Анти джиттер в видеорегистраторе что это

Обновлено: 06.07.2024

В настоящее время цифровые устройства (ЦУ) являются основным классом разрабатываемых электронных технических средств. Для них характерны применение хорошо отлаженных способов проектирования и возможность реализации очень широкого спектра функций. Дополнительными и не менее значимыми преимуществами является высокая защищенность цифровых сигналов от радиопомех, достигаемая за счет пороговой обработки [1].

Несмотря на широкую номенклатуру разрабатываемых ЦУ, можно выделить типовые функции их основных узлов, к которым следует отнести создание, хранение передачу и обработку информации. Реализация данных функций обеспечивается использованием современной элементной базы и специального программного обеспечения для управления аппаратными средствами цифровых устройств. Однако реализуемые функции ЦУ оказываются не безграничными — их производительность во многом определяется разрядностью и тактовой частотой. Следует признать, что оба этих фактора к настоящему времени стали ограничительными: кратное повышение разрядности приводит к чрезмерному усложнению топологии печатных узлов ЦУ и к снижению их надежности, а предельная тактовая частота ограничена возможностями компонентной базы. К настоящему времени классическая технология производства микроэлектронной компонентной базы фактически подошла к физическому пределу [2], именно поэтому предельные рабочие частоты ЦУ не растут так, как это было еще 10 лет назад.

Считается, что если суммарный джиттер занимает более 15 % битового интервала, то цифровой сигнал деградирует настолько, что ЦУ не будет в состоянии выполнять свои функции из-за большого количества битовых ошибок [4]. Если речь идет о широко применяемых сегодня дифференциальных парах, то допустимый уровень джиттера снижается практически двукратно. Связанные с ним проблемы не проявляются разве что для узкого класса элементов ЦУ, работающих в асинхронном режиме (триггеры, блоки автоматики и т.п.), для которых допускается варьирование длительности фронтов, спадов и битового интервала в широких пределах. Но такие элементы обычно не работают с высокими тактовыми частотами.

Практика проектирования высокоскоростных ЦУ однозначно свидетельствует о том, что достижение не только предельных, но и плановых показателей быстродействия возможно только при оптимизации формирования, передачи и обработки цифровых сигналов, и в это понятие, несомненно, следует вкладывать и минимизацию джиттера. По этой причине важно понимать природу возникновения джиттера в цифровых сигналах, а также уметь оценивать его уровень с использованием современных средств измерений.

Причины возникновения джиттера и его типичные проявления в ЦУ

Причины возникновения джиттера, а также влияющие на его характеристики факторы должны рассматриваться в контексте функционирования печатных узлов, реализующих схемы ЦУ. Необходимо учесть, что линии передачи цифровых сигналов работают в условиях паразитного взаимодействия друг с другом, а источники цифровых сигналов — в условиях непостоянства внешних воздействующих факторов.

В настоящее время принято считать, что джиттер имеет детерминированные и случайные компоненты [4]. Детерминированный джиттер определяется системными источниками, такими как перекрестные и межсимвольные помехи, а также колебаниями напряжения электропитания. Он всегда ограничен и может быть охарактеризован пиковым значением для заданной топологии и конфигурации цифрового узла.

Случайный джиттер определяется такими физическими процессами, как дробовой шум, тепловые колебания атомов и фликер, который описывает колебания токов и напряжений, вызванных нежелательными воздействиями со стороны любых посторонних по отношению к интегральным компонентам и линиям передачи факторов, кроме тех, которые определяют детерминированный джиттер. Случайный джиттер может быть описан нормальным законом распределения, и его невозможно прогнозировать.

Детерминированный джиттер (ДД) может быть учтен при тщательном поиске его причин и точной оценке его характеристик. Для упрощения решения этой задачи введена следующая классификация источников детерминированного джиттера (рис. 1). ДД включает периодический, датазависимый джиттер, а также компоненту, вызванную перекрестными помехами. При этом в уровень датазависимого джиттера вносят вклад искажения длительности цикла передачи бит (битового интервала) и межсимвольные искажения.

Рис. 1. Классификация компонентов джиттера Рис. 1. Классификация компонентов джиттера

Искажение длительности цикла является результатом любого различия в значении времени, отведенного для логических состояний в переменной последовательности бит. Это может быть следствием как варьирования длительности фронтов и спадов, так и изменения порогов смены логического состояния. Межсимвольные искажения определяются влиянием ранее переданных бит на временное положение фронтов и спадов. Таким образом, искажения длительности фронта и межсимвольные искажения являются функциями истории передачи и обработки предыдущих бит. Ввиду того, что датазависимая компонента вносит значительный вклад в суммарный джиттер, её составляющие следует рассмотреть несколько подробнее.

Искажение длительности цикла имеет две основные причины. Первая из них состоит в смещении порога переключения передатчика, например, выходного буфера микросхемы, от его идеального уровня. Пунктирная линия на рис. 2 показывает идеальное значение порогового уровня, равное 50% от размаха напряжения, что соответствует одинаковой длительности передачи нулевых и единичных бит. Штрих-пунктирная линия соответствует положительному сдвигу порога переключения, в результате чего длительность цикла при передаче единичных бит становится меньше, чем при передаче нулевых, как это показано на рисунке. Но само значение порогового уровня не является постоянным: оно зависит в первую очередь от постоянства напряжения электропитания и температуры [5]. В свою очередь, стабильность, или как принято сейчас говорить, целостность напряжения электропитания зависит от предпринятых мер по локализации сквозных токов, протекающих в выходных каскадов интегральных компонентов, и от параметров топологии печатного узла, т.е. от индуктивности и емкости монтажа. Это пример показывает, в чем состоит сложность расчетного способа оценки детерминированного джиттера — модель получается слишком сложной, для её построения обычно недостаточно исходных данных и потому она не обладает достаточной точностью.

