Методы и алгоритмы анализа квазидетерминированного джиттера в устройствах передач и хранения данных Смагин Сергей Александрович

Содержание к диссертации

Введение

1. Методы измерения и анализа джиттера в устройствах передачи и хранения данных 10

1.1. Понятие джиттера и его классификация 10

1.2. Методы измерения и представления джиттера

1.3 Методы анализа и идентификация джиттера 29

1.4 Алгоритм «Гусеница» 31

1.5 Задачи дальнейших исследований 32

Выводы по главе 1 34

2. Исследование возможностей алгоритма «гусеницы» для анализа джитера 35

2.1 Описание интервального джиттера 35

2.2 Исследование возможностей «Гусеницы» по выделению квазидетерминированной компоненты интервального джиттера 38

2.3 Оценка возможностей ССА «Гусеница» при понижении частоты измерений 46

2.4 Анализ остатка после выделения КДК 51

2.5 Алгоритмы выбора длины окна «Гусеницы» 53

2.6 Особенности организации обработки реализации джиттера

2.6.1 Последовательное измерение временных интервалов 58

2.6.2 Последовательное измерение временных интервалов с пропусками 62

2.6.3 Измерение несмежных временных интервалов 67

Выводы по главе 2 74

3. Повышение точности многоканальных нониусных измерителей джиттера с помощью алгоритма «гусеница» 75

3.1 Нониусный метод преобразования временных интервалов 75

3.2 Аналитическая точностная модель многоканального нониусного измерителя с калибровочными измерениями 79

3.3 Способы выделения квазидетерминированной компоненты инструментальной ошибки

3.3.1 Общая схема исследования вариантов выделения и компенсации КДК 88

3.3.2 Выделение квазидетерминированной компоненты джиттера с использованием цифрового фильтра 89

3.3.3 Выделение квазидетерминированной компоненты с помощью алгоритма «Гусеница» 94

3.3.4 Сравнительный анализ эффективности компенсации КДК инструментальной ошибки НИ с помощью «Гусеницы» и ФНЧ 97

Выводы по главе 3 103

4. Организация измерений и анализ джиттера в устройствах хранения данных с помощью алгоритма «гусеница» 104

4.1 Анализ джиттера в каналах воспроизведения в накопителях на магнитных дисках... 104

4.1.1 Организация измерений джиттера в каналах передачи данных накопителя на магнитных дисках 104

4.1.2 Применение «Гусеницы» для выделения квазидетерминированного джиттера информационного сигнала в канале чтения НМД 106

4.1.3 Сравнение выделения КДК джиттера с помощью алгоритмов «Гусеницы» и полиноминальной аппроксимации 111

4.1.4 Прогнозирование качества работы сепаратора данных НМД 115

4.2 Построение моделей канальных кодов аппаратуры магнитной записи с учетом джиттера 118

Выводы по главе 4 125

Заключение 126

Список литературы 128

• Методы анализа и идентификация джиттера
• Оценка возможностей ССА «Гусеница» при понижении частоты измерений
• Аналитическая точностная модель многоканального нониусного измерителя с калибровочными измерениями
• Организация измерений джиттера в каналах передачи данных накопителя на магнитных дисках

Введение к работе

Актуальность темы. Существенным фактором, влияющим на надежность цифровых устройств передачи и хранения данных (внешних запоминающих устройств), является джиттер информационных и синхронизирующих сигналов в трактах приема и передачи. Под джиттером в данном случае понимается нестабильность временного положения сигнала от его номинала.

Джиттер является следствием совокупного действия множества дестабилизирующих факторов, специфичных для различных классов устройств хранения и передачи данных. Однако общим является то, что джит-тер состоит из двух компонент: чисто случайной (шумы) и квазиде-терминированной (КДК) (тренды и периодические составляющие). Последняя представляет наибольший интерес при разработке и эксплуатации устройств, так как с ней можно бороться схемотехническими или алгоритмическими методами, а ее экспериментальное значение использовать для диагностики узлов устройства.

