Il Jitter: Misure e Strumenti

Con il termine “Jitter” si intende la variazione randomica, incontrollata, indesiderata, di parametri quali ad esempio, ampiezza, frequenza e fase di un segnale. Si può quindi ben comprendere quali possono essere le negative ricadute nel trattamento dei segnali nel settore delle telecomunicazioni, specialmente nelle comunicazioni ad alta ed altissima frequenza. Infatti il jitter può generare errori nei circuiti e dispositivi, sia nella fase di acquisizione che di elaborazione dei segnali. Di conseguenza scaturisce la necessità di avere a disposizione validi strumenti di misura specializzati nei test di rilevamento e caratterizzazione del jitter presente all’interno dei segnali.

Introduzione

Nel settore delle telecomunicazioni le specifiche relative ai limiti tollerabili di presenza del jitter e come misurarli, sono definite e stabilite da organismi che decidono gli standards. Questi standards sono dei veri è propri documenti di linee guida che, oltre ad indicare i valori di test previsti, forniscono istruzioni ben precise sulle modalità di effettuazione delle misure, nonché i requisiti che devono avere gli strumenti impiegati nei test. L’introduzione nelle applicazioni ad alta velocità di trasmissione dati di nuovi bus, raramente uniformi, rende complicata la definizione ottimale della tipologia di test del jitter necessaria. Gli ingegneri e i tecnici addetti ai test, devono quindi, di volta in volta, dedurre la migliore soluzione, direi, la più orientata soluzione, di test. I principali sistemi di trasmissione dati digitale dei settori standard di mercato coinvolti nella definizione e determinazione delle misure di jitter sono: SONET/SDH/OTN, Ethernet, InfiniBand, PCI Express e i Serial ATA. Ad esempio, nel caso dei sistemi SONET/SDH/OTN, lo standard internazionale relativo impone che il jitter sia inferiore a 10 Hz. Infatti in questi sistemi il jitter è definito come una frequenza conseguente ad una indesiderata modulazione di fase. Valori rilevati di frequenze relative a non desiderate modulazioni di fase, il cui valore è al di sotto dei 10 Hz, vengono definite dall’organismo internazionale dello standard, “wander“ (scostamenti).

La strumentazione deve essere scelta in funzione del tipo di test che deve essere condotto relativamente alla tipologia di parametri del segnale che si intende monitorare e di cui si vuole misurare l’entità del jitter. Ad esempio, alcuni strumenti possono essere più adeguati nell’ambiente di ricerca e sviluppo, quindi si tratta di strumentazione avanzata, sofisticata, molto precisa, costosa. Altra tipologia di strumenti è quella più adeguata nel settore industriale, là dove viene richiesta una più alta velocità nei test e un minor costo. Una particolare attenzione deve dunque essere prestata nel caso di influenza del jitter nella trasmissione dati ad alta velocità in cui, ad esempio, lo slittamento di frequenza può causare errori e di conseguenza il rallentamento delle comunicazioni. Vi è dunque un impatto sulla necessità dell’accuratezza delle misure e relativamente alla scelta di strumenti disponibili per l’osservazione e l’analisi del jitter.

Le Misure del Jitter

Il jitter è presente all’uscita di un dispositivo come un disturbo in quanto è un elemento indesiderato all’interno del segnale, in effetti può essere considerato una caratteristica elettrica interna, intrinseca del dispositivo, poiché generatosi da componenti attivi instabili del dispositivo stesso. Può presentarsi come segnale interferente sovrapposto al segnale utile, sotto forma di variabile ripetitiva o casuale. Il jitter viene misurato in unità di intervalli di valori RMS o picco-picco. In considerazione dell’andamento aleatorio del jitter, la strumentazione impiegata per misurare questo indesiderato segnale, deve presentare come requisito essenziale bassissimi valori di jitter affinché il jitter intrinseco degli strumenti non influenzi la precisione della misura. Inoltre, al fine di elevare la sensibilità di misura, i sistemi di misura adottano filtraggi molto spinti per limitare in banda lo spettro delle frequenze relative al segnale di test.

Nel set-up del sistema di misura occorre tener conto della tipologia di segnale cui è sovrapposto il jitter al fine di specializzare le modalità operative di test; infatti, se venisse utilizzato un set-up per tutte le tipologie di segnale, il risultato delle misure potrebbe essere molto diverso e quindi non affidabile. Ad esempio, misurare il jitter sovrapposto ad un semplice segnale ripetitivo 0-1-0-1…0-1 non è come misurarlo rispetto ad un segnale più complesso come ad esempio il PRBS (pseudo-random-bit-sequence), quindi da qui l’importanza fondamentale di identificare preventivamente la tipologia di dati trattati dal dispositivo inficiato dal jitter.