Рис. 2. Влияние порога переключения на изменение битового интервала Рис. 2. Влияние порога переключения на изменение битового интервала

Еще одной причиной искажения длительности цикла является асимметрия фронтов и спадов цифровых сигналов. Трапециевидная форма сигналов, показанная на рис. 2, соответствует идеальному случаю, а фронты и спады часто имеют экспоненциальную форму. Если скорость спада меньше, чем скорость нарастания фронта, то длительность передачи логической единицы будет больше, чем логического нуля. На рис. 3, иллюстрирующем такую ситуацию, T 0 и T 1 — соответственно длительности битовых интервалов для логического нуля и единицы.

Введенное выше понятие длительности цикла относится к последовательной передаче единичного и нулевого бита и имеет одноименную характеристику, показывающую, какую долю времени занимает передача единичного бита. В представленном на рис. 2 примере длительность цикла менее 50%, а на рис. 3 — более 50% (T1/T0 > 1).

Рис. 3. Асимметрия фронтов и спадов в цифровом сигнале Рис. 3. Асимметрия фронтов и спадов в цифровом сигнале

Особую роль в формировании датазависимого джиттера в виде межсимвольных искажений играет дисперсия, проявляющаяся в частотной зависимости скорости распространения сигналов в линиях передачи. В быстродействующих ЦУ используются сигналы со спектром, который простирается до частот порядка 10 ГГц и выше [4], и он при передаче случайной битовой последовательности является нестационарным. В ходе передачи сигнала линия не только задерживает его, но и вносит амплитудно-фазовые искажения, проявляющиеся в т.ч. в потерях, по сути, работая по принципу фильтра нижних частот. Способность линий передачи запасать энергию в магнитном и электрическом поле также благоприятствует проявлению датазависимого джиттера. Большие потери в линиях передачи усиливают любые виды джиттера.

Эффекты, аналогичные ограничению полосы пропускания, проявляются и при существенной неоднородности волнового сопротивления вдоль линии распространения сигналов. Для электрически коротких линий в основном наблюдается скругление фронтов и спадов сигнала с непостоянной задержкой, а для длинных линий переходные процессы приобретают ступенчатый характер [3].

Уровень межсимвольных искажений зависит от длины и содержания битовой последовательности. При прочих равных условиях более высокий джиттер имеют большие по длине битовые последовательности, а также те, которые характеризуются большим количеством фронтов и спадов.

Периодический джиттер, как правило, имеет постоянную частоту и амплитуду. Он определяется повторяющимися эффектами, не коррелированными с потоком данных, в основном — регулярными коммутационными помехами по цепям электропитания. Джиттер, вызванный перекрестными помехами, определяется случайным состоянием линий передачи цифровых сигналов, находящихся в нежелательном индуктивно-емкостном взаимодействии друг с другом. Если процесс индуцирования помехонесущего тока имеет сходную с фронтом или спадом направленность, то длительность переходного процесса будет снижаться, и наоборот. Практика проектирования ЦУ показала, что отклонение фронтов и спадов, вызванное перекрестными помехами, может достигать ±0,2 нс, что составляет до 15% значения характерной для типовых линий печатного монтажа задержки. Переход к более тонким нормам технологии производства печатных узлов в целях миниатюризации размеров печатных узлов в целом способствует усилению такого нежелательного взаимодействия.

Наличие повышенного джиттера в цифровых сигналах, помимо ограничения предельных рабочих частот приводит к следующим типичным проявлениям:

— к неработоспособности высокоскоростных ЦУ из-за постоянных ошибок в захвате логического состояния;

— к нарушению тактирования в устройствах с жесткими требованиями по синхронизации;

— к появлению нерегулярных сигнальных аномалий, появляющихся в силу особого сочетания передаваемых бит и вызывающих нестабильное функционирование ЦУ;

— к повышению системной задержки и снижению быстродействия.

Влияние джиттера на функционирование некоторых ЦУ может быть критическим, поэтому следует предпринимать меры по его снижению. К ним относятся повышение стабильности питающих напряжений, снижение уровня перекрестных помех, устранение рассогласований в линиях передачи, комплексное обеспечение тайминга ЦУ. К технологическим мерам относятся снижение проектных норм микроэлектронных компонентов, симметрирование плеч выходных каскадов микросхем, достижение минимальных отличий характеристик элементарных вентилей и их стабильности [6]. Одной из возможных мер, как это показано ниже, является повышение напряжения электропитания.

Следует, однако, отметить, что иногда джиттер оказывается полезным. В таких интерфейсах, как PCI и ATA, его намеренно увеличивают вплоть до допустимого предела, чтобы снизить уровень помехоэмиссии. Поскольку джиттер меняет продолжительность битовых интервалов, одновременно изменяется положение минимумов и максимумов спектральной плотности по частоте. Наличие джиттера приводит к снижению средних значений эмиссии излучаемых помех.

Ограничение джиттера на уровне, приемлемом для выбранного класса компонентной базы, является одним из условий надежной работы ЦУ, и поэтому на практике широко применяют различные способы приборного контроля характеристик джиттера.

Методы оценки показателей джиттера

Методы оценки показателей джиттера можно разделить на расчетные и экспериментальные (рис. 4), а экспериментальные, в свою очередь, — на методы, основанные на логическом анализе, а также на измерениях в частотной и временной области.

Как отмечалось выше, проблема джиттера и приводящие к нему явления настолько многогранны, что на текущем уровне научно-технического развитии построить модель его формирования, обладающую достаточной для решения инженерных задач точностью, не представляется возможным. Вместе с тем, при моделировании ЦУ на поведенческом и схемном уровне в обязательном порядке рассматривают вопросы тайминга [3, 4], включающие оценку задержки и временной асимметрии цифровых сигналов при групповой обработке. При использовании расчетных методов джиттер обычно характеризуется минимальным и максимальным показателями, а также дисперсией. Использование традиционных математических моделей схем ЦУ [7], учитывающих факторы, определяющие детерминированный джиттер, позволяют оценить в отдельности его уровень и предпринять корректировку топологии печатных узлов для его снижения, однако не дает возможности рассчитать его случайные составляющие. Аналогичные оценочные расчеты могут быть сделаны для периодического джиттера. Таким образом, основная ценность расчетной оценки джиттера состоит в оценке не его реального уровня, а в выработке действенных мер по его снижению.

