале:

1) ограничение кода источника;

2) введение специальных хронирующих битов;

3) вставка битов;

4) скремблирование цифрового сигнала;

5) преднамеренное введение ошибок.

Шестой способ - введение переходов в сами сигнал

Ограничение кода источника. Одно из средств гарантированного получения достаточного числа переходов сигнала состоит в таком ограничении семейства кодовых комбинаций, формируемых источником, при котором появление в цифровом сигнале длительной последовательности, не содержащей переходов, было бы невозможным. В каналообразующих блоках, применяемых на североамериканской телефонной сети, появление кодовых комбинаций из одних нулей предотвращено, поскольку в коде линий типа Т1 последовательность нулей не содержит переходов. В случае восьмиразрядной кодовой комбинации при ИКМ исключение единственной кодовой комбинации означает уменьшение пропускной способности тракта только на 1/256

Расчет на то, что кодирование сигнала источника обеспечит достаточное число переходов в коде передачи, имеет один существенный недостаток: линию передачи нельзя использовать для других применений, в которых не исключается появление на передаче нежелательных цифровых последовательностей. По этой причине пропускная способность линии типа Т1 не может быть полностью использована для случайного цифрового сигнала.

Введение специальных хронирующих битов. В качестве альтерна-

-тивы исключению цифровых последовательностей, не содержащих переходов, можно в самой линии периодически вводить в цифровой поток биты, содержащие переходы. Чтобы гарантировать наличие минимального числа переходов в сигнале, эти биты вводятся периодически, независимо от источника цифрового сигнала. Таким образом,

некоторая часть пропускной способности канала предоставляется для передачи битов хронирования.

Например, служба DDS фирмы BellSystem для организации каналов передачи данных по линиям типа Т1, обеспечивает в каждом канале пропускную способность, равную 56 кбит/с. В соответствии с этим

; J9 каждом канальном интервале для потребителя доступны только семь из восьми битов. Наряду с другими функциями неиспользуемый бит в каждом канальном интервале гарантирует, что не все восемь битов в канальном интервале равны нулю. Как будет показано в одном из последующих разделов, в более современной цифровой системе передачи (система типа Т2) в линии используется такое преобразование, которое гарантирует достаточное число переходов независимо от передаваемого цифрового сигнала, и поэтому для случайного цифрового

с точки зрения теории информации потери речевой информации еще меньше, поскольку вероятность появления кодовой комбинации из одних нулей намного меньше 1/256.

сигнала не требуется введения хронирующих битов. Отметим, что введение специальных хронирующих битов является, по существу, той же самой процедурой, которая используется для хронирования . при асинхронной передаче. Однако в асинхронном приемнике колебание с тактовой частотой формируется на основе одного перехода, а не путем усреднения хронирующей информации по большому числу хронирующих переходов.

Вставка битов. В приведенном примере службы DDS один из каждых восьми битов в канальном интервале используется для обеспечения хронирующей информации в цифровом потоке. Еще одной возможностью предотвращения появления нежелательных последовательностей в линии является использование режима вставка битов только тогда, когда это необходимо. Так, если в системе типа Т1 цифровой сигнал, передаваемый по линии, содержит только нули на первых семи позициях канального интервала, то в цифровой поток на восьмой позиции канального интервала вводится единица. На приемном конце линии единица, следующая за семью нулями, автоматически удаляется. При каждом таком введении цифровой сигнал источника задерживается на один тактовый интервал, но за исключением этих потерь пропускная способность канала используется полностью.

та процедура полностью аналогична алгоритму вставки нуля , используемому при передаче данных по протоколу управления каналом с синхронной передачей SDLC (Synchronous Data Link Control). В этом протоколе (а также и в других аналогичных бит-ориентированных протоколах, таких как протокол МККТТ высокого уровня для управления каналом передачи данных HDLC (Hign Level Data Link Control) или усовершенствованная процедура управления передачей данных ADCCP (Advanced Data Communications Control Procedure) Американского национального института стандартов, для указания конца блока данных используется специальная комбинация, называемая флажком. В передатчике следует предотвратить случайную посылку флажка как части данных потребителя. В качестве средства для предотвращения появления случайных флажков служит введение нуля вслед за последовательностью из пяти единиц в данных потребителя. Поскольку флажок включает шесть последовательных единиц, введение нулевого бита предотвращает передачу случайных флажков. Принимающий узел линии передачи данных по протоколу SDLC удаляет нуль, который следует за пятью единицами. Принятая последовательность из шести единиц может входить только в состав флажка (01111110).

Хотя алгоритм вставки битов по мере необходимости допускает более эффективное использование канала, чем введение специальных битов хронирования, процедура вставки имеет определенные недостатки. Во-первых, этот процесс требует введения задержки в источнике данных каждый раз, когда делается вставка. Поэтому в условиях непрерывной передачи в реальном масштабе времени (например, при передаче речи) на приемной стороне возникают фазовые дрожания. Хотя эти фазовые дрожания можно минимизировать выравниванием скорости поступления сигналов на прием с помощью буферной

памяти, полностью они никогда не могут быть устранены. Во-вторых, процесс вставки битов приводит к тому, что любая структура знаков данных потребителя становится несвязанной со структурой канального интервала в линии передачи с временным группообразованием. Таким образом, если данные потребителя состоят из восьмибитовых знаков (подобно ИКМ-дискретам речевого сигнала), то границы знаков невозможно удержать в определенном отношении к восьмибитово-

!- му канальному интервалу в линии передачи типа Т1.

