efekat dŽitera by beksona

7/30/2019 EFEKAT DŽITERA by Beksona

http://slidepdf.com/reader/full/efekat-dzitera-by-beksona 1/19

JU SREDNJA ELEKTROTEHNIĈKA ŠKOLA

“VASO ALIGRUDIĆ“

PODGORICA

Struĉni rad iz:

EFEKAT DŢITERA I NJEGOVO

MJERENJE KOD TV SIGNALA

Меntor: Učenik :

, dipl.ing.el. Ivan Bulatović,S4 b



Efekat dţitera i njegovo mjerenje kod TV signala Ivan Bulatović,oĊeljenje S4e

S A D R Ţ A J Strana

1. Uvod.............................................................................................................................................11.1.Urođeni šum i dţiter............................................................................................................2

1.2 Neurođeni šum i dţiter........................................................................................................4

1.3.Periodični šum i dţiter........................................................................................................4

1.4. Klasifikacione šeme dţitera i šuma...................................................................................5

2. Efekat dţitera i njegovo mjerenje kod TV signala.......................................................................7

3. Metode mjerenja dţitera............................................................................................................12

4. Zaključak...................................................................................................................................15

Literatura......................................................................................................................................16




1. Uvod, Dţiter, Šum, Integritet signala

Dţiter predstavlja mjeru odstupanja periode oscilatora ili generatora digitalnog takta od njene

nominalne (nazivne) vrijednosti. Dţiter se moţe definisati i mjer iti na više načina. Dţiter periode(period jitter) predstavlja razliku u trajanju periode bilo koja dva neuzastopna ciklusa. Izvršnavrijednost dţitera periode (peak -to-peak period jitter) je razlika između najmanje i najvećevrijednosti period jitter-a. Efektivna vrijednost period jitter-a je standardna devijacija mjerenih

perioda. Drugi uobičajeni način defisanja dţitera je ciklusni dţiter (cycle-to-cycle jitter). To je

mjera razlike trajanja perioda dva uzastopna ciklusa. Izvršna vrijednost period jitter-a moţe sesmatrati gornjom granicom cycle-to-cycle jitter-a i mada je cycle-to-cycle jitter moguće zasebnomjer iti, vršna vrijednost period jitter-a predstavlja dobru aproksimaciju njegovog maksimuma,

pogotovo u sistemima u kojima nije prisutna modulacija. Kada se neki signal predaje i prima,

tada fizički proces nazvan šum je uvijek pridruţen predaji-i- prijemu. Šum u suštini predstavljajuneţeljeni signali koji se dodaju idealnom signalu. Sa tačke gledišta digitalne komunikacije,informacija koja se prenosi i procesira kodira se logičkim bitovima 1 i 0. Pri tome, idealni signal

se moţe predstaviti trapezoidalnim talasnim oblikom koji ima konačno vrijeme porasta prednje

ivice (prelaz iz stanja 0 na 1), kao i konačno vrijeme opadanja zadnje ivice (prelaz iz stanja 1 na

0). U prisustvu šuma, idealni signal se sabira sa šumom pa se tako dobija aktuelni signal. Ako se

signalu ne dodaje (sabira) šum tada aktuelni signal je identičan talasnom obliku idealnog signala.

Kada se šum dodaje, aktuelni signal se razlikuje od idealnog.

Slika 1. Idealni signal u odnosu na šumni signal kod digitalnog prenosa

1.




Devijacija šumnog-signala u odnosu na idealni moţe se posmatrati kroz sledeća dva aspekta:tajming devijacija i amplitudna devijacija. Amplituda digitalnog signala kod bakarno zasnovanih

sistema predstavlja napon, dok kod optičko-baziranih i radio-frekventnih beţičnih sistema to predstavlja snaga (energija). Devijacija amplitude signala (ΔA) se definiše kao amplituda šuma(ili jednostavno šum), a devijacija vremena (Δt) se definiše kao tajming-dţiter (ili jednostavno

dţiter). Amplituda šuma je konstantna funkcija i ima efekat na performanse sistema u toku celog

vremena. Sa druge strane, tajming-dţiter utiće na performanse sistema samo kada se javljaju

prelazi u signalu (sa 1 na 0 ili sa 0 na 1). Integritet signala, u opštem slučaju, se definiše kao bilokoja devijacija u odnosu na idealni talasni oblik. Zbog toga, integritet signala, u širem smislu,uključuje kako uticaj amplitude šuma tako i uticaj tajming-dţitera. Ipak, određene signature

signala k akve su premašaji (overshoot), podbačaji (undershoot), kao i oscilovanja (ringing) ne

mogu se tretirati kao šum ili dţiter .

