Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ путей повышение технических характеристик РППЗ 13
1.1. Основные особенности РППЗ 13
1.2. Основные принципы построения РППЗ 19
1.3. Основные области применения РППЗ 25
1.4. Современное состояние и основные тенденции развития РППЗ 27
1.5. Выводы по главе 1 33
ГЛАВА 2. Анализ влияния излучаемой мощности на глубину зондирования в РППЗ 35
2.1. Анализ особенностей распространения радиоволн в природных средах 35
2.2. Исследование зависимости глубины зондирования от затухания в среде 41
2.3. Исследование зависимости глубины зондирования от амплитуды импульса возбуждения передающей антенны 46
2.4. Расчет максимальной глубины зондирования типовыми антенными блоками РППЗ для различных модельных сред 47
2.5. Выводы по главе 2 50
ГЛАВА 3. Теоретическое исследование методов измерения и анализа дрожания фазы в приемниках РППЗ 52
3.1. Анализ влияния дрожания фазы на динамический диапазон АЦП .52
3.2. Анализ основных особенностей джиттера в РППЗ 57
3.3. Анализ видов и причин возникновения джиттера 59
3.4. Обоснование величины допустимого джиттера 62
3.5. Анализ методов измерения джиттера в РППЗ 64
3.6. Исследование точности метода измерения джиттера 71
3.7. Разработка методов анализа джиттера 76
3.8. Выводы по главе 3 80
ГЛАВА 4. Разработка и экспериментальное исследование РППЗ 83
4.1. Цель и задачи эксперимента 83
4.2. Методика экспериментального измерения дрожания фазы в приемниках РППЗ 85
4.3. Результаты эксперимента по выявлению детерминированной составляющей в суммарном джиттере 89
4.4. Результаты экспериментального подтверждения правильности критерия допустимого джиттера 92
4.5. Сравнение эффективности различных методов анализа джиттера 93
4.6. Разработка практических методов уменьшения влияния джиттера 97
4.7. Выбор оптимального напряжения возбуждения передающей антенны РППЗ 102
4.8. Разработка и реализация оптимальной структуры РППЗ 105
4.9. Выводы по главе 4 109
Заключение 111
- Современное состояние и основные тенденции развития РППЗ
- Расчет максимальной глубины зондирования типовыми антенными блоками РППЗ для различных модельных сред
- Обоснование величины допустимого джиттера
- Результаты эксперимента по выявлению детерминированной составляющей в суммарном джиттере
Введение к работе
Актуальность темы. Радиотехнический прибор подповерхностного зондирования (РГШЗ) - это портативный геофизический прибор, предназначенный для обнаружения как металлических, так и не металлических объектов в различных средах. Исследуемой средой может быть земля, вода, стены зданий и т.п. Для РГШЗ характерна универсальность, позволяющая использовать данный класс приборов в геологии, транспортном строительстве, промышленном и гражданском строительстве, экологии, археологии, оборонной промышленности и т.д.
Первоначально РГШЗ применялись в чисто научных целях, например, при измерениях толщины материкового льда в Гренландии и Антарктиде. В последующие годы широкое развитие получили работы по созданию РГШЗ в интересах геологов, строителей, энергетиков, газовиков и других отраслей хозяйства.
За последние 10... 15 лет интерес к использованию РГШЗ находится в стадии постоянного бурного роста. Если раньше РГШЗ были посвящены отдельные редкие публикации в научных журналах, то теперь целые разделы конференций различных отечественных и международных геофизических и инженерно-геофизических обществ посвящены подповерхностному зондированию. К настоящему времени прошло уже двенадцать международных конференций, посвященных только РГШЗ, при этом охватывался практически весь спектр вопросов по данной тематике: сверхширокополосные антенны; аппаратная реализация; программное обеспечение; обработка сигналов и интерпретация; геофизические исследования; диагностика дорожного покрытия, строительных конструкций, коммуникаций и т.д.
