光通信系统中的抖动与漂移


I.抖动

抖动是电信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。

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SONET对此的定义:

“抖动可以定义为数字信号在重要时点上偏离理想时间位置的短期变化。”

“Jitter is defined as the short-term variations of a digital signal's significant instants from their ideal positions in time.”

这个定义指明了抖动的本质,但在明确使用这一定义前,还必须具体了解某些单独的术语( 短期、重要时点、理想位置)。

短期”的界定:抖动(Jitter)与漂移(Wander)的关系

根据惯例,人们在对偏差与时间关系进行傅立叶分析的基础上,把定时偏差分成两类,分别称为抖动和漂移,发生得慢的定时偏差称为漂移。抖动则是指发生得比较快的定时偏差。

一般把漂移和抖动之间的门限定义为0.01 Hz,但也可能会遇到其它定义。在许多情况下,漂移对串行通信链路影响很小或没有影响,因为时钟恢复电路可以有效地消除漂移。

重要时点”的界定:参考电平

根据定义,重要时点是指数字信号的逻辑状态之间的转换或边沿。更具体地说,重要时点是指转换信号跨过选定的振幅门限的那一刻,振幅门限可以称为参考电平或判定门限。对两个电平的信号( 这是迄今最常见的情况),通常使用信号电压平均值作为这个参考电平。如果将由Schmitt 触发器输入接收相关信号,那么在分析上升沿时,可能希望使用一个参考电平,在分析下降沿时可能希望使用不同的参考电平。

在定义中,“数字信号” 可能是比较乐观的说法,因为对高速信号,转换是具有上升时间和转换速率限制的模拟事件。在很短的有限时间内,在信号倾斜通过参考电平时,破坏波形的任何电压噪声将成比例转换成时间的抖动。

理想位置”的界定:时钟恢复

在能够测量数字信号偏离理想位置之前,必须先识别理想位置。对时钟类信号(1 和0 交替),理想位置在概念上与无抖动时钟对应,无抖动时钟的中间频率和相位与被测时钟相同。对数据信号要特别注意,因为当相同位在一行中重复两次以上时,不会发生任何事件( 转换)。时钟恢复是指建立参考时钟定时的过程。

抖动的大小或幅度通常可用时间、相位度数或数字周期来表示。根据ITU建议,普遍采用数字周期来度量,即用“单位间隔”或称时隙(UI)来表示。1UI相当于1比特信息所占有的时间间隔,它在数值上等于传输比特率的倒数。如传输1Mbit/s脉冲信号,1UI=1us。

数字传输系统中,抖动的来源有以下几个方面:

1.线路系统的抖动

线路系统的抖动可以分为随机性抖动源和系统性抖动源两种。

(1)随机性抖动源

(a)各种噪声源

系统中的各种噪声都会使信号脉冲被形产生随机畸变,使定时滤波器的输出信号波形产生随机的相位寄生调制,形成抖动。

(b)定时滤波器失谐

当定时滤波器失谐时,会产生不对称的输出波形,造成时钟分量幅度和相位上的调制,引起定时抖动。

(c)时钟相位噪声

时钟的相位噪声,将导致定时信号相位抖动。

(2)系统抖动源

在一个理想的设备中,信号图案对输出定时信号的相位没有影响,但由于设备存在的种种缺陷,就会造成定时信号的相位变化,形成抖动。

(a)码间干扰

为了降低均衡器成本,一般允许有少量的码间干扰存在。但随着温度变化和元器件老化,码间干扰会增大,使信号通过非线性元件后产生输出脉冲峰值位置的随机偏移,形成定时抖动。

(b)限幅器的门限偏移

限幅器的门限会随温度变化和元器件老化而偏移。从而使输出脉冲位置随输入信号的幅度而变化,而输入信号的幅度与传输信息的图案有关,从而形成图案相关抖动。

(c)激光器的图案效应

在高比特率系统中,由于脉冲重复周期变短,激光器的有限通断时间对传输的图案的影响增大,结果导致图案相关抖动。

2.复用器的抖动

(1)PDH复用器的抖动

PDH体制的复用器在把各支路信号复用成高速复用信号时,通常采用插入一些比特的正码速调整方法。然而在接收分用侧,为了恢复原有的支路信号需要把这些附加的插入比特全部扣除,从而形成了带空隙的脉冲序列。由这样的非均匀脉冲序列所恢复的时钟就会带有相位抖动。

(2)SDH复用器的抖动

在SDH复用器中,支路信号的同步是采用所谓的指针调整,调整将产生相位跃变。由于指针调整是按字节为单位进行的,一个字节含8bit,因而一次字节调整将产生8UI的相位跃变。如对于140Mbit/s支路信号来说指针调整按3个字节单位进行的,因而一次调整将产生 24UI的相位跃变。带有相位跃变的数字信号通过带限电路时,会产生很长的相位过渡进程。

II.漂移

发生得慢的定时偏差称为漂移,引起漂移的一个最普通的原因是环境温度变化,它会导致光缆传输特性发生变化,从而引起传输信号延时的缓慢变化。因此漂移可以简单地被理解为信号传输延时的慢变化。

漂移引起传输信号比特偏离时间上的理想位置,结果使输入信号比特在判决电路中不能正确地识别,产生误码。减小这类误码的一种方法是靠传输线与终端设备之间接口中的缓存器来重新对数据进行同步。方法是利用从接收信号中提取的时钟将数据写入缓存器,然后用一个同样的基准时钟对缓存器进行读操作,使不同相位的各路数据流强制同步。

从原理上看,数字网内有多种漂移源。首先基准主时钟系统中的数字锁相环受温度变化影响,将引入不小的漂移。同理,从时钟也会引入漂移。其次,传输系统中的传输媒质和再生器中的激光器产生的延时受温度变化影响将引进可观的漂移。最后SDH网元中由于指针调整和网同步的结合也会产生很低频率的抖动和漂移。因此,整个网络的漂移主要是由各级时钟和传输系统引起的,特别是传输系统。

在电信网中,一般采用主从同步方式,即将基准主时钟在光纤传输链路上进行分配。基准主时钟有内部漂移,带有漂移的时钟信号传给较低等级的从时钟节点。由于漂移频率太低,难以为典型的锁相环和声表面波滤波器所滤除,因而接收定时基准的低等级从时钟将跟踪这一漂移并附加上自身产生的漂移。作为定时分配系统的光缆传输链路也将全透明地传递漂移并叠加上本身产生的漂移。因此,随着传输距离的增加,漂移将无限制的积累。

数字网中产生漂移的主要原因是时钟电路的老化和传输媒质的传输特性。ITU建议 G.811暂时规定基准主时钟的最大长期绝对漂移为3μs。建议G.812规定用于转接局和端局的从时钟的最大相对长期漂移为1μs,建议G.813对适用于SDH网元的从时钟尚未有明确一致的规定。对于传输媒质没有单独规定,但已纳入到对网络节点接口最大时间间隔误差(MTIE)的要求之中。

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实际网络中,信息和时钟可能来自完全不同的两条路由,在极端情况下,两者可能有相反的相位漂移方向。建议G.823要求设备对这样极端的情况最大相对相位偏移为18μs,即输入信号与内部定时信号(由基准主时钟导出)之间的最大相位偏移不得超过18μs。

参考连接:1.抖动的定义

                   2.南邮光纤通信与数字传输教案


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