Slika 2. Neke ključne signature integriteta signala

1.1. Urođeni šum i džiter

Urođeni šum posledica je slučajnih (proizvoljnih) kretanja i fluktuacija elektrona i

šupljina koje egzistiraju kod svih elektro-optičkih poluprovodničkih kola/uredja ja. Ovaj tip

šuma se moţe minimizirati, ali se ne moţe u potpunosti eliminisati. Zbog ovoga, urođeni

šum postavlja fundamentalno ograničenje koje se odnosi na per formanse sistema i

ur edjaja, kao i na dinamički opseg rada tih uredjaja. Standardni tipovi urođenih šumovakod elektro-optičkih uredjaja su termički šum, šum sačme, i fliker šum.

2.




Uzrok termiĉkog šuma je proizvoljno kretanje nosioca tovar a kroz materijal. Kinetičkaenergija proizvoljnih fluktuacija kod kretanja električnih tovara (elektrona i šupljina)srazmjerna je temperaturi, kao i srednjoj-kvadratnoj brzini. Spektralna gustina snage(power

spectrum density- PSD) termičkog šuma (odgovara belom šumu) proporcionalna jenjegovoj temperaturi. Termički šum odredjuje osnovnu granicu performansi koje se tićuodnosa signal šum(SNR) iz razloga što ovaj šum egzistira u svimelektro/optičkim/poluprovodničkim uređajima koji rade (operativni su) pri ne-nultoj

apsolutnoj temperaturi. Termički šum u stručnoj literaturi često se naziva Johnson-ov šumili Nyquist-ov šum. Šum saĉme generiše tok (struju) individualnih kvatiziranih nosioca, a posledica je

egzistencije potencijalne barijere poluprovodnika. Sačma šum se generiše u proizvoljnim(slučajnim) vremenskim trenucima. Drugim rečima, šum sačme se javlja zbog slučajne

fluktuacije struje. Ovaj šum direktno je proporcionalan jednosmjernoj(DC) struji polarizacije elektonskih komponenata, i obično je veći od termičkog šuma. Fliker šum je fenomen čija je snaga šuma, u širem fr ekventnom opsegu, inverzno

proporcionalna frekvenciji. Fliker šum postoji kod svih aktivnih komponenti, a takođe i

kod nekih pasivnih komponenti kakvi su ugljeni otpornici. PSD fliker šuma proporcinalna

je sa 1/fα, gdje je eksponent α pri bliţan jedinici, pa se zbog toga ovaj šum naziva 1/f šum. Šum se obično opisuje koristeći fizičke veličine ili parametre. Kod komunikacionih,

računarskih, i elektronskih sistema, ove veličine se odnose na (koriste se za predstavljanje) napon, struju, ili snagu. Obično za prezentaciju ovih fizičkih veličina se

koristi amplituda.

Slika 3. Konverzija linearne-amplitude šuma u tajming -džiter

3.




Kao što se moţe vid jeti sa slike 3. amplituda šuma ΔA, odgovarajućeg tajming dţiterase smanjuje kako se nagib povećava, i obrnuto. Da bi konvertovanu vrijednost tajming-

dţiter -a odrţali manjom, neophodno je da nagib signala bude veliki. U kontekstu

digitalnih signala to znači da vrijeme porasta prednje ivice, kao i opadanje zadnje ivice,

impulsa treba da budu kratka.

1.2. Neurođeni šum i džiter

Neurođeni J&N-i javljaju se usled nesavršenosti projektanskih rešenja. To znači da se ovitipovi J&N-a mogu kontrolisati, ili fiksirati, putem poboljšanja dizajn rešenja.