Stabilire la Tolleranza del Jitter di un dispositivo

I tecnici ingegneri addetti alla misura del jitter, una volta stabilito il tipo di segnale di trasmissione all’uscita del dispositivo, devono stabilire la tolleranza del dispositivo relativamente al caso peggiore di presenza del bitter generatosi in una delle varie sezioni circuitali. Quindi si tratta di stabilire l’errore conseguente, in genere valutando il BER,  applicando una sorgente  di segnale di stimolo con l’aggiunta di jitter di andamento sinusoidale all’ingresso del dispositivo sotto test. Un metodo di misura di tolleranza è quello di incrementare l’ampiezza di ogni frequenza di jitter fino a rilevare gli errori di trasmissione dati. Un altro metodo consiste nell’iniettare un predefinito livello di ingresso di jitter e verificare l’assenza di errori all’uscita del dispositivo. Ovviamente questo è un caso di misura in cui viene stabilito a monte che un certo dispositivo deve poter tollerare un preciso specificato livello di jitter eventualmente presente durante la trasmissione dati. L’utilizzo di una sorgente di jitter sinusoidale consente la semplificazione delle misure, ma nella realtà un segnale di jitter può avere qualsiasi forma.

Gli Strumenti per la misura del Jitter

Nella precedente descrizione di misure di jitter abbiamo visto metodologie basate sulla iniezione di jitter e conseguente valutazione della risposta del dispositivo, e metodologie basate sulla misura dell’entità del jitter. Quindi, da ciò si evince la necessità di avere a disposizione due categorie di strumenti necessari per una completa analisi e valutazione del jitter: strumenti atti ad essere utilizzati come sorgenti di stimoli, strumenti per la misura e l’analisi. Alla prima categoria appartengono i generatori di impulsi e di modellamento del segnale di sorgente. La categoria di strumenti di misura e analisi consente una completa caratterizzazione del jitter in ampiezza e forma.

I generatori di impulsi, essendo impiegati come sorgenti di segnali con jitter, devono essere molto precisi e privi di errori, sia di fase che di ampiezza, quindi devono essere a basso rumore di fase e stabili in ampiezza. Devono essere in grado di realizzare segnali personalizzabili dall’utente al fine di emulare streams di dati con velocità fino al megabit. Ciò significa che devono disporre di controlli di jitter così da consentire precisi livelli all’ingresso dei dispositivi sotto test di cui, conseguentemente, ricavarne una più precisa risposta agli impulsi di jitter e il rilevamento della tolleranza del dispositivo. La misura dell’entità e della forma del jitter viene invece ottenuta da sistemi di analisi del rumore di fase e del basso livello di jitter. Questi strumenti garantiscono il più alto livello di precisione nella misura di frequenze contenenti jitter. Sono strumenti digitali molto avanzate con caratteristiche prestazionali molto elevate, grazie anche al basso livello intrinseco di jitter, al bassissimo rumore di fase e ampiezza, alla alta velocità di campionamento e alla prestazione di misure molto selettive a banda stretta.

Fra questi strumenti di misura ed analisi, rispetto all’analizzatore di spettro, nelle misure di bassi livelli di jitter assume rilevanza l’analizzatore di rumore di fase. Viene infatti preferito quando si deve effettuare l’analisi dei dispositivi basati su PLL, VCO, oscillatori al cristallo ed altri sistemi di clock e di riferimento, ovvero in tutte le situazioni ove la più piccola variazione di parametri può determinare il malfunzionamento di tutto il sistema.

Un altro strumento di misura e di analisi è l’oscilloscopio digitale a larga banda, definito in gergo tecnico inglese “High-speed, real-time digital storage oscilloscopes (DSOs)”. Questa tipologia di strumenti consente la misura di segnali seriali di velocità di circa due volte inferiore alla larghezza di banda dell’oscilloscopio. Le prestazioni degli oscilloscopi DSO riescono a misurare livelli di jitter dell’ordine del picosecondo. La figura 1 mostra un banco di misura del bitter di un dispositivo con oscilloscopi digitali DSO. La figura 2 mostra la schermata di un oscilloscopio digitale rappresentante l’analisi del jitter di un segnale di clock attraverso la simultanea visualizzazione su più tracce di diversi aspetti del segnale misurato.

Figura 1: esempio di test circuitali con oscilloscopi digitali a basso rumore e basso jitter

Figura 1: esempio di test circuitali con oscilloscopi digitali a basso rumore e basso jitter

 

Figura 2: analisi del jitter di un clock mediante rappresentazione multitraccia di un segnale rilevato con oscilloscopio digitale

Figura 2: analisi del jitter di un clock mediante rappresentazione multitraccia di un segnale rilevato con oscilloscopio digitale

 

Per ottenere la visualizzazione multitraccia con una singola acquisizione del segnale, come rappresentato nella figura 2, l’oscilloscopio DSO effettua il sovracampionamento del segnale da due a quattro volte la massima larghezza di banda. La figura 2 mostra il segnale di un clock a 456 MHz, l’istogramma di un punto di transizione del clock, il TIE (time interval error) in funzione del tempo e la trasformata FFT (fast Fourier transforms) del TIE. In questa tipologia di misure con il DSO, di cruciale importanza è la selezione ed il corretto uso del probe dell’oscilloscopio che spesso risulta essere l’anello debole del set-up di test. Il probe deve essere a larga banda, ovviamente almeno quanto è la banda dell’oscilloscopio. La potenza dell’oscilloscopio DSO sta anche nel fatto che una volta acquisito completamente il segnale, ovvero memorizzato al suo interno, è possibile effettuare il monitoraggio del segnale in diverse modalità, potendo così, come mostrato appunto nella figura 2, recuperare e visualizzare il segnale di clock completo, misurare l’errore dell’intervallo di tempo (TIE), misurare la FFT per determinare il contenuto di frequenze nel segnale, rilevare i parametri quali il duty-cycle, il rise-time e il fall-time del segnale e i parametri cycle-to-cycle, n-cycle, periodo e ritardo del jitter. Inoltre il connubio dei DSO con software dedicati realizza un sofisticato e potente sistema diagnostico.