На сегодняшний день развитие РГШЗ происходит в следующих основных направлениях: — разработка новых радиотехнических устройств формирования, приема и обработки сигнала, направленных на уменьшение шумов, увеличение
7 производительности и повышение стабильности работы РППЗ, в том числе разработка приемных устройств, работающих в реальном масштабе времени; разработка методов расчета, анализа и оптимизации компактных сверхширокополосных (СШП) антенн; создание метрологического обеспечения для измерения характеристик СШП антенн, отдельных узлов и РППЗ в целом; -разработка многоканальных РППЗ, существенно увеличивающих производительность работы и обеспечивающих получение трехмерных изображений; совершенствование методов зондирования и обработки полученных результатов, направленных на увеличение точности измерения глубины зондирования; разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения решения прямых и обратных задач СШП зондирования; разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для автоматизированной процедуры идентификации подповерхностных объектов;
Между тем, несмотря на существенные достижения в исследовании и разработке аппаратной части РППЗ, проблема далека от завершения. В частности, не найден приемлемый баланс между энергетическим потенциалом РППЗ и потребляемой мощностью, нет полной ясности в оценке зависимости достижимой глубины зондирования от излучаемой мощности, отсутствуют методы измерения и анализа дрожания фазы синхронизирующих сигналов (джиттер). Поэтому исследования, направленные на оптимизацию энергетического потенциала РППЗ, открывают новые возможности в области разработки и применения РППЗ. В связи с этим исследуемые в работе задачи являются актуальными.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка новых методов измерения и анализа основных технических характеристик РППЗ, направленных на оптимизацию энергетического потенциала РППЗ.
8 Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать зависимость глубины зондирования от амплитуды им пульса возбуждения передающей антенны;
2. Определить оптимальный диапазон амплитуд импульса возбужде ния передающей антенны;
Проанализировать основные особенности дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ;
Сформулировать требования к допустимой величине дрожания фазы синхронизирующих сигналов с учетом особенностей РППЗ;
Разработать метод измерения дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ и исследовать его точность;
Разработать методы анализа дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы статистической обработки, спектрального анализа, математического моделирования, математического анализа, методы объектно-ориентированного программирования, натурное моделирование и эксперимент. . Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Систематизированы данные о зависимости глубины зондирования РППЗ от величины удельного затухания в среде. Впервые установлен характер зависимости глубины зондирования от амплитуды импульса возбуждения передающей антенны.
Впервые определен оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны.
Рассчитана максимальная глубина зондирования различными типами антенных блоков РППЗ для различных модельных сред.
Исследованы причины возникновения дрожания фазы синхронизирующих сигналов (джиттер) в РППЗ. Проанализированы основные отличия джиттера в РППЗ от джиггера в системах передачи данных и системах с АЦП-преобразованием. Показано, что из-за этих отличий стандартные методы измерения джиттера для РППЗ неприменимы.
Впервые определена допустимая величина дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ.
Предложен метод измерения джиттера в РППЗ, исследована точность метода.
Впервые предложены эффективные методы анализа джиттера в РППЗ, позволяющие определять его статистические параметры, а также выявить наличие детерминированной составляющей в суммарном джиттере.
Разработана математическая модель джиттера, на которой была подтверждена корректность методов измерения и анализа джиттера.
Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований позволяют сформировать технический облик РППЗ на новых аппаратных и программных технологиях, обосновать технические требования для его отдельных узлов. Предложенные методы измерения и анализа основных характеристик РППЗ могут с успехом использоваться на любом этапе производства РППЗ - начиная от этапа разработки и заканчивая этапом сдачи ОТК.
Предложенные методы измерения и анализа джиттера можно использовать не только в РППЗ, но и в любой системе, где требуется измерять и анализировать периодические сигналы.
Реализация и внедрение результатов работы.