Методам и средствам измерения и контроля джиттера, а также его компенсации в аппаратуре передачи и хранения данных посвящены работы Y. Takasaki, P. R. Trischitta, J. Wilstrup, M. Li., M. Mlle, N. Guzik, И. Г. Бакланова, В. А. Чулкова, Е. И. Гурина, Н. Н. Коннова, К. В.Попова.

Для проектирования аппаратуры передачи данных и конструкции узлов накопителей внешних запоминающих устройств важное значение имеют математические модели, базирующиеся на экспериментальных данных, позволяющие оценить структуру джиттера и отдельные его компоненты, которые могут оказывать существенное влияние на работу устройств хранения и передачи данных. Поэтому актуальным является разработка методов и алгоритмов, позволяющих выделять и анализировать квазидетерми-нированную компоненту джиттера по его экспериментально полученным реализациям.

Целью диссертационной работы является разработка методов выделения и анализа квазидетерминированной и случайной компонент джитте-ра в устройствах передачи и хранения информации по экспериментальным данным.

Основные задачи, решение которых необходимо для достижения цели:

1. Выбор математического аппарата, позволяющего выделять квази-детерминированную компоненту джиттера при минимальной априорной информации.

2. Разработка методики выделения квазидетеминированной и случайной составляющих джиттера при различной организации процесса его измерения в исходном потоке данных в аппаратуре передачи и хранения информации.

3. Применение разработанных методов для целей проектирования устройств хранения, передачи данных, а также аппаратуры для измерения параметров джиттера.

Объектом исследования являются каналы цифровых устройств передачи и тракты записи-воспроизведения устройств хранения данных.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы выделения и анализа квазидетерминированной и случайной компонент джиттера по экспериментальным данным.

Соответствие паспорту научной специальности. Область исследований соответствует паспорту специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» по пунктам: 2. «Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик». 3. «Разработка принципиально новых методов анализа и синтеза элементов и устройств вычислительной техники и систем управления с целью улучшения их технических характеристик». 4. «Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления».

Методы исследования основаны на математическом аппарате теории вероятностей и случайных процессов, а также имитационном моделировании предлагаемых алгоритмов.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе результатов и сформулированных на их основе выводов обеспечиваются строгостью производимых математических выкладок и корректным использованием методологического аппарата исследований. Справедливость выводов относительно эффективности и корректности предложенных методов и алгоритмов подтверждена компьютерным моделированием и экспериментами.

Научная новизна:

3. Предложены методика и алгоритмы выделения квазидетермини-рованного и чисто случайных компонент джиттера с использованием аппарата сингулярного спектрального анализа (ССА) «Гусеница» и показана его эффективность.

4. Разработаны алгоритмы выделения квазидетерминированных компонент джиттера при различной организации процесса измерений входного потока данных с использованием ССА «Гусеница».

5. Предложена аналитическая модель многоканального нониусного измерителя джиттера с оперативной калибровкой, учитывающая основные факторы, влияющие на точность его работы.

6. Разработан алгоритм выделения собственной инструментальной погрешности нониусного измерителя на основе аппарата «Гусеница», по-

зволяющий уменьшить инструментальную ошибку в 3 раза, по сравнению с известными методами.

5. Предложена интервальная модель канального кода, учитывающая случайный джиттер, полученный по экспериментальным данным и выделенный с помощью ССА «Гусеница».

Основные положения, выносимые на защиту:

7. Алгоритм выделения квазидетерминированных компонент джит-тера с использованием аппарата ССА «Гусеница» при различной организации измерений параметров информационного потока.

8. Алгоритм определения оптимального количества существенных компонент «Гусеницы» для восстановления информации о квазидетерми-нированной составляющей джиттера.

9. Аналитическая точностная модель многоканального нониусного измерителя «время-код» с оперативной калибровкой.