Рис. 4. Классификация способов анализа джиттера Рис. 4. Классификация способов анализа джиттера

Спектральный метод анализа джиттера может реализовываться с выделением опорной формы спектрограммы и без таковой. Для получения опорной формы сигнала выполняется усреднение по ряду спектрограмм, для чего удобно использовать приборы реального времени. На основе соотнесения опорной формы спектрограммы с текущей реализацией формируется разностная функция, для которой используется быстрое преобразование Фурье. На основе такого подхода оказывается возможным выделить некоторые закономерности в формировании джиттера, например, его периодичность. Для реализации такой обработки необходимо специальное программное обеспечение.

Второй вариант анализа джиттера на основе представления сигналов в частотной области основан на классическом спектральном анализе с полосой разрешения от 1 Гц и менее и в режиме удержания минимума. О величине джиттера судят по ширине области минимума между первым и вторым лепестком спектрограммы. Если она лежит в интервале частот от f 1 до f 2, то битовый интервал меняется в пределах значений от 1/ f 2 до 1/ f 1, что приближенно и характеризует джиттер. Общим недостатком спектральных методов является их высокая погрешность и недостаточная информативность, т.к. по получаемым результатам трудно судить о степени соответствия сигналов требованиям нормам обеспечения их целостности.

Некоторые характеристики джиттера можно получить с использованием логического анализатора, например, разброс значений битового интервала для логических нулей и единиц при заданном значении порогового уровня. Логические анализаторы удобно использовать при анализе джиттера, вызванного перекрестными помехами, соотнося по времени формальное представление цифровых сигналов в исследуемой и соседних линиях.

На анализе во временной области базируются особые способы представления информации о цифровых сигналах, которые позволяют измерять типичные характеристики джиттера. Ими являются глазковая диаграмма (ГД), вероятностная гистограмма и U-образная кривая. Глазковая диаграмма — это суммарный вид ряда битовых периодов измеряемого сигнала, наложенных друг на друга. Если в середине ГД расстояние между максимумом и минимумом достаточно, то возникновение битовой ошибки маловероятно. По виду ГД могут быть измерены качественные и количественные параметры джиттера. Например, множество отдельных фронтов и спадов говорит о датазависимом джиттере.

Для построения ГД обычно не требуется использование дополнительных сигналов синхронизации, поскольку в средства измерений уже заложен специальный алгоритм восстановления тактовой частоты. Минимальными требованием к осциллографу является высокое качество синхронизации и наличие послесвечения экрана, однако для получения численных характеристик джиттера более удобно использовать функцию автоматических измерений.

Если положение фронтов и спадов варьируется значительно, то определить временную протяженность битового интервала бывает затруднительно. Решить эту задачу с приемлемой точностью позволяют измерения на основе вероятностной гистограммы. Она характеризует плотность вероятности расположения фронта или спада в выбранном месте развертки. Гистограммы используются для углубленного анализа при поиске неисправностей в ЦУ и могут быть при необходимости соотнесены с режимами работы линий передачи для последующей корректировки топологии печатного узла. Например, если функция плотности вероятности имеет два максимума, то это означает наличие двух конкурирующих пар фронтов и спадов и свидетельствует о детерминированном джиттере. Гистограммы являются одним из самых действенных способов оценки эффективности мер по снижению джиттера.

U-образная кривая представляет собой график зависимости частоты ошибок по битам от положения пробной точки на протяженности битового интервале. Обычно она имеет симметричную форму. Вблизи краев ГД вероятность ошибок максимальна и сравнительно постоянна, и это обычно сопоставляют случайному джиттеру. Если U-образная кривая имеет выбросы, о это свидетельствует о детерминированном джиттере. При перемещении точки анализа к середине битового интервала вероятность битовой ошибки резко снижается. Данный метод позволяет разделять джиттер по природе его возникновения. По U-образной кривой определяют границы безошибочной передачи данных, а также запас устойчивости по джиттеру. Спадающая часть U-образной кривой обычно по форме соответствует функции нормального распределения, и по ней можно оценить статистические параметры случайного джиттера.

Как следует из изложенного, наиболее наглядным и информативным является анализ джиттера на основе представления цифровых сигналов во временной области, в то же время обладающий ясной физической интерпретацией. Поскольку анализ джиттера является одной из самых актуальных задач отладки высокоскоростных ЦУ, то для этого существуют специальные программные опции, работающие с аппаратными платформами современных осциллографов. Примером является опция анализа джиттера R&S RTO-K12, обеспечивающая измерения его характеристик в автоматическом режиме согласно настройками пользователя.

Технически джиттер также называется изменением задержки пакетов. Это относится к разнице во времени задержки в миллисекундах (мс) между пакетами данных по сети. Обычно это нарушение нормальной последовательности отправки пакетов данных. Это также означает, что задержка при передаче пакетов по сети колеблется. Уровень задержки на протяжении всего транзита будет колебаться и может привести к задержке передачи пакетов в 50 миллисекунд. В результате возникает перегрузка сетей из-за того, как устройства борются за одну и ту же полосу пропускания. Следовательно, чем больше он перегружен, тем больше вероятность того, что произойдет потеря пакетов. [1]

Cодержание

Функциональность

Дрожание ниже 30 мс.
Потеря пакетов менее 1% от объема передаваемых данных
Общая задержка сети менее 150 мс.

На приведенных выше рисунках показаны условия, которые необходимо учитывать, где допустимо дрожание. Приемлемый джиттер просто означает готовность принять неравномерные колебания при передаче данных. [1:1]

Голосовой трафик - измеряется на основе того, контролирует ли пользователь только одну конечную точку или обе конечные точки.
Одиночная конечная точка - измеряется путем определения среднего времени прохождения туда-сюда (RTT) и минимального времени прохождения серии голосовых пакетов.
Двойная конечная точка - измеряется с помощью мгновенного джиттера или вариации между интервалами передачи и приема пакета.
Тестирование пропускной способности - Вместо использования математики уровень джиттера, с которым сталкивается пользователь, можно определить, выполнив тест пропускной способности. Таким образом, самым простым способом проверки джиттера является проверка полосы пропускания.