Скремблирование цифрового сигнала. Во многих цифровых системах передачи используют скремблеры для рандомизации последовательностей цифровых сигналов в линиях. Хотя эти скремблеры и аналогичны используемым для засекречивания, их основной задачей является предотвращение передачи повторяющихся последовательностей, а не засекречивание обмена. Повторяющиеся последовательности создают линейчатый спектр сигнала, который приводит к большим искажениям, чем непрерывный спектр, соответствующий случайной цифровой последовательности. Так, например, можно допустить работу модемов в каналах тональных частот с повышенными уровнями мощности, если они содержат скремблеры для рандомизации данных. Федеральная комиссия по связи США также требует, чтобы в цифровых

; радиосистемах не передавался линейчатый спектр, что, по существу, означает необходимость исключения повторяющихся цифровых последовательностей .

Даже когда это и не требуется, скремблеры цифровых сигналов полезны при преобразовании цифровых последовательностей с низкими плотностями переходов в последовательности со значительными хронирующими составляющими. Скремблирование не используется в низкоскоростных системах передачи типа Т (Т1 и Т2), но применя-; ется в коаксиальных линиях передачи типа Т4М со скоростью передачи 274 Мбит/с фирмы Bell System [5].

Скремблеры цифровых сигналов (с равными скоростями передачи на входе и выходе) в абсолютном смысле не предотвращают появления длинных последовательностей нулей. Они попросту гарантиру-i ЮТ, что относительно короткие повторяющиеся комбинации будут пре-i образованы к рандомизированному сигналу с минимальной плотностью переходов. Если скремблированию подвергается чисто случайный циф-,ровой сигнал, то выходной сигнал также является чисто случайным и, следовательно, имеется определенная статистическая вероятность появления последовательности нулей любой произвольной длины. Однако вероятность такого случайного события является приемлемой, если сопоставить ее с вероятностью появления неслучайных последовательностей, соответствующих паузам речи или состоянию покоя в терминалах данных. Для определения того, какая из цифровых последовательностей, кажущаяся случайной, создает одни нули на выходе скремблера, подайте все нули на вход соответствующего дескремблера.

В коаксиальной системе передачи типа Т4М используется скремб-лер цифрового сигнала как основное средство получения достаточной хронирующей информации. Эта система может допустить существенно более длинные последовательности нулей, поскольку в цепях восстановления хронирующего сигнала в регенераторах используются схемы с фазовой автоподстройкой, что поддерживает хронирование в течение относительно длинных периодов времени. В отличие от этого, в системе типа Т1 хронирующий сигнал выделяется с помощью резонансных контуров, резонанс в которых возникает при возбуждении их принимаемыми импульсами на требуемой тактовой частоте для передачи со скоростью 1,544 Мбит/с. Поскольку резонансные контуры имеют меньшую эффективную добротность, чем цепь с фазовой автоподстройкой, частота колебаний может уйти от требуемого значения, а колебания быстрее затухают. Вследствие этого для приемника системы типа Т1 недопустимы последовательности нулей такой же длины, как для приемников системы типа Т4М.

Преднамеренное введение ошибок. Пятый метод поддерживания достаточной хронирующей информации в линейных сигналах состоит в преднамеренном введении время от времени ошибки в передающем оконечном устройстве для того, чтобы прервать длительную, не содержащую переходов последовательность цифрового сигнала. Если достаточно длинные последовательности без переходов являются и достаточно редкими, то преднамеренные ошибки могут быть более редкими, чем случайные ошибки в цифровой линии передачи. Следовательно, преднамеренные ошибки могут не вносить значительного дополнительного ухудшения. Тем не менее введение преднамеренных ошибок как часть процедуры преобразования к коду передачи обычно не рекомендуется и упоминается для полноты изложения.

Как уже упоминалось, в каналообразующих блоках, применяемых в странах Северной Америки, при передаче кодовой комбинации из одних нулей умышленно вводится ошибка в предпоследний по значению разряд, чтобы гарантировать достаточное число переходов в сигнале. Важным аспектом этой процедуры является то, что она осуществляется в источнике сигнала, где значение ошибки известно. Если бы ошибки возникали в самой линии передачи, эффект был бы неуправляемым, особенно когда линия предоставляется для передачи различных видов сигналов.

При преднамеренном введении ошибок возникает и более тонкая проблема, если цифровая линия передачи используется для передачи данных с автоматическим перезапросом. Линия передачи данных с автоматическим перезапросом рассчитана на обеспечение безошибочной, несмотря на случайные ошибки в канале, передачи за счет введения избыточности в поток данных и проверки принятых данных на отсутствие ошибок. При обнаружении ошибки требуется повторная передача. Если ошибки являются не случайными, а умышленно введенными в линию передачи, то система с автоматическим перезапросом перестанет работать, если когда-либо встретится последовательность (как бы маловероятно это ни было), на передачу которой наложены ограничения . И еще раз: если используются преднамерен-

ныеошибки, их следует вводить не в линии передачи, а в источни-как один из видов ограничений, налагаемых на цифровой сигнал ис->чника.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ К КОДУ ПЕРЕДАЧИ

Б предыдущем разделе в общих чертах были описаны различ-Qttie способы обеспечения хронирующей информацией. Выбор любого Йбонкретного способа зависит от того, какой конкретный код исполь-%1уется в линии. В этом разделе рассмотрены наиболее известные §Щрщл, используемые для цифровой передачи по линии, и указано, ка-fibie дополнительные шаги (если в них есть необходимость) требуют-

для поддержания синхронизма между передатчиком и приемни-ЩрЬм. Некоторые из способов преобразования к коду передачи сами

себе обеспечивают достаточную хронирующую информацию и не ЭД?ебуют никаких процедур из описанных выше. При выборе кода 9!редачи в дополнение к требованиям синхронизации необходимо 2писже учитывать спектр кода в линии и имеющуюся в распоряжении йлосу (особенно в области низких частот), уровни шумов и помех, (янтельность вхождения в синхронизм, контроль характеристик и щ?5ования реализации.