10. Методика повышения точности многоканальных нониусных измерителей за счет компенсации инструментальной погрешности, выделенной с помощью алгоритмов с использованием аппарата ССА «Гусеница».

11. Интервальная модель канального кода, учитывающая случайный джиттер, полученный по экспериментальным данным и выделенный с помощью аппарата ССА «Гусеница».

Практическая ценность работы состоит в следующем:

12. Разработан алгоритм выделения квазидетерминированных компонент по методу «Гусеница» средствами пакета MathCad.

13. Разработана методика компенсации инструментальной погрешности многоканального нониусного измерителя с использованием разработанных алгоритмов на основе аппарата «Гусеница».

14. Предложена методика оценки качества выделителей информации в каналах воспроизведения данных с использованием разработанных алгоритмов на основе аппарата «Гусеница».

Реализация и внедрение. Результаты диссертации использованы при выполнении работ, связанных с анализом защищенности основных технических средств от утечек за счет электромагнитных излучений и наводок в ФГУП «ЦентрИнформ» (г. Пенза), а также при проведении работ по повышению надежности сети передачи данных ЗАО «Золотая линия» (г. Пенза). Соответствующие акты приложены.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались в форме докладов на следующих конференциях: VI Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2005); «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Ростов-на-Дону, 2006); XIV Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (г. Рязань, 2008); I Междуна-

родной научно-практической конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2010); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2013); научно-технических конференциях Пензенского государственного университета (г. Пенза, 2004-2014).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ. Получено свидетельство о регистрации информационного ресурса «Алгоритм выделения квазидетерминированных компонентов по методу “Гусеница”», свидетельство о регистрации № 16053 от 04.08.2010.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах [1, 8, 9, 11] автором предложена методика выделения квазидетерминированной компоненты джиттера при различной организации процесса измерений входного потока данных. В работах [3, 5, 6, 13] предложена аналитическая модель многоканального нониусного измерителя джиттера с оперативной калибровкой, учитывающая основные факторы, влияющие на точность его работы. В работах [2, 3, 5, 6, 7, 10, 12], опубликованных в соавторстве с научным руководителем, автору принадлежит разработка концепции решаемой проблемы и постановка задачи исследования.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем работы: 135 страниц основного машинописного текста, 78 рисунков и 19 таблиц, приложения на 8 страницах.

Методы анализа и идентификация джиттера

Джиттер в цифровых системах передачи (ЦСП). ЦСП – это высокоскоростные многоканальные системы, предназначенные для передачи всех видов информации, преобразованных в дискретную (цифровую) форму. Современная цифровая первичная сеть строится на основе технологий плезиохронной иерархии (PDH), синхронной иерархии (SDH) [21].

Первичная цифровая сеть на основе PDH/SDH состоит из узлов мультиплексирования (мультиплексоров), выполняющих роль преобразователей между каналами различных уровней иерархии стандартной пропускной способности, регенераторов, восстанавливающих цифровой поток на протяженных трактах, и цифровых кроссов, которые осуществляют коммутацию на уровне каналов и трактов первичной сети. Первичная сеть строится на основе типовых каналов, образованных системами передачи. Современные системы передачи используют в качестве среды передачи сигналов электрический и оптический кабель, а также радиочастотные средства (радиорелейные и спутниковые системы передачи). Цифровой сигнал типового канала имеет определенную логическую структуру, включающую цикловую структуру сигнала и тип линейного кода. Цикловая структура сигнала используется для синхронизации процессов мультиплексирования и демультиплексирования между различными уровнями иерархии каналов первичной сети, а также для контроля блоковых ошибок. Линейный код обеспечивает помехоустойчивость передачи цифрового сигнала. Аппаратура передачи осуществляет преобразование цифрового сигнала с цикловой структурой в модулированный электрический сигнал, передаваемый затем по среде передачи. Тип модуляции зависит от используемой аппаратуры и среды передачи.