Сопутствующие условия

Задержка

Задержка - это время, необходимое для перемещения небольшого количества данных с одной конечной точки на другую. Обычно это влияет на опыт пользователя и в значительной степени зависит от нескольких факторов. Задержка состоит из четырех компонентов: задержка обработки, задержка очереди, задержка передачи и распространения. В то время как джиттер специально задерживает несоответствия. Это относится к несоответствию между задержками между двумя пакетами. Это приводит к потере пакетов и перегрузке сети. Поэтому джиттер и задержка, как правило, связаны друг с другом, но они не одинаковы.

Задержка

Задержка рассматривается как задержка в сети. Это время, которое необходимо пакету данных, чтобы добраться от источника до места назначения. В результате происходит задержка распространения, сериализация и буферизация пакетов. Задержка - это период, начинающийся с момента передачи пакета от отправителя к получателю, в то время как джиттер - это разница между задержками пересылки двух последовательных полученных пакетов в одних и тех же потоках. [2]

Общие вопросы

Джиттер уже является общей проблемой для пользователей, и часто его основной причиной является разница в среднем времени задержки пакетов. Эту проблему можно решить, купив мощный маршрутизатор, используя кабель Ethernet, используя высокоскоростной интернет и устраняя джиттеры с поспешностью. Для того, чтобы система компенсировала влияние джиттера, основным инструментом является буфер или буферная память. Это система, которая позволит хранить временные данные. Это помогает устройству адаптироваться к нерегулярным колебаниям при передаче данных. Проблему джиттера сети очень трудно решить, потому что он непредсказуем. Вот почему важность обеспечения качественного сетевого соединения, хорошей и адекватной пропускной способности и предсказуемой задержки может помочь уменьшить джиттер сети.

Главная страница

Другие языки

Cодержание

Функциональность

Дрожание ниже 30 мс.
Потеря пакетов менее 1% от объема передаваемых данных
Общая задержка сети менее 150 мс.

Голосовой трафик - измеряется на основе того, контролирует ли пользователь только одну конечную точку или обе конечные точки.
Одиночная конечная точка - измеряется путем определения среднего времени прохождения туда-сюда (RTT) и минимального времени прохождения серии голосовых пакетов.
Двойная конечная точка - измеряется с помощью мгновенного джиттера или вариации между интервалами передачи и приема пакета.
Тестирование пропускной способности - Вместо использования математики уровень джиттера, с которым сталкивается пользователь, можно определить, выполнив тест пропускной способности. Таким образом, самым простым способом проверки джиттера является проверка полосы пропускания.

Сопутствующие условия

Задержка

Общие вопросы

Цифровые аудиосистемы отличаются от аналоговых двумя главными особенностями:

Сигнал, непрерывно меняющийся по напряжению или току в аналоговой форме, представляется в цифровом виде фиксированным числом дискретных числовых значений
Эти числовые значения представляют сигнал не постоянно в течении всего времени, а только в определенные моменты времени, моменты квантования

Обычно моменты квантования определяются аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) и цифро-аналоговыми (ЦАП) преобразователем, которые служат для преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую и обратно. Эти устройства зачастую имеют задающий генератор для управления частотой квантования или частотой дискретизации.

Моменты квантования также могут задаваться преобразователем частоты дискретизации — SRC, который использует математические вычисления для трансформации цифрового сигнала одной частоты в другую. В случае если SRC не имеет физического устройства, задающего моменты квантования, вычислительный процесс производится с использованием виртуального тактового генератора.

Цифровое аудио невосприимчиво к многим недостаткам аналоговой записи и аналоговой передачи сигнала: искажения, шумы на линии, шумы пленки, детонации, взаимное проникновение каналов. И даже если сигнал в цифровой форме не полностью избавлен от недостатков, он несомненно очень устойчив к большинству из таких воздействий. Но на практике цифровой сигнал встречается с новыми проблемами: нестабильность тактового генератора, падение характеристик сигнала в кабеле, паразитные наводки. Все это приводит к изменению формы сигнала и небольшим сдвигам во временной области, или джиттеру.

Джиттер также может возникать в случае самотактующегося сигнала (например, S/PDIF). В этом случае джиттер может привести к ошибкам в распознавании данных, к сбою синхронизации или потере отдельных битов. Джиттер задающего генератора также может ухудшать точность оцифровки в преобразователях в процессе квантования.

График 1. Цифровой сигнал формата AES3 под воздействием джиттера

Что такое джиттер?

Джиттером называется отклонение сигнала, такого как тактующий сигнал генератора, во времени от номинала.

Например, джиттер сигнала тактового генератора возникает по причине того, что фронт импульса реального и идеального генераторов различаются, что, кстати говоря, совершенно нормально. В отличие от достижимого в теории идеального сигнала, точка пересечения нуля фронта реального сигнала для разных импульсов различается по времени. Говоря иначе, джиттер — это фазовая модуляция формы цифрового сигнала.

Составляющая джиттера может быть извлечена из тактового или самотактующегося цифрового сигнала и проанализирована в отдельности. Среди наиболее полезных путей изучения влияния джиттера является исследование частотной характеристики и выявление главных частотных компонентов джиттера.

Измерения джиттера

При небольшом количестве джиттера, фронт меандра смещается назад или вперед на небольшую величину по времени. При увеличении джиттера, смещения достигают больших величин.

Амплитудой джиттера называют величину смещения по времени и измеряют в единицах времени: либо в долях секунды (наносекунды, пикосекунды), либо в интервальных единицах (unit). Для тех кто сталкивается с измерениями джиттера впервые, надписи по осям графика могут сбить с толку — зачастую и по вертикальной, и горизонтальной оси отложено время.