L’analizzatore delle comunicazioni digitali (DCA) è uno strumento che fa parte della categoria degli oscilloscopi digitali ma,  rispetto ad essi, grazie alla tecnica del sottocampionamento, hanno la caratteristica peculiare di una banda di funzionamento più estesa potendo arrivare anche intorno ai 100 GHz. Grazie alla larghezza di banda più estesa, questo strumento consente di analizzare segnali di comunicazioni digitali seriali anche oltre i 3 Gb/s. Il metodo del sottocampionamento utilizzato dai DSA richiede però l’acquisizione ripetitiva del segnale da analizzare. Ciò significa che internamente lo strumento effettua, ad intervalli di tempo stabiliti dal segnale di Trigger, il prelevamento di frammenti del segnale ad ogni ripetizione del segnale intero, ricostruendo così la forma d’onda completa. Anche se questo metodo del sottocampionamento consente di ottenere estese larghezze di banda rispetto ai DCO, il tempo di acquisizione è maggiore, quindi impiega più tempo per la misura rispetto ai DSO, inoltre, il segnale di trigger deve avere il requisito di contenuto di jitter molto basso al fine di evitare slittamenti del trigger e conseguenti errori nella ricostruzione la forma d’onda del segnale sotto test.

I Tester del BER (Bit error ratio)

Il BER ha un ruolo fondamentale nelle comunicazioni digitali pertanto altrettanto fondamentali sono gli strumenti specializzati nelle misure del BER. Questi tester devono essere in grado di misurare  segnali seriali anche fino a 50 Gb/s e devono poter offrire la possibilità di generare stimoli all’ingresso dei dispositivi da analizzare, ma anche di rilevarne la relativa risposta, ovvero devono essere strumenti con funzionalità globali all-in-one. Devono inoltre essere versatili al fine di garantire la misura di diverse varietà di sistemi di comunicazione con la possibilità di regolazione dei livelli e forme d’onda delle sorgenti di stimolo da iniettare ai dispositivi da testare.

La Precisione di Misura del Jitter

Come detto precedentemente, per effettuare una misura di jitter con precisione, è importante conoscere la tipologia di segnale che si vuole analizzare. Utilizzare lo stesso sistema di misura per l’analisi di due diverse tipologie di segnali può quindi comportare una buona precisione per un tipo di segnale ma una scarsa precisione per l’altro tipo. Lo stesso discorso vale nel caso di rilevare l’entità di jitter di diverse forme d’onda o di diversa natura. Infatti, se vogliamo misurare il jitter di fase, è bene utilizzare un analizzatore digitale a basso rumore di fase e a basso jitter di fase; un jitter di ampiezza dovrà essere misurato con analizzatori a basso rumore di tensione e a basso jitter di tensione e così in via per altre tipologie di jitter. Quindi, un sistema di misura ottimale di precisione del jitter che tenga conto delle differenze fra i diversi parametri di segnale e di jitter, è un sistema che effettui il match, ovvero che abbini il sistema di misura alle caratteristiche del segnale, utilizzando una nota sorgente di stimolo al dispositivo di test, solitamente una sorgente di segnale sinusoidale in quanto facilmente regolabile in ampiezza e frequenza.

Conclusioni

Raramente nei progetti viene fatta un’analisi preventiva dell’impatto negativo che potrebbe arrecare l’insorgenza del jitter, se non quando ci si accorge che il dispositivo realizzato non funziona correttamente. È chiaro che parliamo di progetti complessi di dispositivi nel campo delle alte frequenze, sia di segnali digitali che analogici, in cui, ad esempio, la presenza del jitter può influire agendo in maniera aleatoria, casuale, ma anche con modalità ripetitive, alterando parametri critici di funzionamento di componenti cruciali per il funzionamento di un dispositivo, si pensi ad esempio, nel settore delle telecomunicazioni, agli oscillatori utilizzati nei ricevitori nel campo dell’analogico, oppure ai generatori di clock nel campo del digitale. Pertanto si evince la necessità di avere il controllo dei livelli del jitter mediante l’utilizzo di appositi, specializzati, avanzati strumenti di misura. Gli ingegneri progettisti devono avere la sensibilità di comprendere, studiare ed analizzare tutte le eventuali problematiche legate all’insorgenza del jitter, sfruttando la potenzialità di questi avanzati strumenti di misura.

 

 

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