Основным отличием SDH от PDH является наличие процедуры выравнивания скоростей разных потоков при формировании контейнеров, которая называется стаффингом и представляет собой процедуру «дополнения» потока служебными битами. Если детально рассмотреть стаффинг, то можно выделить два типа битового стаффинга: – плавающее выравнивание предусматривает компенсацию переменной разницы в скоростях загружаемых цифровых потоков. В этом случае полезная нагрузка в контейнере может гибко увеличиваться или уменьшаться, давая возможность загрузки в контейнер потока с вариацией скорости. Для обеспечения плавающего выравнивания в нескольких частях контейнера предусматриваются поля переменного стаффинга. Периодически повторяемые индикаторы стаффинга определяют, является ли бит в поле переменного стаффинга информационным или битом выравнивания и подлежит уничтожению в процессе выгрузки. – фиксированное выравнивание предусматривает добавление в состав контейнера дополнительных битов для того, чтобы его размер соответствовал стандартному (стаффинговые биты «дополнения»). В отличие от процесса плавающего выравнивания, где стаффинговые биты идентифицируются индикаторами, в процессе фиксированного выравнивания индикаторы не используются, т. к. место расположения этого стаффингового поля определено структурой контейнера [22, 23].

Особенности функционирования сетей SDH приводят к появлению специфического джиттера. Технология SDH предусматривает использование для процессов выравнивания скоростей алгоритма смещения указателей. Смещение указателя приводит к появлению импульсного джиттера в 24 бита. Затем этот джиттер компенсируется компонентами системы. Такой джиттер называется джиггером по смещению указателей (pointer jitter) [18].

Еще один тип джиттера возникает в результате выполнения стаффинга для подключения плезиохронных сигналов к синхронным сетевым элементам. Биты стаффинга разрывают входной сигнал во время размещения. Последующее восстановление сигнала всегда приводит к джиттеру, известному как джиттер размещения (mapping). Следующая разновидность джиттера SDH – джиттер выравнивания (stuffing), который обусловлен необходимостью выравнивания позиции в плезиохронных структурах цикла. Джиттер этого типа появляется только в определенные моменты времени, что приводит к дополнительной фазовой модуляции передаваемого сигнала [22].

В зависимости от типа среды, используемой для передачи данных, системы передачи можно условно разделить на следующие категории: – оптоволоконные. Чаще всего применяются для высокоскоростных систем протяженностью более 1 км и скоростью передачи до 100 Гбит/с. – проводные (с медным проводом). Применяются в системах с невысокой протяженностью линий и не высокой скоростью передачи данных и скоростью передачи до нескольких Гбит/с.

Рассмотрим джиттер, связанный с передачей данных по линиям связи (медные и волоконно-оптические). В основе своей работы эти линии используют разные физические законы, но джиттер, или в данном случае задержка передачи данных, может иметь сходные причины возникновения, такие как: 1) наводки от низкочастотного магнитного поля, генерируемого близлежащими кабелями силовой электросети; 2) перекрестные помехи, наводимые от соседних витых пар многожильного кабеля городской телефонной сети; 3) пульсации напряжения питания источника или (и) приемника сигналов; 4) механическая вибрация, при которой некоторые радиоэлектронные компоненты (например, некоторые керамические конденсаторы) могут работать как преобразователи механической энергии в электрическую; 5) дневные-ночные перепады температуры и т.д. Механизм возникновения джиттера в ЦСП во многом аналогичен механизму, описанному в предыдущем разделе, т.к. интерфейс является частью ЦСП, но в связи с большими размерами (большой протяженностью линий и наличие узлов ретрансляции и усиления) величина джиттера может существенно возрасти.

Оценка возможностей ССА «Гусеница» при понижении частоты измерений

Как было сказано выше, джиттером называется отклонение временного положения некоторых событий от их заданных значений. Учитывая, что параметры частоты и фазы связаны простым соотношением JФ = \jчdt, на практике получили распространение два основных подхода к определению джиттера - в терминах фазы и в терминах частоты (интервальный джиттер). Причем оба представления джиттера, фазовый и интервальный, измеряются по одним правилам и представляются в единицах измерения времени [18].