Частотой джиттера называют частоту, с которой происходит фазовый сдвиг. Также как в случае наложения шума или помехи, сигнал привносимый джиттером может быть чистой синусоидой, сложным колебанием или полностью случайным процессом.

Интервальная единица (UI)

Интервальной единицей (UI, unit interval) называют отрезок времени, обратно пропорциональный частоте следования данных. Этот термин часто используется при исследованиях джиттера. UI определяется как минимальный номинальный временной интервал в выбранной схеме кодирования. Для сигнала в стандарте AES3 при передачи данных частотой 48 кГц содержатся: 32 бита в субфрейме и 64 бита во фрейме, что дает 128 импульсов на фрейм после применения для кодирования двухфазной модуляции. В этом случае:

1 UI / (128 * 48000) = 163 нс

UI используется в нескольких спецификациях на джиттер в стандарте AES3¹ (стандарт сообщества Audio Engineering Society для интерфейса передачи двухканального цифрового аудио), в результате допуски по спецификации пропорционально масштабируются для разных данных и частот семплирования.

Например, длина UI в секундах для частоты 96 кГц вполовину меньше, чем UI для 48 кГц. Требования по джиттеру для передачи и приема находятся в тех же пропорциях.

Примечание: Некоторые спецификации на пересылку данных определяют UI как продолжительность одного бита при передаче. Такое определение несовместимо со спецификацией AES3 и не будет здесь использоваться.

Как можно увидеть джиттер?

Джиттер цифрового сигнала можно увидеть по смещению импульсов, которые сдвинуты относительно идеального тактового сигнала. И любые правильные измерения джиттера основаны на сравнении подверженного джиттеру сигнала с идеальным клоком.

На практике зачастую нет идеального тактового сигнала, с котором можно сравнить испытуемый сигнал. Поэтому при измерении джиттера приходится опираться на сам сигнал, на смещения по оношению к самому себе.

Простейший и наиболее неудачный пример такого пути — это «наблюдение формы сигнала на осциллографе», подключив сигнал с джиттером к осциллографу, как показано на графике 2. К сожалению, вы получите вводящий в заблуждени результат, который будет зависеть от несовершенства генератора осциллографа, а также от спектра джиттера сигнала. Вместо джиттера, такой способ показывает интервальное отклонение. Между ними есть определенная связь, но на некоторых частотах джиттер не будет виден вовсе, тогда как на других амплитуда джиттера может удвоиться. В частности, если речь идет о низкочастотном джиттере.

График 2. Наблюдение смещения фронтов сигнала на осциллографе.
Неверный способ оценки джиттера!

Вместо этого, можно сэмулировать идеальный тактовый сигнал автоподстройкой фазы относительно низкоджиттерного генератора, используя ФАПЧ (PLL) (см. параграф Фазовая автоматическая подстройка частоты). Такой способ самоуточнения сигнала аналогичен наложению ВЧ фильтра с частотой среза, равной частоте среза ФАПЧ. Полученный идеальный тактовый сигнал можно, например, использовать для внешней тактовки осциллографа или как референсный сигнал при просмотре на двухлучевом осциллографе.

Если тактовать осциллограф от референсного сигнала с ФАПЧ и отмасштабировать отображение по времени ровно в один UI, множество следующих друг за другом импульсов будут отображаться как один, накладываясь двух на друга из-за послесвечения точек люминофора экрана. Такая характерная картинка называется глазковая диаграмма (eye pattern). Величина открытия глаза на диаграмме зависит от смещения по времени фронтов импульса. Узость глазного просвета показывает джиттер (меньше просвет — больше джиттер).

График 3. Глазковая диаграмма, построенная APWIN.
Синяя линия сформирована тестируемым сигналом;
серый прямоугольник показывает минимальный допуск спецификации AES3
(синяя линия не должна заходить внутрь серого прямоугольника)

Используя цифровую обработку сигнала (DSP), можно вычислить идеальный задающий сигнал усреднением анализируемого сигнала. После этого есть возможность выделить сигнал и его джиттер с очень большой точностью. По этим данным анализатор может построить отклонение импульсов по амплитуде и времени в виде глазковой диаграммы (график 3); отобразить джиттер во временной области (график 4), или, используя БПФ, построить спектральное разложение джиттера (график 5).

График 4. Джиттер с основной частотой 5 кГц во временной области

График 5. FFT анализ выделенного из сигнала джиттера

Джиттер при семплинге

Джиттер может влиять на цифровой сигнал в двух широких областях: в процессе преобразования аналога в цифру и обратно, и при передаче в цифровом виде.

Джиттером дискретизации или джиттером семплинга (sampling jitter) называют ошибки выбора моментов времени квантования в процессе оцифровки в АЦП, при преобразования в аналог в ЦАП или в преобразователях частоты дискретизации (SRC). Большое значение джиттера в перечисленных случаях может привести к слышимому ухудшению качества сигнала.

Интерфейсный джиттер

В отличие от постепенного ухудшения звука при увеличении джиттера семплинга, большое значение интерфейсного джиттера при передаче звуковых данных может привести к потере целостности данных. Так что становится важным контролировать значение джиттера при передаче данных. Джиттер цифровых звуковых интерфейсов должен находиться в определенных допусках, чтобы его можно было скомпенсировать на приемной стороне.

Джиттер генератора синхросигнала

Во многих задачах цифрового аудио важно хранить, передавать и обрабатывать сигнал синхронно на всех участках цепочки. Это требует стабильной единой частоты дискретизации. В других задачах важно, чтобы частота семплирования сигнала была строго пропорциональной другой частоте, например частоте кадров видеоряда, чтобы не было расхождения видео и аудиодорожки. Способ управления таймингом в этом случае зовется тактовой синхронизацией (clock synchronization).

