6.1.8. Объективность результатов измерения
Помимо алгоритма подсчета параметров ошибок в цифровом канале на результаты измерений оказывает существенное влияние время проведения измерений, причем как длительность измерения, так и конкретный временной интервал, отличающийся степенью загруженности трафиком сети.
Проблемы выбора длительности временного интервала связаны с необходимостью получения объективных результатов измерений. При анализе параметров многоканальной системы передачи, в которой для измерений задействована лишь часть емкости, возникают два основных вопроса: "Соответствуют ли измеренные параметры отдельных каналов (трактов) всей системе передачи или они характерны только для канала, в котором проводятся измерения?" и "Останутся ли неизменными результаты измерений в течение суток?". Ответы на эти вопросы тесно связаны с проблемой выбора времени проведения измерений и анализом инвариантности полученных результатов.
Для уточнения количественной оценки результатов измерения вводится коэффициент достоверности измеренных величин. Рассмотрим его физический смысл.
Предположим, что в течение определенного времени проведения измерения в цифровом канале зарегистрировано N ошибок. Возникает вопрос, насколько достоверным является измеренный результат. Для оценки достоверности обычно используется статистическая модель со случайным возникновением ошибок. В этом случае может быть рассчитан коэффициент достоверности результата, то есть среднее отклонение от измеренной величины. В таблице 6.2 приведены значения коэффициента достоверности для различного количества ошибок, полученных в результате измерения. Коэффициент достоверности позволяет оценить реальный параметр ошибки в предположении наихудшего варианта и широко используется в методологии измерений цифровых каналов.
Таблица 6.2
Оценка достоверности результатов измерения
Количество измеренных ошибок |
Статистическая достоверность измерения ошибок |
||
95 % |
90 % |
70 % |
|
2 |
3,2 |
2,6 |
1,8 |
5 |
2,1 |
1,85 |
1,4 |
10 |
1,7 |
1,55 |
1,25 |
20 |
1,45 |
1,35 |
1,16 |
50 |
1,26 |
1,2 |
1,09 |
100 |
1,18 |
1,15 |
1,06 |
200 |
1,12 |
1,1 |
|
500 |
1,08 |
1,06 |
|
При проведении измерений полученные результаты могут существенно варьироваться в течение всего времени испытаний. Это связано с влиянием трафика в системе передачи. Результаты, полученные в часы наименьшей загрузки сети, могут сильно отличаться от результатов, измеренных в периоды пиковой нагрузки. Если наблюдается подобная ситуация, то для повышения объективности результатов измерения используются методы долговременного анализа (в течение суток и более). Это один из способов корректного представления объективности результатов, поэтому он используется в методологии измерений цифровых каналов. Основные рекомендации, руководящие документы, определяющие методологию измерения параметров цифрового канала, включают долговременные измерения как обязательное требование. В качестве другого примера можно рассмотреть анализ радиочастотных систем передачи, где имеют место суточные и сезонные изменения параметров среды передачи, поэтому также требуются долговременные измерения (в течение 30 дней).
В реальной практике долговременные измерения выполняются при проведении приемосдаточных испытаний систем передачи. Для выявления отказов и в других случаях эксплуатационного тестирования обычно выполняются кратковременные измерения, применительно к ним объективность результатов повышается путем уточнения оценки на основе коэффициента достоверности.
6.2. Методология измерения и нормирования фазового
дрожания ЦСП
6.2.1. Общая характеристика фазового дрожания, его
классификация и влияние на параметры качества ЦК
Фазовые дрожания (джиттер) являются специфическим видом искажений, которые возникают в процессе формирования и передачи цифровых сигналов. Передающая часть цифровой системы, как правило, формирует и передает элементы цифрового сигнала с равномерной скоростью. Регулярность генерации элементов сигнала обеспечивается путем синхронизации этого процесса тактовым колебанием (хронированием). Однако при последующих операциях с цифровым сигналом в ходе его передачи по каналу регулярность следования его элементов несколько нарушается. Фактическое положение элементов в точке приема не совпадает с временными позициями, которые имели место в устройстве передачи. Такое искажение цифрового сигнала определяется как фазовое дрожание.
Фазовым дрожанием называется отклонение значащих моментов цифрового сигнала электросвязи от их идеальных положений во времени. Под значащими моментами цифрового сигнала понимаются моменты времени, в которые символы цифрового сигнала электросвязи принимают истинное значение с наибольшей вероятностью. Значащие моменты должны быть четко идентифицированы (передний или задний фронты импульсов, средняя часть длитель-ности импульса и др.)
Различают фазовое дрожание (ФД) и дрейф фазы (ДФ), хотя до настоящего времени четко не установлена разница между этими показателями.
Необходимость разделения девиации частоты на фазовое дрожание и дрейф фазы связана с тем, что эти два параметра обычно возникают вследствие разных причин и по-разному влияют на параметры качества цифровой передачи. В практике измерений в последнее время получила распространение тенденция смешивания понятий ФД и ДФ и обозначение обоих параметров как ФД. Это неправильно, поэтому в дальнейшем будем придерживаться намеченного разделения.