1. Научные и практические результаты работы использованы, в процессе выполнения ОКР по теме "Создание портативного радиотехнического прибора дистанционного зондирования сыпучих, навалочных и гомогенных грузов", шифр «Зонд-М», заказчик — Государственный таможенный комитет России. Разработанный в рамках ОКР РППЗ «Зонд-М» является штатным прибором контроля в таможенных органах РФ.
2. Основные результаты диссертационной работы использованы и внедрены при разработке и контроле характеристик серийно выпускаемых антенных блоков георадара «Око-2» производства ООО «Логические Системы» и при разработке программы GeoScan32, которая входит в комплект поставки серийного георадара «Око-2».
Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований, использованием различных аналитических способов оценки полученных результатов, апробацией предложенных методик на примерах, совпадением результатов теоретического анализа, численного математического моделирования на тестовых объектах и натурного эксперимента на серийном РППЗ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на следующих конференциях: Третьей международной научно-практической конференции «Георадар - 2002», Москва, 28 февраля - 2 марта 2002 г; Второй всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», Муром, 2006; Четвертой международной научно-практической конференции «Георадар - 2004», Москва, 29 марта - 2 апреля 2004г; Международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика», Геленджик, 2005 г; Второй международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика», Геленджик, 2006 г; Третьей международной научно-практической конференции «Инженерная геофизика», Геленджик, 2007 г; XXVI всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред», Санкт-Петербург, 2009г.
Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 17 печатных работ, из них 9 научных статей (2 статьи в коллективных монографиях, 4 статьи в научных журналах, входящих в список ВАК), 7 тезисов докладов, получен один патент.
Основные положения, выносимые на защиту:
Для значений удельного затухания, характерных для реальных сред, достигнутые к настоящему времени глубины зондирования по существу являются предельными, на практике возможно только их незначительное увеличение (до 20...30%). Существенное увеличение глубины зондирования требует мощности излучения в десятки мегаватт и практически невозможно.
Оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны лежит в интервале 100...800 В. Дальнейшее увеличение амплитуды малоэффективно из-за экспоненциального увеличения потребляемой мощности, конструктивных и технологических ограничений на передающее устройство, роста габаритов и стоимости РІД 13.
Допустимая величина дрожания фазы (джиттер) для РППЗ не должна превышать 1,6% от периода колебания центральной частоты спектра РППЗ. Превышение этой величины приводит к ухудшению динамического диапазона РППЗ.
Разработанный метод измерения джиттера в РППЗ, основанный на пересчете амплитудной ошибки в вызвавший ее джиттер, позволяет вычислять статистические параметры джиттера с учетом внутренних шумов системы и отличия реального зондирующего сигнала от синусоидального.
Разработанные методы анализа джиттера в РППЗ позволяют выявлять наличие детерминированной составляющей в суммарном джиттере.
Разработанная математическая модель джиттера в РППЗ позволяет исследовать точность и корректность методов измерения и анализа характеристик джиттера. На математической модели выяснено, что в диапазоне значений джиттера и внешних шумов, характерных для реального РППЗ, ошибка измерения не превышает 1%.
Структура диссертационной работы.
В главе 1 диссертационной работы приведен обзор отечественных и зарубежных публикаций по тематике создания радиотехнического прибора подповерхностного зондирования, обобщен и систематизирован многолетний
12 опыт разработки и создания РГШЗ, выявлены нерешенные в этой области вопросы и на основе проведенного анализа поставлены задачи исследования.
В главе 2 исследуется зависимость достижимой глубины зондирования РППЗ от излучаемой мощности и удельного затухания в среде. Численными методами решено уравнение дальности для сред с затуханием. Построены кривые зависимости глубины зондирования РППЗ от амплитуды импульса возбуждения передающей антенны для сред с различным затуханием. Обоснован оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны.