Tipični predstavnici J&N-a iz ove grupe posledica su:

a) postupaka modulacije (amplitudna, frekventna, fazna, ili neka kombinacija),

b) distorzije faktora popune signala (dutycycle distortion- DCD),

c) intersimbolne interferecije (ISI),

d) preslušavanja,

e) nepoţeljnih interferencija kakve su elektromagnetne interferencije( EMI) koje se javljaju

zbogradijacije, i

f) refleksije signala uzrokovane neprilagođenim medijuma, i dr.

1.3. Periodični šum i džiter

Periodični šum ili dţiter je tip signala koji se periodično ponavlja. Uzroci pojave

periodičnog dţitera su različiti modulacioni mehanizmi kakvi su amplitudna, frekventna i

fazna modulacija. Šta više, modulaciona funkcija moţe da ima različite forme (sinusna,

trougaona, trapezna, i dr.) U suštini periodični amplitudni šum uzrokuje pojavu periodičnogtajming-dţitera, pri čemu je amplituda inverzno proporcionalna nagibu ili košenju(slewrate) ivice pravougaonih impulsa. Kod računara, periodični šum ili dţiter uzrokovan jeradom DC/DC konvertora, spread-spectrum taktnog generatora, izvora EMI-a, i dr.

4.




Slika 4. Periodični džiter

1.4. Klasif ikacione šeme džitera i šuma

Dţiter i šum su sloţeni statistički signali koji se sastoje od većeg broja komponenata. U cilju

njihove klasifikacije fokusiraćemo se prvo na dţiter, ali ćemo iste k oncepte kasnije primjeniti i

na šum. Kategorizacija dţitera se moţe izvesti na veći broj načina. Ipak, čini se da jenajznačajnija ona kategorizacija koja se zasniva na fenomenologičkim osobinama dţitera (slika

4).

Na prvom nivou kategorizacije dţiter se moţe podeliti na sledeće komponente:

1) deterministički dţiter (deterministic jitter - DJ), i

2) slučajan dţiter (random jitter - RJ)

Slučajan dţiter je nepredvidljiv i obično je uzrokovan fizičkim prcesima koji generišu šum.Distribucija slučajnogšuma ima osobine Gaus-ove raspodele. Deterministički šum, sa drugestrane, je predvidljiv. Na narednom nivou kategorizacije pravi se razlika izmedju

ograničenog(bounded) i neograničenog(unbounded) dţitera. Amplituda DJ-a je ograničena, aovakav tip dţitera ima konačnu distribuciju. Sa druge strane amplituda RJ-a je neograničena, tjnjegova vrijednost od vrha do vrha premašuje maksimalne granice kako se perioda observacije

povećava. U okviru determinističkog dţitera, dţiter se moţe dalje klasifikovati na periodični(PJ), podatočno-zavisni dţiter (DDJ), i ograničeno nekorelisani dţiter (BUJ). DDJpredstavljakombinaciju DCD i ISI dţitera.

5.




Kod slučajnog dţitera postoje dva ti pa, prvi je GJ(single Gaussian jitter), a drugi MGJ(multiple

Gaussian jitter). Periodični dţiter (PJ) je repetitivan u odnosu na određenu frekvenciju, a njegov

uzročnik su elektromegnetne smetnje od određenih periodičnih signala kakvi su oni koji potićuod oscilatora ili DC/DCkonvertora. Ne postoji jasna definicija o pomu koji se odnosi na

neperiodični dţiter: U principu sve ono šti nije periodično je po definiiji neperiodični dţiter.Drugi način klasifikacije dţitera se zasniva na činjenici da li je dţiter korelisan u odnosu naoblik-podataka (data pattern) ili taknih impulsa, ili nije korelisan. Shodno tome razlikujemo

korelisani dţiter (correlated jitter) i nekorelisani dţiter (uncorrelated jitter). Svaka dţiter komponenta ima svoj specifični uzročnik i karakteristike. Tako na primjer, uzrok pojeve DJ-a

moţe biti ograničeni propusni opseg medijuma, r efleksija, preslušavanje, EMI, smetnje na

potencijalu voda za razvodne mase, periodične modulacije, ili zavisnosti od raznih oblika-

podataka. Uzrok RJ-a moţe biti termički šum, šum sačme, fliker šum, slučajna (random)modulacija, nestacionarna interferencija, idr.

Slika 4. Klasifikacija različitih komponenti džitera

6.




Na sličan način, kao i kod kalsifikacije dţitera, moguće je klasifikovati i komponente šuma.