На практике измерение фазового джиттера мало распространено, что обусловлено высокой стоимостью измерительного оборудования из-за повышенных требований к стабильности его узлов, в частности генераторов эталонного сигнала [66].

Как было показано в главе 1, джиттер разделяют на две основные компоненты: случайную и квазидетерминированную. На практике разделение джиттера на составляющие (квазидетерминированную и чисто случайную) очень важно как для нахождения причин неисправностей, так и для оценки надежности узлов оборудования (устройств хранения данных, каналов чтения записи и т.д.). Для определения соотношений компонент джиттера может быть использована модель, представленная на рисунке 7.

Пусть процесс прихода информационного сигнала представлен как перемещение точки в двумерном пространстве

По горизонтали отложено текущее время (величина измеренных периодов). По вертикали отложена шкала номинальных значений наступления события получения информационного сигнала. Красным цветом показан идеальный период измеренного передаваемого импульса, который является const на всем протяжении измерений, черным – реальный измеренный период, который отклоняется от идеального значения, это отклонение – фазовый джиттер.

При проведении последовательных измерений серии интервалов период измеренного i -го интервала (рисунок 8) в общем виде можно представить так: Структура измеряемых временных интервалов. Tt =TO + Ji-Ji_l=TO + ATi , где Т0 - идеальная длительность интервала; J і - фазовый джиттер і-го интервала; Jt_1 фазовый джиттер ( i -1) -го интервала; Щ- интервальный джиттер /-го интервала. Для построении модели джиттера будем считать, что на его величину влияют следующие параметры: V(t) - скорость изменения мгновенного периода информационного импульса, она имеет номинальное значение V0 , около которого оно колеблется случайным образом. Идеальное время прихода /-го информационного импульса равно St = V0 Т. Пусть моменты прихода /-го импульса регистрируются со случайной и независимой ошибкой Щ, тогда измеренное значение /-го мгновенного периода определяется формулой: Т Т0+ъ-т Т0+Щ, где Tt, гм - накопленная ошибка временного положения /-го и (і-І)– го импульсов, T0 - номинальное значение длительности импульса. Эту формулу можно представить в виде суммы интегралов: V0T0 +ASt= 0 (V0 + AV)dt = (/ -1)70+rM (3) = V0T0 + V0ATi + AVT0 + AVTI AVTI-1 где AV = Vср » l 1 + . Значениями АКг,- и ЛКгм можно пренебречь из-за их малости по отношению к другим составляющим, тогда: = Щ_УсрТ Щт _!и±ЛТ0 = Т0(аі.Єіі) (4) V0 V0 S0 2V0 где Как видно из формулы (4), джиттер можно представить в виде суммы двух компонент: чисто случайной компоненты ai и квазидетерминированной компоненты (КДК), зависящей от относительно медленных изменений мгновенного периода Д [67].

Таким образом, реализация джиттера на интервале T=N T0 может быть представлена в форме временного ряда: N T N j(t) = \ TjS(t - iT0 )dt = 2 TjS(t - iT0 ), 0 г=0 где ТІ = Т0 (аг -ptt) , S(x) - функция Дирака (д(х) =1 при х=0). 2.2 Исследование возможностей «Гусеницы» по выделению квазидетерминированной компоненты интервального джиттера

Оценка возможностей «Гусеницы» по выделению КДК интервального джиттера проводилась с помощью имитационного моделирования в среде MathCad. С этой целью формируем тестовую реализацию джиттера, затем выделяем КДК с помощью «Гусеницы» и оцениваем отклонение полученной КДК от известного значения тестового сигнала.