В главе 3 проанализированы причины возникновения дрожания фазы синхронизирующих сигналов в РППЗ. Предложен метод измерения джиггера, основанный на пересчете амплитудной ошибки на выходе АЦП в вызвавший ее джиттер. Сформулированы требования к допустимому джиттеру в РППЗ, предложены методы анализа джиттера в РППЗ. Разработана математическая модель джиттера, на которой была подтверждена корректность методов измерения и анализа джиттера.
В главе 4 экспериментально подтверждена возможность измерять джиттер в РППЗ, определять его статистические параметры, а также выявлять наличие периодического и долговременного джиттера. Подтверждена обоснованность теоретически выведенной величины допустимого джиттера. Разработан ряд практических методов уменьшения влияния джиттера. На основе предложенных методов уменьшении влияния джиттера разработан и реализован РППЗ, оптимальный по критерию «минимальный джиттер — минимальная потребляемая мощность».
Современное состояние и основные тенденции развития РППЗ
За последние 10... 15 лет интерес к использованию РППЗ находится в стадии постоянного бурного роста. Если раньше РППЗ были посвящены отдельные редкие публикации в научных журналах, то теперь целые разделы конференций различных отечественных и международных геофизических и инженерно-геофизических обществ посвящены подповерхностной радиолокации [26]. К настоящему времени прошло уже двенадцать международных конференций, посвященных только РППЗ, при этом охватывался практически весь спектр вопросов по данной тематике: сверхширокополосные антенны; аппаратная реализация; программное обеспечение; обработка сигналов и интерпретация; геофизические исследования; диагностика дорожного покрытия, строительных конструкций, коммуникаций и т.д. Отметим основные тенденции развития РГШЗ. Для качественного повышения информативности и достоверности интерпретации результатов зондирования, сокращения времени мониторинга разрабатываются новые технологии, направленные на совершенствование аппаратной базы РГШЗ и алгоритмов обработки. Эти технологии включают [69]: разработку новых радиотехнических устройств формирования, приема и обработки сигнала, направленных на уменьшение шумов, увеличение производительности и повышение стабильности работы РГШЗ, в том числе разработка приемных устройств, работающих в реальном масштабе времени; разработку методов расчета, анализа и оптимизации компактных сверхширокополосных (СШП) антенн; создание метрологического обеспечения для измерения характеристик СШП антенн, отдельных узлов и РГШЗ в целом; разработку многоканальных РГШЗ, существенно увеличивающих производительность работы и обеспечивающих получение трехмерных изображений; совершенствование методов зондирования и обработки полученных результатов, направленных на увеличение точности измерения глубины зондирования; разработку методов, алгоритмов и программного обеспечения для автоматизированной процедуры идентификации подповерхностных объектов. Несмотря на существенные достижения в исследовании и разработке аппаратной части РГШЗ, проблема далека от завершения. В частности, не найден приемлемый баланс между энергетическим потенциалом РГШЗ и потребляемой мощностью, нет полной ясности в оценке зависимости достижимой глубины зондирования от излучаемой мощности, отсутствуют методы измерения и анализа дрожания фазы синхронизирующих сигналов (джиттер). Как известно, обобщенной количественной характеристикой, показывающей потенциальные возможности РППЗ, является энергетический потенциал - отношение излучаемой мощности к чувствительности приемника. Увеличение излучаемой мощности, как и повышение чувствительности, неизбежно приводит к увеличению потребляемой мощности, что является критичным для портативных РППЗ с батарейным питанием. Поэтому оптимизация энергетического потенциала, т.е. выбор приемлемого баланса между излучаемой мощностью, чувствительностью и потребляемой мощностью РППЗ является крайне важной задачей.
Глубина зондирования современных РППЗ незначительна и составляет, как правило, от десятков сантиметров для высокочастотных РППЗ, до 20...30 метров для низкочастотных РППЗ. Поэтому увеличение глубины зондирования при сохранении разрешающей способности является одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиками РППЗ [70].
Одной из причин, резко ограничивающей глубину зондирования, является высокое удельное затухание в среде, которое для типичных сред составляет 0,1.. .5 дБ/м, а для сред с сильным затуханием может достигать десятков дБ/м.