Na slici 5. prikazana je klasifikaciona šema šuma.

Slika 5. Klasifikaciona šema šuma

2. EFEKAT DŢITERA I NJEGOVO MJERENJE KOD TVSIGNALA

Digitalni prenosni sistemi mogu funkcionisati sa značajnom količinom dţitera; u stvari, čak imnogo više nego što se to moţe tolerisati u progrmskom signalu za serijske digitalne signale je:vrijeme uspona ivica signala podataja treba da bude unutar intervala 0.25 ns prosječnogvremena uspona ivica signala, kao što je određeno periodom od jedne linije.

Za paralelne komponente signale, specifikacija dţitera za signal sa clock -om od 27 MHz

zasnovana je na činjenici da dţiter mora biti u opsegu od 3 ns prosječnog vremena uspona ivice

signala, računatog tokom najmanje jedne poluslike. U specifikaciji NTSC kompozitni digitalni

signal ovo vrijeme 5ns. Takođe, postoji specifikacija i za dţiter u AES/EBU standardu zadigitalni audio signal.

Dţiter, šum, amplitudske promjene i druga izobličenja serijskog digitalnog signala mogu se javiti procesiranjem digitalnih signala putem distribucionih pojačavača, matrica i ostale opreme koja procesira signal isključivo u serijskom digitalnom domenu. Na slici 6. moţe se viđeti da

oporavljeni signal moţe biti jednako dobar kao i originalni signal, ako su podaci na prijemnojstrani detektovani putem clock signala bez dţitera.

7.




Sve dok šum i dţiter ne prekorače prag tolerancije električnih kola za detekciju signala, podaciće biti perfektno rekonstruisani.

Slika 6. Oporavljanje podataka sa clock signalom bez džitera

U praktičnim sistemima, clock izdvojen iz serijskog niza podataka sadrţaće malo dţitera prisutnog u signalu. Dţiter u clock signalu moţe biti i pozitivna stvar, da bi u određenoj mjeri

pomogaoodređivanju ivice clock signala u sredini “otvora oka”. Veliki iznosi niskofrekventnog

dţitera moţe se tolerisati u prijemnicima serijskog signala, ako clock prati lokaciju “otvora oka”kao poziciju promjenljivu u vremenu. Primjer dţiter osjetljivosti u prijemniku prikazan je na slici7, gdje kosa linija predstavlja iznos dţitera koji moţe prouzrokovati greške u podacima na ulazu prijemnika. Za niske frekvencije dţitera, varijacije u poziciji “otvora oka” do nekolikofrekvencija dţitera povećava, tolerancija u prijemniku se smanjuje na vrijednost od oko 0,25 jediničnih intervala. Tačka prekida na krivoj tolerancije zavisi od tipa PLL kola upotrebljenogclock signala.

8.




Slika 7. Osjetljivost prijemnika na džiter

U odnosu na izvjesni iznos dţitera u izdvojenom clock signalu upotrebljenom za oporavljanje

podataka, definisana su dva tipa dţitera:

Vremenski dţiter je definisan kao varijacije u vremenu značajnih trenutaka (kao što su prelasci u „nule“) digitalnog signala u odnosu na clock bez dţitera ispod određene niskefrekvencije (oko 10 Hz).

Centrirani dţiter (ili relativni dţiter) je definisan kao varijacije u vremenu značajnihtrenutaka (kao što su prelasci u „nule“) digitalnog signala u odnosu na clock izdvojen iz

samog signala. Ovaj clock će imati komponente dţitera ispod 10 Hz, ali ne i k omponente

ispod viših frekvencija u opsegu od 1 Khz do 10 Khz.

Pošto će podaci generalno biti oporavljeni korišćenjem clock signala sa dţiterom, rezultujućadigitalna informacija moţe imati dţiter na prelaznim ivicama, kao što je prikazano na slici 8. To je još uvijek validna informacija, pošto digitalni signal procesira samo sa odgovarajućimvisokim/niskim vrijednostima na sredini clock perioda. Ipak, ako je isti clock signal sa dţiter upotrebljen da konvertuje digitalnu informaciju u analognu, mogu se javiti greške, kao što je prikazano na slici 9.

9.