В качестве тестовой реализации для вышеуказанной задачи использовался генерируемый измерение длительностей интервалов Г = {71,Г2,Г3...,7]...,Г„}, где Ti=T0+Ji; временной ряд (рисунок 9), имитирующий последовательное Т0 = const - номинальная длительность мгновенного периода некоторой информационной последовательности, Jt - мгновенный интервальный джиттер і -го интервала, который может быть представлен в следующих формах: а) тестовая последовательность 1: периодическая, гармоническая КДК: (6) Ji= Asin(P 2 —)+, NJ i б) тестовая последовательность 2: сложная периодическая, гармоническая КДК: Ji =A1 sin(P1 2 — ) + A sin(P2 2;r — ) + Si (7) в) тестовая последовательность 3: периодическая, гармоническая КДК с трендом: i Ji =A 8 1(P 2 — ) + A3 i + , N (8) где Ai и A 2 - амплитуда периодических компонент; P и Pi - частоты периодических компонент; 8 - шумовая компонента, которая определяется своими математическим ожиданием M и дисперсией; тренд реализован в виде квадратической функции - Vx с коэффициентом усиления A3 . Номер периода а) КДК для тестовой последовательности 1. ІхШ3 ІхНГ1 ЗкИГ1 Номер периода б) КДК для тестовой последовательности 2. Номер период с) КДК для тестовой последовательности 3. Рисунок 9. Графики тестовых последовательностей КДК. Были рассмотрены реализации джиттера при соотношениях мощностей КДК и шума 2і , /2 , X . (9) (10) G d elta Определение точности восстановления КДК джиттера оценивалось по критерию среднеквадратичной ошибки и коэффициенту подавлению шума и выполнялось по следующим формулам: Pow оценка среднеквадратической ошибки G К = — - коэффициент подавления шума, S

Аналитическая точностная модель многоканального нониусного измерителя с калибровочными измерениями

Как было сказано в главе 1, оценка параметров джиттера связана с измерением его реализации с помощью специальных измерительных приборов. Следует отметить, что любые измерительные приборы вносят собственную инструментальную погрешность, связанную с особенностями реализации узлов измерительного прибора и выбранного метода измерения. Собственный джиттер измерителя может существенно исказить результаты измерений.

В связи с этим возникает задача оценки и компенсации аппаратными и алгоритмическими методами возникшей инструментальной погрешности [73]. В настоящей главе будут исследованы вопросы компенсации низкочастотной квазидетерминированной компоненты джиттера в многоканальных нониусных измерителях временных интервалах, структуры и принципы работы которых были предложены и реализованы в ряде разработок кафедры «Вычислительная техника» Пензенского государственного университета и использовались для измерения джиттера в различных устройствах хранения, передачи информации.

В основе нониусного метода измерения временных интервалов [52, 53] лежат две шкалы: опорная (основная) и вспомогательная (нониусная), реализованные соответственно на генераторах различной частоты, периоды на выходах которых отличаются на величину разрешающей способности: Та= — , (20) q к где тп - период опорного генератора; к = — - коэффициент Тя - Т0 интерполяции. Соответствие между периодами опорной и нониусной шкал можно представить следующим образом: (21) т=Т0+Т=(\ + —)Т0 U q KJ U Преобразователь, схема которого показана на рисунке 36, содержит: входное устройство (ВУ); основной генератор (ОГ); основной счетчик (ОС); первый (НГ1) и второй (НГ2) нониусные генераторы; первый (НС1) и второй (НС2) нониусные счетчики; буферный регистр (БР); блок управления (БУ). ВХОД Рисунок 36. Структура классического нониусного преобразователя. На рисунке 37 представлена временная диаграмма работы НИ. Входной импульс инициирует запуск НГ1, такты работы которого считает НС1.

Одновременно счетчик ОС подсчитывает такты ОГ. В момент совпадения фаз НГ1 и ОГ (точка А на рисунке 37) содержимое счетчика НГ1 запоминается в разрядах БР, формируя код N1. Второй импульс заканчивает счет тактов работы ОГ, код N0 передается в БР и запускает НГ2. В момент совпадения фаз НГ2 и ОГ (точка Б на рисунке 37) в разряды БР, выделенные для хранения кодов N2 и N0 , заносятся значения НС2 и ОС соответственно.