Второй важной причиной является малый энергетический потенциал РППЗ. Применяемые в РППЗ зондирующие импульсы наносекундной длительности обладают энергией в тысячи раз меньшей, чем в классических узкополосных радарах. Кроме того, кпд широко распространенных в РППЗ ре-зистивно - нагруженных антенн крайне мал, и обычно составляет 77 — ОД [10]. С учетом того, что коэффициент направленного действия таких антенн D и 1, то коэффициент усиления приемной и передающей антенн G = rjD & 0,1.
Традиционно увеличение энергетического потенциала в радиолокации происходило за счет увеличения мощности передатчика. В связи с этим достаточно широко распространено мнение, что увеличение мощности передатчика РППЗ, как и в классической радиолокации, позволит существенно увеличить глубину зондирования [3, 71].
Для формирования СШП сигнала в РППЗ традиционно используется метод ударного возбуждения пассивной антенны перепадом напряжения, при этом достигаются пиковые мощности от сотен ватт до нескольких мегаватт. При этом требования к коммутирующим элементам достаточно жесткие -они должны открываться на сотни пикосекунд при очень высокой стабильности [72].
Первоначально формирователи коротких импульсов высокого напряжения разрабатывались для управления электрооптическими затворами квантовых генераторов [73], запуска полупроводниковых лазеров и для использования в схемах ядерной электроники [74].
Расчет максимальной глубины зондирования типовыми антенными блоками РППЗ для различных модельных сред
Для удобства анализа зависимости удельного затухания в исследуемой среде от частоты в [9] предложено ввести четыре группы модельных сред, относительно которых разброс значений в группе имеет порядок ±10% (рис. 2.1). Группа 1 соответствует суглинкам и глинам достаточно большой влажности (объемная влажность W 5%). В этой группе удельное затухание растет от 1 дБ/м до 800 дБ/м при увеличении частоты от 1 МГц до 10 ГГц. Группа 2 определяет среды с заметным, но меньшим чем в группе 1, значением удельного затухания, и соответствует суглинкам и глинам при W 5%, морским льдам, пескам и песчаникам с большой влажностью (W 15%). В этой группе удельное затухание растет от 0,5 дБ/м до 150 дБ/м при увеличении частоты от 1 МГц до 10 ГГц. Группа 3 соответствует, сухим и увлажненным пескам (W 15%), известнякам, сланцам, влажному углю и гранитам, асфальту, бетону, кирпичу. В этой группе удельное затухание растет от 0,02 дБ/м до 20 дБ/м при увеличении частоты от 1 МГц до 10 ГГц. Группа 4 соответствует пресноводному льду, снегу, мрамору, сухому углю и граниту, гипсу, каменной соли. В этой группе удельное затухание растет от 0,01 дБ/м до 1 дБ/м при увеличении частоты от 1 МГц до 10 ГГц. В эту классификацию не входит пресная вода (В) и морская вода (MB). В пресной воде удельное затухание составляет 1...2 дБ/м в диапазоне частот 1... 100 МГц, в дальнейшем резко возрастает и достигает 1700 дБ/м на частоте 10 ГГц. Для морской воды удельное затухание растет от 40 дБ/м до 4000 дБ/м при увеличении частоты от 1 МГц до 10 ГГц. На основании предложенной классификации можно рассчитать максимальные глубины зондирования для каждой группы модельных сред, если известны технические характеристики антенных блоков. Данные расчетов для георадаров «Око-2» производства ООО «Логические системы» [68] приведены в таблице 2.4. Анализ таблицы 2.4 показывает, что в диапазоне рабочих частот современных РППЗ (50 МГц...2 ГГц) приемлемые глубины зондирования (более 1 м) для сред группы 1 возможно получить только на низкой частоте (50.. .200 МГц) при довольно низкой разрешающей способности по глубине. Для сред группы 2 приемлемые глубины зондирования (более 1 м) возможно на частотах до 500...700 МГц при средней разрешающей способности по глубине. Зондирование сред группы 3 возможно во всем