Когда тактовый генератор синхонизирован с внешним источником синхронизации, добавляется джиттер от генератора синхросигнала. Также джиттер может быть добавлен на этапе передачи сигнала синхронизации. К счастью, можно отфильтровать джиттер сигнала синхронизации. Зная характеристики джиттера генератора синхросигнала, можно отфильтровать джиттер на приемной стороне.

При тактовании от внешнего генератора таким образом, характеристики подавления джиттера сильно влияют на качество звукового сигнала. В других обстоятельствах это становится не так важно.

Фазовая автоматическая подстройка частоты (Phase-Locked Loop)

При быстром вращении тяжелого маховика на скорость его вращения влияют только продолжительно прикладываемые усилия по ускорению и замедлению, с полным игнорированием коротких по времени воздействий. Нечто похожее наблюдается при работе схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).

На входе ФАПЧ имеется фазовый детектор, который формирует управляющий сигнал на основе сравнения разности фаз входного сигнала и цепи обратной связи. Далее сигнал следует на ФНЧ и генератор управляемый напряжением (VCO). Управление возможно из-за наличия цепи отрицательной обратной связи с заданным коэффициентом усиления (PLL Loop Gain).

Если фазовая разность равна нулю, управляющее воздействие отсутствует, контур замыкается. Если же имеется разность фаз, она управляет источником тока (CP), подающего разностный периодический сигнал на ФНЧ. Отфильтрованный дельта-сигнал управляет генератором VCO, который преобразует напряжение в производную фазы по времени, т.е. в частоту. Происходит регулирование частоты таким образом, чтобы фазовая разность стала равной нулю. Происходит фазовая автоматическая подстройка частоты.

ФНЧ вводится намеренно, для достижения ФАПЧ свойства «маховика». ФНЧ сглаживает ВЧ-помехи во входном сигнале и уменьшает полосу, в которой частота VCO стабилизируется схемой ФАПЧ.

График 6. Передаточные функции ФАПЧ

Ниже частоты сопряжения, благодаря ООС, выход ФАПЧ практически повторяет сигнал на входе, при этом фазовый шум ГУН подавляется. С ростом частоты ООС ослабевает, так что джиттер на выходе ФАПЧ будет в большей степени зависеть от собственного фазового шума ГУН и в меньшей от джиттера входного сигнала. Ключевой момент в реализации ФАПЧ приемника или передатчика состоит в компромиссе между собственным джиттером и его подавлением.

Когда вы находитесь в центре телефонного звонка VoIP, есть несколько вещей, которые расстраивают, как дрожание сети. Джиттер - это одно из тех сбоев, которое ни один сетевой администратор не хочет видеть влияющим на их сервис. Джиттер находится в той же категории проблем с производительностью сети, что и задержка, задержка, и потеря пакета.

>>>Перейти к лучшим инструментам сетевого джиттера<<<

Прежде чем идти дальше, полезно определить эти три понятия, поскольку они довольно часто встречаются вместе:

дрожание - колебания скорости задержки по сети
задержка - Сколько времени требуется пакету для перемещения из одной конечной точки в другую
Задержка - Сколько времени требуется одному пакету, чтобы добраться из одной точки в другую
Потеря пакета - отказ одного или нескольких пакетов достичь пункта назначения

В то время как дрожание сети влияет на некоторые приложения и сервисы гораздо сильнее, чем на другие, дрожание - это проблема, которую необходимо решить. В этой статье мы рассмотрим, что такое джиттер и как можно управлять джиттером в сети корпоративного уровня..

Что такое джиттер?

Джиттер или дисперсия задержки пакета это термин, используемый для обозначения колебаний задержки при передаче пакетов по сети. Таким образом, джиттер является изменяющейся скоростью задержки в сети и измеряется в миллисекундах. Например, если у вас есть два компьютера, которые общаются друг с другом в офисе, произойдет обмен пакетами данных. В исправных сетях эти пакеты будут проходить с постоянным интервалом (примерно 10 мс задержки на пакет).

В сети, испытывающей дрожание, уровень задержки во время передачи будет колебаться и может привести к задержке 50 мс при передаче пакетов. Конечный результат перегрузка сети, когда устройства борются за одно и то же пространство. Чем больше трафика перегружено, тем больше вероятность потери пакетов..

На изображении выше изображен диалог VoIP, в котором пакеты преобразуют звук голоса пользователя и транспортируют его в конечный пункт назначения. Как вы можете видеть с левой стороны, пакеты проходят через интервалы без изменений. Однако с правой стороны компоновка пакетов была нарушена, и конечный пользователь получает пакеты вне времени. Это приводит к аудио, которое трудно различить и понять.

Что такое приемлемый джиттер?

Хотя дрожание далеко не идеально, во многих случаях небольшое дрожание в вашей сети не окажет заметного влияния на вашу связь. Иногда возникают аномальные колебания, которые не имеют длительного эффекта. В этих случаях джиттер не является большой проблемой. Cisco предполагает, что приемлемые уровни дрожания или уровни допуска дрожания являются следующими:

Джиттер ниже 30 мс
Менее 1% от потери пакетов
Общая задержка сети менее 150 мс

В идеале, вы должны стараться держать джиттер ниже 20 мс для лучшей производительности. Если ваш джиттер превышает 30 мс, это будет заметно влиять на качество ваших разговоров в реальном времени. На 30 мс или старше вы начнете испытывать искажения, которые сделают другого пользователя более трудным для понимания.

В случае, если ваш джиттер, потеря пакета или задержка превысят показатели, перечисленные выше, вам следует немедленно предпринять действия, чтобы найти причину проблемы. Поддерживая эти ключевые показатели ниже пороговых значений, вы можете гарантировать, что важные службы, включающие видеозвонки и VOIP-звонки, не испытывают серьезных проблем с производительностью.

Как джиттер влияет на сеть?