Slika 8. Oporavljavanje signala sa izdvojenim clock signalom

Uticaj na talasni oblik analognog signala dobijenog korišćenjem istog clock signala za digitalno-

analognu konverziju i z izdvajanje podataka iz serijskog signala, zavisiće od količine dţitera (u jediničnim intervalim) i od broja kvantizacionih nivoa u digitalizovanom signalu. U onim D/Akonvertorima gdje se zahtijeva redukovana količina dţitera, moţe se upotrijebiti kolo prikazanona slici 10. gdje High Q phase-locked kolo proizvodi clock signal sa mnogo manjim dţiterom.

Slika 9. Greške u signalu zbog džitera u clock signalu

10.




Slika 10. D/A konvertor sa malim sadržajem džitera u clock signalu

Situacija za paralelni digitalni video signal je veoma slična; ipak, praktična primjena segneralno izbjegava. To je zbog toga što većina ili svi paralelni digitalni video clock signali imaju

dţiter u opsegu id 1 ns ili manjem, i svi ili većina prijemnika paralelnog digitalnog video signalane dozvoljavaju ili ne računaju sa clock signalom koji ima više od ove male količine dţitera.

Za 525/625 video signale, na ulazu u 10- bitni D/A konvertor, dozvoljeni dţiter u clock

signalu baziran je na frekvenciji burst signala, odnosno 25% amplitude signala (što je otprilike jednako amplitudi burst-a). prouzrokujući manje od jedne LSB greške.

Za serijske digitalne sisteme vlada uvjerenje da bez obzira što je niskofrekventni dţiter veći od nominalne vrijednosti od 0.5 ns, on bi trebalo da bude dozvoljen. To je zato što bi clock

signalli izdvojeni iz svih serijskih digitalnih signala trebalo da odgovaraju kao ulazni signali

izdvojeni u D/A konvertore, bez korišćenja redukcije dţitera ili bi D/A konvertori trebalo daimaju kola redukciju dţitera.

11.




Tabela 1. Specifikacije džitera za različite sisteme

3. METODE MJERENJA DŢITERA

U serijskom digitalnom domenu postoje tri metode mjerenja dţitera pomoći osciloskopa ilimonitora talasnog oblika. Mjerenje vremenskog dţitera zahtijeva referentni clock signal

koji ne sadrţi dţiter, kao što je prikazano u gornjem dijelu slike 6. Centrirani (relativni)

dţiter se mjeri korišćenjem clock signala izdvojenog iz serijskog signala, što je prikazano udonjem dijelu slike 11.

Slika 11. Mjerenje džitera korišćenjem referentnog clock signala

12.




Mjerenje vremenskog dţitera uključuje u suštini sve frekventne komponente dţitera, kao što je pokazano isprekidanim linijama na slici 12. Komponente dţiter frekvencije mjerene korišćenjemmetode mjerenja centriranog dţitera zavisiće od opsega kola za izdvajanje clock signala. Niţefrekventne komponente dţitera neće biti sadrţane zato što izdvojeni clock signal prati dţiter serijskog digitalnog signala. Ove niske frekventne komponente nisu značajne za oporavljanje

podataka, omogućujući da sistem za izdvajanje clock signala za mjerenje ima isti opseg kao

sistem za izdvajanje clock signala za oporavljanje podataka.

Slika 12. Mjerenje frekventnih komponenti džitera

Treći za posmatranje, ali ne i mjerenje dţitera jeste jednostavan, ali dosta obmanjiv metodzasnovan na samookidanju osciloskopa, prikazan na slici 13. Internim okidanjem u osciloskopu

na prednjim (ili zadnjim) ivicama talasnog oblika moguće je prikazati “dijagram oka” sazakašnjenjem u odnosu na tačku okidanja. Korišćenjem modernih digitalnih osciloskopa, velikakašnjenja mogu biti dobijena sa izuzetno malim iznosom dţitera koji se moţe pripisati kolima zakašnjenje u osciloskopu. Na prvi pogled ovo liči na put kojim se direktno moţe dobiti “ dijagram

oka”, pošto kolo za izdvajanje clock signala nije neophodno. Problem je taj što što su frekventnekomponente dţitera, koje se mjere, funkcije kašnjenja. Kao rezultat svega toga neke frekventnekomponente dţitera neće biti mjerene, dok će druge pokazivati dvostruko veće vrijednosti odonih koje se mogu očekivati. Mada postoji niskofrekventni filter u ovom tipu mjerenja, oblik

karakteristike filtra je mnogo drugačiji je mnogo drugačiji nego oblik signala dobijenizdvajanjem clock-a,

13.




tako da rezultati ne mogu da budu dobra indikacija sposobnosti prijemnika da rekonstruiše podatke iz serijskog niza podataka.