диапазоне частот современных РППЗ (50...2000 МГц), при этом достигаются глубины зондирования до 30м при высокой разрешающей способности по глубине. На практике среды группы 3 встречаются достаточно часто, в частности, к ним относятся практически все материалы, применяемые в промышленном и транспортном строительстве. В средах группы 4 достигается максимальная глубина зондирования при высокой разрешающей способности по глубине. К сожалению, на практике среды этого типа встречаются достаточно редко. В пресной воде зондирование возможно до частот 500...700 МГц, в морской воде - практически невозможно. 1. Глубина зондирования в диапазоне рабочих частот современных РППЗ (50 МГц...2 ГГц) зависит в основном от величины удельного затухания в среде и слабо зависит от других факторов (мощности передатчика, чувствительности приемника и т.д.). 2. Основным методом увеличения глубины зондирования является уменьшение центральной частоты спектра РППЗ, т.к. с уменьшением частоты уменьшается удельное затухание в среде. С учетом противоречия между глубиной зондирования и разрешающей способностью задание одного из этих параметров практически однозначно определяет центральную частоту спектра зондирующего сигнала. 3. Достигнутые к настоящему времени глубины зондирования по существу являются предельными, на практике возможно только их незначительное увеличение (до 20...30%). Существенное увеличение глубины зондирования требует применения мощности излучения в десятки мегаватт и практически невозможно. Хотя увеличение мощности не приводит к существенному увеличению глубины зондирования, но при этом увеличивается коэффициент различимости, что повышает достоверность выделения сигнала от цели на фоне шумов и помех. Это позволяет более уверенно обнаруживать малоразмерные и слабоконтрастные цели. 4. Оптимальный диапазон амплитуд импульса возбуждения передающей антенны лежит в интервале 100...800 В. Дальнейшее увеличение амплитуды малоэффективно, рост глубины зондирования при этом не соизмерим с ростом потребляемой мощности, увеличением габаритов и стоимости РППЗ. 5. Таким образом, возможности по увеличению глубины зондирования РППЗ с помощью совершенствования его аппаратной части (увеличение мощности передатчика, повышение чувствительности приемника и т.д.) следует считать исчерпанными, а дальнейшие исследования в этом направлении - малоперспективными. Гораздо эффективнее сосредоточить усилия на разработке методов расчета, анализа и оптимизации компактных СШП антенн, увеличении производительности и повышении стабильности работы РППЗ. Так же крайне важным направлением в РППЗ является совершенствование методов обработки полученной информации, разработка алгоритмов для автоматизированной процедуры идентификации подповерхностных объектов, т.к. трудность интерпретации полученных результатов служит основным препятствием на пути развития подповерхностной радиолокации. Основные результаты главы 2 опубликованы в [5-7,30,31,70].
Обоснование величины допустимого джиттера
Для РППЗ, как и для классического радара, одной из важнейших задач является задача обнаружения сигнала от цели на фоне шумов и помех. При этом в реальных условиях паразитные переотражения от конструктивных элементов георадара и неоднородностей среды обычно достигают такого уровня, что обнаружение сигнала по одной трассе становится практически невозможным, и основная информация извлекается из анализа совокупности трасс (радарограммы) путем обработки ее по различным алгоритмам. Многие широко используемые алгоритмы (череспериодная компенсация, вычитание глобального среднего, вычитание с окном и т.д.) основаны на вычитании из принятой трассы ее усредненного значения, и эффективность этих алгоритмов сильно зависит от постоянства амплитуды сигнала в каждой точке от трассы к трассе.