Стабильность частот обеспечивается применением высокостабильных кварцевых генераторов [74, 75], термостабилизацией [40], автоматической подстройкой частоты [76-78]. Состыковка шкал производится специальными методами [79], приводящими либо к усложнению схемы устройства [80], либо к снижению точности [81-83]. Повышение точности преобразователя ограничена точностью стыковки шкал.

Кроме того, существенным недостатком нониусных преобразователей временных интервалов является влияние на результат преобразований инструментальной погрешности, вызванной задержками запуска и нестабильностью периодов нониусных генераторов. Для уменьшения влияния инструментальной погрешности на результат предлагается проведение калибровки преобразователя [5, 84].

Под калибровкой понимается проведение измерений специального (тестового) интервала, величина которого заранее известна. По разнице измеренного и тестового значения определяется инструментальная погрешность, величина которой учитывается при обработке рабочей последовательности. Калибровка может быть предварительной, которая выполняется перед выполнением рабочих измерений, и оперативной – выполняется одновременно с рабочими измерениями. Наибольший интерес представляет оперативная калибровка, т.к. позволяет учесть динамику изменения инструментальной погрешности при проведении рабочих измерений.

В качестве тестового сигнала было предложено [5] использовать сигнал 0-й длительности, что исключает необходимость формировать высокостабильный периодический импульсный тестовый сигнал. На практике это означает одновременный запуск 2-х нониусных генераторов: одного для выполнения рабочих измерений, второго для калибровочных, при этом рабочее и калибровочное измерения должны выполнятся с поочередным использованием нониусных генераторов, это позволяется нам получить общую картину погрешности по всем нониусным каналам измерителя [33].

Отсюда следует, что при калибровочных измерениях на входы запуска и останова канала подается один и тот же импульс, тогда полученные коды N0, N1 и N2 определяют код интервала между запусками калибруемых каналов по формуле (22).

К причинам возникновения инструментальной ошибки можно отнести как внешние факторы, определяющие условия эксплуатации НИ, так и факторы, связанные с особенностями узлов НИ: – опорный генератор. Будем считать его параметры идеальными, т.к. его нестабильность на порядок меньше нестабильности нониусных генераторов, и предложенный метод калибровки не позволяет скомпенсировать погрешность опорного генератора; – нониусные генераторы. Нестабильность их работы приводит к возникновению низкочастотной, маломощной инструментальной погрешности, которую можно ошибочно интерпретировать как составляющую в исходном сигнале. Также существенным может оказаться такой параметр НГ, как задержка запуска n-ого нониусного измерителя. В дальнейшем при построении модели будем считать, что задержка запуска НГ – случайная величина, которая определяется своим математическим ожиданием и дисперсией. Для оценки эффективности компенсации инструментальной составляющей погрешности измерения джиттера необходимо построить аналитическую, точностную модель нониусного измерителя, реализующего оперативные калибровочные измерения, которая бы позволяла рассчитать влияние различных видов нестабильностей нониусных генераторов на инструментальную погрешность.

Организация измерений джиттера в каналах передачи данных накопителя на магнитных дисках

Каналы записи-воспроизведения и синхронизации накопителей являются частью НМД, в значительной степени определяющей надежность сохранения информации [14, 91-96]. В процессе записи канал обеспечивает регистрацию кодированной последовательности данных на носителе, при воспроизведении – считывание записанной сигналограммы и восстановление исходной кодовой последовательности. Узлы синхронизации обеспечивают временную привязку сигналов информации при записи и воспроизведении относительно синхроимпульсов, формируемых соответствующими генераторами. Действие множества таких дестабилизирующих факторов, как неоднородность носителя, непостоянство зазора «головка-носитель» и скорости вращения носителя, периода синхроимпульсов при записи, межсимвольная интерференция, шумы электронных схем, приводят к искажениям форм канальных информационных и синхронизирующих сигналов. При принятых в современных накопителях способах детектирования наиболее важное значение для надежности имеют временные и фазовые искажения сигналов в характерных точках канала записи-воспроизведения: на выходе пикового детектора усилителя воспроизведения и на выходе генератора синхронизации воспроизведения [7].