Slika 13. Posmatranje džitera sa samookidanjem

U mnogim današnjim serijalajzerima postoji značajna komponenta dţitera na jednojdesetini clock frekvencije (u skladu sa multiplikacijom brojem 10 u serijalajzeru). Mjerenje sa

samookidanjem neće pokazati dţiter na desetom prelasku u “nulu”. S druge strane mjerenje saostalim prelascima u “nulu” moţe pokazati dvostruko veće vrijednosti dţitera. Ono štokomplikuje stvar jeste da ako je desetina frekvencije praksi, peti prelazak pokazuje dosta dţitera,samo deseti, dvadeseti, trideseti itd. prelazak će biti gotovo bez dţitera.

Odgovarajuće mjerenje dţitera trebalo bi izvršiti primjenom metoda sa izdva janjem clock

signala, što je uslovilo da SMPTE razvije metode za mjerenje i specifikaciju dţitera za serijske

digitalne signale.

14.




4. Zakljuĉak

Ovaj rad je napisan kao Maturski rad u Elektrotehničkoj školi.

Osim navedenog, iz rada se mogu izvući sledeći značajni zaključci:

Dţiter predstavlja mjeru odstupanja periode oscilatora ili generatora digitalnog takta od

njene nominalne (nazivne) vrijednosti.

Šum u suštini predstavljaju neţeljeni signali koji se dodaju idealnom signalu.

Urođeni šum posledica je slučajnih (proizvoljnih) kretanja i fluktuacija elektrona i

šupljina koje egzistiraju kod svih elektro-optičkih poluprovodničkih kola/uredja ja.

Uzrok termiĉkog šuma je proizvoljno kretanje nosioca tovara kroz materijal.

Šum saĉme generiše tok (struju) individualnih kvatiziranih nosioca, a posledica je

egzistencije potencijalne barijere poluprovodnika.

Fliker šum je fenomen čija je snaga šuma, u širem fr ekventnom opsegu, inverzno

proporcionalna frekvenciji.

Neurođeni J&N-i javljaju se usled nesavršenosti projektanskih rešenja. To znači dase ovi tipovi J&N-a mogu kontrolisati, ili fiksirati, putem poboljšanja dizajn rešenja.

Periodični šum ili dţiter je tip signala koji se periodično ponavlja.

Dţiter i šum su sloţeni statistički signali koji se sastoje od većegbroja komponenata

Sluĉajan dţiter je nepredvidljiv i obično je uzrokovan fizičkim prcesima koji generišušum.

Dţiter, šum, amplitudske promjene i druga izobličenja serijskog digitalnog signala mogu

se javiti procesiranjem digitalnih signala putem distribucionih pojačavača, matrica i

ostale opreme koja procesira signal isključivo u serijskom digitalnom domenu Vremenski dţiter je definisan kao varijacije u vremenu značajnih trenutaka (kao što su

prelasci u „nule“) digitalnog signala u odnosu na clock bez dţitera ispod određene niskefrekvencije (oko 10 Hz).

Centrirani dţiter (ili relativni dţiter) je definisan kao varijacije u vremenu značajnihtrenutaka (kao što su prelasci u „nule“) digitalnog signala u odnosu na clock izdvojen iz

samog signala.

U serijskom digitalnom domenu postoje tri metode mjerenja dţitera pomoći osciloskopaili monitora talasnog oblika

15.




Literatura:

Aleksandar Lejić, Analiza i mjerenje televizijskih video signala , Viša ETŠ Beograd 2006.

www.wikipedia.com




Komentar:

Ocjena rada _____________

Odbrana rada _____________

Opšta ocjena _____________

Komisija:

Predsjednik ______________

Ispitivač ______________

Stalni član ______________

Datum: ____________

efekat dŽitera by beksona

Documents