Если РППЗ неподвижен, то теоретически принимаемые трассы должны быть абсолютно идентичны, т.е. амплитуда принятого сигнала в каждой точке должна оставаться неизменной во всех трассах профиля. Но в действительности амплитуда сигнала в каждой точке от трассы к трассе изменяется (сигнал «дышит»). Кроме воздействия шумов и помех, эта нестабильность амплитуды в значительной степени обусловлена дрожанием фазы синхросигналов аппаратной части РППЗ.
В современной радиотехнике достаточно часто входной сигнал фиксируется в дискретные моменты времени, которые привязаны к фронту или спаду сигнала тактовой частоты - происходит стробирование сигнала. В идеальном случае период повторения и длительность тактового сигнала должны быть неизменными во времени, но на практике происходит отклонениє временных положений фронтов цифрового сигнала от эталонных позиций - дрожание фазы.
Дрожанием фазы, или джиттером (jitter), в радиотехнике называют паразитную фазовую нестабильность сигнала тактовой частоты. Нормативные документы [92] определяют джиттер как кратковременные отклонения значащих положений цифрового сигнала от его идеальной временной позиции, т.е. насколько раньше или позже тактовый сигнал меняет свое состояние относительно эталонного момента перехода [93, 94].
Дрожание фазы возникает из-за того, что в отличие от идеального сигнала фронт реального тактового сигнала имеет отличную от нуля длительность. Под воздействием шумов изменяется напряжение порогового уровня логического элемента, и, как следствие, изменяется во времени момент перехода из нуля в единицу или из единицы в нуль (рис. 3.1а), что приводит к изменению фазы тактового сигнала на выходе логического элемента. Таким образом, джиттер приводит к изменению периода повторения и длительности тактового сигнала на выходе логического элемента, что приводит к возникновению ошибок или потере синхронизации при высокоскоростной передаче.
Особое значение проблема джиггера приобрела в настоящее время в связи с развитием высокоскоростных каналов связи (таких как 10-Gigabit Ethernet, PCI Express, InfiniBand и др.) со скоростями передачи данных свыше гигабита в секунду, где дрожание фазы приводит к ошибкам в кодах, повторным запросам, и, как следствие, к существенному снижению пропускной способности.
Из рис. 3.1а следует, что чем меньше длительность фронта или спада тактового сигнала, тем меньше джиттер на выходе логического элемента. Поэтому для уменьшения джиггера стремятся использовать более быстродействующие логические микросхемы (табл. 3.1), несмотря на их более высокое энергопотребление [95, 96].
Несколько другой эффект дает дрожание фазы тактового сигнала в системах с АЦП. Если тактовый сигнал, имеющий джиттер, подать на тактовый вход АЦП, то отклонение моментов квантования АЦП приводит к ошибочному значению амплитуды сигнала (рис. 16), и, как следствие, к искажению его формы. Данный вид джиттера имеет собственное название - джиттер дискретизации или джиттер семплирования. Следует подчеркнуть, что джиттер дискретизации является следствием джиттера сигнала тактовой частоты.
Влияние джиттера дискретизации можно достаточно просто оценить вносимой амплитудной ошибкой Uom. Если обозначить через tj величину отклонения момента квантования от эталонного положения (джиттер), то в случае синусоидального сигнала [95]:
Результаты эксперимента по выявлению детерминированной составляющей в суммарном джиттере
Стремительное развитие высокоскоростных сетей передачи данных потребовало разработки норм на дрожание фазы, а также требований к приборам и методам для измерения дрожания фазы в этих сетях [ПО, 111]. В настоящее время для сетей передачи данных существуют хорошо развитые методы измерения джиттера, есть необходимое оборудование (хотя и крайне дорогое, стоимостью в десятки тысяч долларов), позволяющее прямым методом измерять джиттер. В сетях передачи данных основой метода измерения джиттера является сравнение подверженного джиттеру сигнала с эталонной тактовой частотой. Если эталонная тактовая частота отсутствует, ее выделяют из самого сигнала использованием ФАГТЧ с узкой полосой пропускания (несколько десятков герц). Затем исходный сигнал и эталонная тактовая частота подаются на приборы для прямого измерения джиттера [93, 94]. Основные измеряемые параметры - нестабильность от цикла к циклу, нестабильность длительности нуля и единицы и т.д.