Эффект джиттера зависит от услуги, которую вы используете. На некоторых сервисах дрожание не будет очень заметным, но на других, таких как VoIP-звонки и видеозвонки, оно будет гораздо более выраженным. Джиттер оказывает наибольшее влияние на услуги реального времени, такие как трафик VoIP. Когда вы разговариваете по телефону VoIP, вы общаетесь с другим пользователем вживую, и все, что вы слышите, должно быть кристально чистым. Это означает, что поступающие аудиосигналы должны поддерживаться в последовательности, чтобы оставаться понятными.

То же самое нельзя сказать о загрузках файлов, когда вы не сможете определить, вызвало ли дрожание пакеты, которые были задержаны или скремблированы. Для разговоров по VoIP, что-либо меньшее, чем доставка сигнала в реальном времени, приведет к разговору с неразборчивыми аудиосигналами. Пропуски в аудио и шаткие звуковые сигналы характерны для джиттера, принимающего разговор.

Почему джиттер является такой проблемой для телефонных звонков VoIP?

Всякий раз, когда обсуждается дрожание сети, телефонные звонки VoIP являются одной из наиболее часто упоминаемых областей, где дрожание является вредным. Это в первую очередь из-за способа передачи данных VoIP. Когда вы говорите в VoIP телефон ваш голос преобразуется в данные, которые передаются через Интернет. Ваш голос разбивается на множество разных пакетов и затем передается вызывающему абоненту на другом конце.

Однако, пока ваши сегментированные речевые данные находятся в пути, они конкурируют с диапазоном другого трафика, проходящего через вашу сеть. Все эти данные влияют на сетевые ресурсы, что иногда приводит к задержке. Эта задержка может не проявляться при загрузке файла, но когда ваш голос проходит через неорганизованные пакеты, это может привести к путанице и искажению того, что вы первоначально сказали пользователю.

Напротив, когда вы отправляете электронное письмо, пакеты повторно собираются непосредственно перед тем, как они достигают пользователя на другом конце. С вызовами VoIP на это нет времени, и поэтому ваш голос звучит не по порядку. Именно по этой причине VoIP является одной из ключевых проблем, когда речь идет о дрожании сети, поскольку он является одним из наиболее восприимчивых. Это верно и для других сервисов реального времени, таких как видеозвонки и видеоигры..

Одной из наиболее распространенных причин дрожания услуг VoIP является отсутствие приоритетов пакетов. Если голосовые пакеты не имеют приоритета, то конечный пользователь, скорее всего, получит дрожание. Решение заключается в том, чтобы перейти к маршрутизатору и определить приоритеты пакетов, которые передаются по сети (подробнее о расстановке приоритетов мы рассмотрим ниже).

Как найти джиттер с помощью инструментов мониторинга сети

Развертывание инструмента мониторинга сети - один из лучших способов следить за развитием джиттера сети. Средство мониторинга сети сможет сообщить вам, когда служба работает на низком уровне, а также поможет вам увидеть, когда вы превысили текущие ограничения пропускной способности, установленные вашим провайдером..

Мониторинг джиттера очень важен, потому что он позволяет вам действовать в тот момент, когда он становится проблемой. Это также дает вам контекст проблемы производительности, чтобы вы могли проводить информированное устранение неполадок в будущем. Благодаря появлению возможности дрожания сети ваши усилия по устранению и предотвращению дрожания сети в будущем будут более информированными и эффективными..

В следующем разделе мы рассмотрим, как вы можете использовать инструменты мониторинга сети для реализации мониторинга QoS. Следя за проблемами производительности, такими как дрожание и задержка, вы сможете определить, когда ваша сеть работает хорошо и когда вам нужно вмешаться.

Вот два лучших инструмента для борьбы с дрожанием сети:

Мониторинг QoS для джиттера: PRTG Network Monitor (БЕСПЛАТНАЯ ПРОБНАЯ ВЕРСИЯ)

Paessler PRTG Сетевой монитор предлагает ряд функций, которые очень полезны для мониторинга джиттера. Инструмент включает в себя QOS датчик прохождения сигнала, Односторонний датчик QOS, Cisco IP SLA Sensor, и, в частности, Датчик дрожания пинга предназначен для измерения степени влияния джиттера на ваш сервис. Датчик Ping Jitter отправляет ICMP-запросы на URL для определения статистического значения джиттера и времени выполнения.

Результат показан на циферблатах с прозрачным цветом, как показано на рисунке выше. Эта функция полезна для тех, кто хочет определить, насколько сильно дрожание влияет на ключевой сервис. Также вы можете использовать PRTG Сетевой монитор настроить свои собственные уникальные оповещения, чтобы уведомлять вас, когда у службы возникают проблемы с производительностью. В реальной среде это помогает вам быстро реагировать на дрожание, когда оно происходит. Вы можете попробовать Paessler Ping Jitter Sensor который поставляется в комплекте в Paessler PRTG Сетевой монитор на 30-дневную бесплатную пробную версию.

Мониторинг QoS для телефонов VoIP: VoIP SolarWinds & Менеджер качества сети (БЕСПЛАТНАЯ ПРОБНАЯ ВЕРСИЯ)

Учитывая, что дрожание сети является проблемой, которая очень проблематична для вызовов VoIP, принятие Решение по мониторингу QoS для VoIP поможет вам устранить неполадки для поддержания этой важной службы. Инструменты сетевого мониторинга, такие как SolarWinds VoIP & Менеджер по качеству сети позволяют измерять такие показатели, как дрожание, задержка, и потеря пакета которые влияют на конечную производительность вызовов VoIP.

SolarWinds VoIP & Менеджер по качеству сети Это хороший выбор, потому что он не только отслеживает эти метрики, но и активно уведомляет вас при обнаружении джиттера. Это означает, что вы будете получать оповещение каждый раз, когда выполнение вызова падает против любого количества предопределенных параметров. Знание того, как именно ваш звонок терпит неудачу, позволяет вам устранять неполадки с гораздо большей информацией. SolarWinds VoIP & Менеджер по качеству сети доступна на 30-дневную бесплатную пробную версию для оценки.