В ряде научно-исследовательских работ, выполненных на кафедре «Вычислительная техника» Пензенского государственного университета для измерения искажений, использовался тестер-анализатор временных и фазовых искажений информации в накопителях типа АВИ01 [32, 97]. Тестер обеспечивает выполнение следующих операций: - цифровое измерение мгновенных значений временных интервалов между импульсами сигналов информации на определенных позициях записанной и воспроизводимой накопителем периодической байтовой кодовой последовательности; - цифровое измерение мгновенных значений временного интервала между импульсами информационного сигнала на определенных позициях воспроизводимой периодической кодовой последовательности и стробирующего его синхроимпульса; - регистрацию измеренных значений; - статистическую обработку измеренных значений с последующим представлением результатов оператору.

Порядок выделения измеряемых интервалов в контролируемых сигналах с периодической байтовой последовательности и их нумерация приведены на рисунке 63 для случая воспроизведения кода 11011011, записанного методом MFM, где гi- значение i-ro временного интервала; Тi - значение временного сдвига i-го информационного импульса; ТСИ - период синхросигнала; q = 0.5ГСИ ширина окна детектирования.

Область допустимых значений фазовых искажений в накопителе (область нормирования) предлагалось определять исходя из условия обеспечения требуемой достоверности воспроизведения записанной периодической байтовой последовательности, соответствующей «тяжелому» коду, при котором наибольшая межсимвольная интерференция [7]. периодической байтовой последовательности. Мгновенные значения фазовых искажений, соответствующих каждому информационному импульсу воспроизводимой кодовой последовательности, рассматриваются как реализация случайного процесса. Как показали экспериментальные исследования [29], законы распределения этих значений удовлетворяют нормальному с математическим ожиданием М и среднеквадратическим отклонением (Рисунок 63).

Предлагались приближенные методы прогнозирования джиттера в окне детектирования, формируемые с использованием схем селекции ФАПЧ [8]. Оценка квазидетерминированной составляющей джиттера осуществлялась путем эвристического подбора параметров фильтра.

Рассмотрим возможность применения метода «Гусеница» для обработки полученных экспериментальных данных [67].

Для построения модели детерминированного джиттера в каналах чтения/записи НМД (с использованием алгоритма «Гусеница») предложен следующий алгоритм: 1) центрирование реализации мгновенных периодов относительно среднего значения; 2) выделение КДК джиттера с использованием «Гусеницы»; 3) интерполяция значений квазидетерминированного джиттера на пропущенные интервалы; 107 4) переход от мгновенного джиттера к фазовому; 5) оценка остатка на шум.

Временной ряд, представленный на рисунке 65, полученный по формуле (36), содержит в себе информацию о джиттере в канале чтения/записи НМД и является исходными данными для «Гусеницы».

Анализируя поведение компонент с использованием алгоритма описанного в п.2.3, было определено, что данный временной ряд удовлетворительно описывает реализация «Гусеницы» при длине окна = 128. В таблице 14 приведены значения весов первых 12 компонент.

Особенностью получения данной реализации является низкая производительность измерителя АСК01 относительно скорости передачи данных в канале НМД. В связи с этим проводится измерение не каждого интервала, а только одного на некотором промежутке. Т.к. информация о поведении джиттера на пропущенных интервалах у нас отсутствует, положим, что джиттер на пропущенных интервалах ведет себя аналогично джиттеру на измеренном интервале. Данный способ моделирования джиттера был рассмотрен в п.2.4.3.