С джиггером дискретизации все гораздо сложнее - принципиально невозможно прямым методом измерить джиттер в выходном коде АЦП. Существующие методы (в том числе предлагаемые производителями АЦП -[95,105]) заключаются в рассмотрении джиттера дискретизации как процесса модуляции сигнала и анализе с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) спектрального состава полученных выборок [37]. Сначала на АЦП подается низкочастотный прецизионный синусоидальный сигнал, для которого в соответствии с (3.1) джиттер не добавляет шумовых разрядов, поэтому первое слагаемое в формуле (3.4) будет равно нулю. Через БПФ вычисляется соотношение сигнал/шум qm, обусловленное собственным шумом системы (шум входных каскадов, шум квантования и т.д.) и по формуле (3.4) вычисляется СКО шума 7Ш. Затем подается сигнал максимальной частоты и амплитуды. Через БПФ вычисляется новое соотношение сигнал/шум qj. Разность в соотношении сигнал/шум между первым и вторым значением будет вызвана джиттером [95]. Зная величину этой разности, а также амплитуду и частоту сигнала, можно с учетом формулы (3.4) вычислить джиттер Ни тот, ни другой метод не подходят для измерения джиттера в РППЗ, т.к. раздельная оценка джиттера ИЗПД, ИЗПМ и джиттера дискретизации не дает полного представления о реальном джиттере системы, т.к. для РППЗ критичен только относительный джиттер ИЗПД - ИЗПМ.
В 80-90 гг. при разработке РППЗ грубую оценку джиттера проводили с помощью стробоскопического осциллографа (С-122, С1-91). С РППЗ на синхронизирующий вход осциллографа подавался ИЗПД, а на сигнальный вход - ИЗПМ. Данное решение позволяло наблюдать на экране осциллографа ИЗПМ, джиттер которого равнялся относительному джиттеру ИЗПД -ИЗПМ. Ширина фронта или спада ИЗПМ на экране осциллографа позволяла оценить уровень джиттера. Этот метод является аналогом глаз-диаграммы, широко применяемой для оценки джиттера в системах передачи данных. Несовершенство осциллографов, трудность настройки и невысокая частота обновления экрана существенно затрудняли оценку джиттера РППЗ. В последнее время с появлением высокоскоростных цифровых осциллографов (например, Tektronix DPO 7254) ситуация значительно улучшилась, качество изображения и частота обновления экрана вполне достаточны для успешного применения этого метода оценки джиттера (рис. 3.4). Многие современные цифровые осциллографы имеют в своем составе программные средства измерения и анализа джиттера, позволяющие измерять математическое ожидание и СКО джиттера, строить гистограмму, проводить спектральный анализ и т.д. (рис. 3.4). К недостаткам таких осциллографов можно отнести крайне высокую стоимость, достигающую нескольких миллионов рублей.
Между тем вышеприведенный метод позволяет прямым методом измерить только относительный джиттер ИЗПД - ИЗПМ, но не позволяет измерить джиттер дискретизации в АЦП. Кроме того, достаточно часто РППЗ представляет из себя закрытую систему, т.е. в нем не имеется выходных точек ИЗПД и ИЗПМ, поэтому измерить какие либо параметры джиттера прямыми методами не представляется возможным.
Более перспективным представляется использование метода, предложенного в [86]. В основе метода лежит тот факт, что РППЗ одновременно является как источником, так и приемником информации. При этом в отсутствии внешних помех наблюдаемый сигнал теоретически должен быть неизменным от трассы к трассе, а если его амплитуда изменяется, то эти изменения амплитуды вызываются джиттером. Это дает возможность вычислить эталонную (исходную) трассу усреднением принятых трасс.