Фазовое дрожание (джиттер в терминологии ITU-T) − это кратковременные (частотой более 10 Гц) изменения значащих моментов цифрового сигнала от их идеальных положений во времени.
Дрейф фазы (вандер) – долговременные (частотой менее 10 Гц) изменения значащих моментов цифрового сигнала относительно их идеальных положений во времени. При этом под значащими моментами цифрового сигнала понимаются моменты времени, в которые символы цифрового сигнала принимают истинное значение с наибольшей вероятностью. Значащими моментами могут являться любые фиксированные точки цифрового сигнала, которые могут быть четко идентифицированы (передний или задний фронты импульсов, средняя точка).
Возникновение фазовых дрожаний обусловлено принципами обработки и передачи цифровых сигналов, которые составляют основу построения аппаратуры плезиохронной цифровой сети:
согласование скоростей передачи способом "стаффинга" (управляемая вставка неинформативных временных позиций и их последующее удаление на приеме);
регенерация цифровых сигналов методом самохронирования (выработка тактового колебания с помощью нелинейной обработки и узкополосной фильтрации непосредственно из принимаемого сигнала).
При реализации этих принципов возникает необходимость усреднения частоты поступления элементов цифрового сигнала, размещенных на регулярных временных позициях (детерминированных тактовых интервалах). Усредненность, а значит неидеальность, этого процесса приводит к отклонениям временных положений элементов цифрового сигнала от требуемых (эталонных) позиций, то есть к дрожаниям фазы. Основными видами оборудования, ответственными за появление фазовых дрожаний, являются цифровой линейный тракт и аппаратура временного группообразования.
Как показывает практика эксплуатации ЦСП, фазовое дрожание существенно снижает показатели качества ЦСП и цифрового канала (тракта). Отклонение цифрового сигнала от его идеального положения во времени приводит к появлению ошибок в цифровом канале (тракте) в точках регенерации сигнала. Могут возникать проскальзывания в цифровых сигналах вследствие избыточности или недостаточности данных в цифровых системах, в которых применяются буферные запоминающие устройства и фазовые компараторы. Кроме того, фазовое дрожание восстановленных импульсов в устройствах цифроаналогового преобразования приводит к снижению качества декодируемых аналоговых сигналов. Эта же проблема возникает при передаче кодированных широкополосных сигналов. Различают систематические и случайные фазовые дрожания.
Источником систематических фазовых дрожаний принято считать неудовлетворительное качество выравнивания в схемах выделения тактовой частоты регенераторов, наличие межсимвольных помех, а также влияние АЧХ и фазовой характеристики каналов передачи информации. Кроме того, систематические фазовые дрожания зависят от передаваемой последовательности импульсов.
Случайные фазовые дрожания обусловлены наличием шумов промежуточного усилителя, шумами переходов или отражений. Случайные фазовые дрожания не зависят от передаваемой последовательности импульсов.
Низкочастотные фазовые дрожания, возникающие в демультиплексорах с цифровым выравниванием, объясняются процессом согласования скоростей импульсов. При этом плезиохронные низкоскоростные сигналы синхронизируются автономным генератором тактовой частоты. Ввиду того что систематические фазовые дрожания коррелируются с передаваемой последовательностью импульсов в различных генераторах, то их накопление имеет когерентный характер. Случайные фазовые дрожания не коррелируются с передаваемой последовательностью импульсов и их накопление имеет некогерентный характер.
В низкочастотных цифровых системах часто наблюдаются систематические фазовые дрожания. В современных высокоскоростных системах передачи случайная составляющая фазовых дрожаний может стать значительной и даже основной. Паразитные влияния фазовых дрожаний могут быть устранены с использованием регенераторов или аппаратуры подавления фазовых дрожаний, которая содержит буферное устройство с узкополосной схемой сглаживания фазы. Регенераторы подавляют составляющие фазовых дрожаний, которые выше частоты среза устройств выделения тактовой частоты (регенератор работает как фильтр нижних частот).
На рисунке 6.15 представлен пример фазового дрожания цифрового сигнала.
Рис. 6.15. Пример фазового дрожания цифрового сигнала
Амплитуду фазового дрожания принято определять как значение полного размаха, выраженное в единичных интервалах (UI).
Единичный интервал (1 UI) – это интервал, равный периоду T0 тактовой частоты. Таким образом, амплитуда фазового дрожания равна 0,5 UI, а Tj – период фазового дрожания. Величина фазового дрожания (J), выраженная в процентах, равна:
и
.
(6.3)
В рекомендации [19] определены требования к средствам измерений, предназначенным для измерения уровней фазовых дрожаний в ЦСП. Функционально средства измерений должны состоять из устройства измерения фазовых дрожаний и генератора испытательных сигналов. В рекомендации [19] изложены основные требования к функциональным и метрологическим характеристикам средств измерений, но не рассматриваются их структурные исполнения.
На рисунке 6.16 представлен график зависимости амплитуды генерируемого фазового дрожания от частоты, а в таблице 6.3 приведены конкретные значения этой зависимости.
Рис.6.16. График зависимости амплитуды генерируемого фазового
дрожания от частоты
Таблица 6.3