Как предотвратить дрожание

Конечно, как только вы обнаружите, что у вас есть дрожание сети, вам нужно будет принять меры для его устранения. Есть несколько различных способов сделать это от приоритезации определенного трафика до развертывания буфера дрожания. В этом разделе мы собираемся обсудить некоторые из наиболее распространенных способов борьбы с дрожанием сети и вернуть сеть к полной работе..

Самое замечательное в большинстве этих техник состоит в том, что они удваиваются, чтобы уменьшить задержку. Некоторые из приведенных ниже шагов позволяют вам «убить двух зайцев одним выстрелом», чтобы устранить задержки и дрожание одновременно. Перед выполнением любого из этих изменений вы должны быть абсолютно уверены в влиянии джиттера на вашу сеть (идентифицируя его с помощью инструмента сетевого мониторинга).

Буферы джиттера для минимизации джиттера

Всякий раз, когда скорость дрожания превышает пороговые значения приемлемого дрожания, намеченные Cisco, хорошей идеей будет рассмотреть возможность развертывания буфер дрожания. Буфер дрожания - это устройство, которое используется для противодействия задержке или задержке путем сохранения поступающих пакетов в течение короткого периода времени, прежде чем передать их конечному пользователю. Буферы дрожания настроены для буферизации трафика в течение 30-200 мс, прежде чем трафик будет отправлен конечному пользователю.

В контексте VoIP или видеовызова это привело бы к меньшему дрожанию и разговору, который остается понятным для обеих сторон. Буфер дрожания будет задержать пакеты данных перед отправкой в попытке чтобы убедиться, что пакеты поступают в последовательности. В вызове VoIP конечный результат сводит к минимуму дрожание и перерывы в качестве вызова.

Однако важно отметить, что с помощью буфера дрожания вы будете увеличивать общую задержку в вашей сети. Удерживая пакеты буфер дрожания буквально добавляет задержку на службу. Аналогично, вы должны быть осторожны с настройкой буферов дрожания при реализации полнодуплексной связи. В результате вы хотите проверить канал передачи перед развертыванием буфера дрожания.

Основная проблема с буферами дрожания состоит в том, что они являются решением проблемы с полосой. Они не обращаются к основной причине дрожания, они только обращаются к признакам. Если вы хотите полностью устранить дрожание сети, вам нужно углубиться в сердце вашего маршрутизатора. Добавление новых настроек QoS позволит вам начать решать корень проблемы и улучшить свой сервис.

Настройки QoS: расстановка приоритетов пакетов

Приоритизация пакетов - это тип настройки QoS, при котором вы устанавливаете приоритеты для определенного типа трафика, чтобы уменьшить перегрузку сети.. Ваш приоритетный трафик будет иметь права передачи по сравнению с другими типами трафика и будет отправлен первым в любом сценарии. Приоритет трафика зависит от услуги, которую вы хотите поддерживать. Как правило, приоритезация пакетов зарезервирована для тех критически важных приложений, которые всегда требуют высокой производительности.

Для поддержки вызова VoIP и обеспечения наилучшего качества вам необходимо убедиться, что любые пакеты, содержащие медиаданные VoIP, имеют приоритет над другим трафиком. Вы должны установить канал передачи данных с «высоким приоритетом», чтобы этот трафик обрабатывался раньше всего. В случае перегрузки канала передачи данных неприоритетный трафик будет отброшен до приоритетного трафика..

Чтобы расставить приоритеты VoIP-трафика, вы можете приоритезировать транспортный протокол в реальном времени (RTP) пакеты. Как это сделать, будет зависеть от дизайна вашего роутера. Например, на маршрутизаторе Linksys вы можете перейти к представлению QoS в веб-интерфейсе. Чтобы расставить приоритеты RTP-трафика, вы должны ввести следующее номера портов:

После перезапуска трафик RTP будет более привилегированным, чем любой другой трафик. Независимо от того, какое устройство вы используете, вы хотите сохранить настройки как можно более простыми, чтобы не перегружать свои конфигурации.

Другие решения

Здесь мы рассмотрим некоторые другие решения, которые, тем не менее, не являются наиболее распространенными способами предотвращения дрожания сети, тем не менее, заслуживают рассмотрения..

1. Купите новый, более мощный маршрутизатор

2. Увеличьте пропускную способность или перейдите на высокоскоростное подключение к Интернету.

В ряде случаев проблема заключается не в вашей инфраструктуре, а в скорости вашего соединения. Низкие скорости соединения имеют тенденцию создавать дрожание, особенно при совместном использовании полосы пропускания с другими устройствами. Увеличение пропускной способности вашего текущего интернет-провайдера или смена поставщиков услуг может привести к заметному улучшению обслуживания, которое устраняет дрожание.

QoS останавливает дрожание сети

В большинстве случаев дрожание сети не является большой проблемой. Однако, если вы начнете использовать расширенные сервисы, такие как системы VoIP-телефонов и программное обеспечение для видеоконференций, вам, скорее всего, потребуется внедрить QoS для управления дрожанием сети. Даже если вы не страдаете от джиттера в сети, оставайтесь на связи и следите за качеством своих услуг с помощью монитора производительности сети, чтобы убедиться, что джиттер не станет нерешенной проблемой.

Как только дрожание сети становится очевидным, измерьте, насколько оно сильное. Если он превышает пороговые значения, указанные Cisco, тогда стоит вмешаться и принять меры. Вы можете сделать это, установив приоритет передачи критических пакетов и развернув буфер дрожания. Хотя обновление пропускной способности также является возможным решением, оно часто лучше оптимизировать текущую пропускную способность, чем просто покупать больше пропускной способности.

Принимая упреждающий подход к смягчению последствий дрожания сети, вы убедитесь, что в следующий раз, когда вы общаетесь с клиентом или коллегой, весь разговор протекает естественно. Помните, что плохое голосовое общение не только неудобно, но и потенциально может стоить вам значительной суммы денег (особенно если вы общаетесь с клиентом!). Инвестирование в инструменты мониторинга сети и другие решения теперь поможет вам сэкономить деньги в будущем.

Читайте также: