Di David K. Fibush(Tektronix)

Traduzione di R. Pellacani

La definizione e la misura del jitter(il pulsare di una immagine) nei segnali della bandabase dell'NTSC è stata una difficoltà di primo ordine per molti anni; è stato ora trovatoche il jitter è di significativo interesse e risulta essere una controindicazione per losviluppo dei sistemi digitali seriali audio e video. Specifiche come un jitter di 40 nsec.nell'audio digitale secondo la AES/EBU e un jitter di 0.5 nsec. nel video digitale serialesono importanti per assicurare la conformità agli standard. E' necessario definire il jitter eappropriati metodi di misura così come capire come un jitter accettabile in un sistema diinterconnessione possa avere effetto sul risultante segnale analogico. Metodi di testusano oscilloscopi a larga banda o recentemente waveform monitor resi disponibili perquesti segnali. La misura del jitter in un sistema di dati seriali è un soggetto di sviluppoper le applicazioni televisive.Vengono esaminati diversi metodi di misurare il jitter , risultati di test sia per l'audio cheper il video digitale .

Un pre-requisito per eseguire misure di segnali digitali è di capire la loro composizione. Ilvideo a componenti digitali 525/625 e il composito NTSC/PAL sono stati usati in formaparallela come definiti da diversi standard. Il video è tuttora campionato a una velocità diclock di 13.5MHz per i componenti e a 4 volte la frequenza della sottoportante per ilcomposito generalmente con una accuratezza di 10 bit . Sistemi precedenti e la maggiorparte dei VTR usano un formato a 8 bit per la campionatura. Il segnale digitale risultanteviene passato attraverso macchine che usano una interconnessione consistente in 10coppie di cavi e una coppia per il clock. Le specifiche del jitter per il segnale di clock a13.5MHz viene stabilito in :"Il jitter picco-picco tra i fronti a salire sarà compreso tra 3nsec. di tempo medio del fronte a salire calcolato su un field". Per l'NTSC composito laspecifica è di 5 nsec.

La formazione dei segnali digitali.Per formare un segnale video standard digitale i dati paralleli rappresentano lacampionatura del segnale analogico che viene processato per creare la cascata dei datidigitali. Figura 1. Il clock parallelo viene usato per leggere le campionature in un registrodi spostamento e un multiplo x10 del clock parallelo sposta fuori i bits,l'ultimo bitsignificativo per primo(LSB), per ogni parola di dati di 10 bit. Se sono disponibili solo datia 8 bit in ingresso il serializzatore posizionerà gli zeri entro i due LSB per completare laparola di 10 bit.

GLI EFFETTI DEL JITTER E LE MISURE NEI SEGNALI TELEVISIVISERIALI DIGITALI

2

Parallel in

10

Data

Clock

Fclock

x10

SHIFT REGISTERNRZ

MSB LSB

Serial Out

Scrambled NRZI

Load data Shift data

ENCODER

SCRAMBLER

10x clockNTSC composite 143 Mb/s

PAL composite 177 Mb/s

Component 270 Mb/s

16x9 18MHz Compon 360 Mb/s

G (X) = x + x +11

9 4

G (X) = x + 12

MSB

LSB

FIGURA 1

Seguendo la serializzazione dell'informazione parallela la cascata dei dati digitali vienescramblerizzata(mischiata casualmente) da un algoritmo matematico,quindi codificata inun codice di non ritorno a zero(NRZI) da una concatenazione delle seguenti due funzioni:

G X X X

G X X

1 1

2 1

9 4( )

( )

= + += +

Al ricevitore viene usato l'inverso di questo algoritmo nel deserializzatore per ricostruirecorrettamente i dati. Nel sistema di trasmissione seriale digitale il clock è contenuto neidati al contrario del sistema parallelo ove esiste un canale separato per il clock.Scramblerizzando i dati(rendendoli casuali) l'energia spettrale delle basse frequenzeviene ridotta e viene assicurata una abbondanza di transizioni per assicurare una correttaricostruzione del clock. La forma del segnale risultante che viene chiamata "eyepattern"(forma a occhio) appare come mostrato nella figura 2.

3

Unità di intervallo

0.8V

+/-10% Jitter

<0.5ns p-p

20% to 80%

Rising time

0.75 to 1.5 ns

Figura 2

Al centro di ogni occhio un ricevitore seriale determinerà se il segnale è "alto" o "basso"per ricostruire il dato. Il jitter,il rumore e altre distorsioni del segnale possonopotenzialmente chiudere l'occhio nel punto ove accadono gli errori. Una unità di intervalloviene definita come il tempo tra due transizioni adiacenti del segnale o il reciproco dellafrequenza di clock - 3.7 nsec. per il video in componenti ove il clock è a 270MHz e 7.0nsec. per il composito NTSC ove il clock è a 143MHz.

La specifica del jitter nello standard per il video seriale digitale è stabilito dall' SMPTE259M che afferma: " Il tempo di salita dei fronti a salire del segnale dei dati saràcompreso entro +/- 0.25 nsec. del tempo medio dei fronti di salita come determinato su unperiodo di una linea". Alla prima pubblicazione dello standard nel Febbraio del 1993esisteva una nota che aggiungeva: " Questa specifica è un tentativo essendo in corsolavori per determinare il metodo di misura". Infatti entrambe sia la specifica che il suometodo di misura sono tuttora soggette allo studio della commissione SMPTE.

L'audio digitale per lo standard AES/EBU è un segnale seriale che è un multiplexing( riduzione della base dei tempi) delle campionature di due canali audio e di qualche datoausiliario. Per la televisione la proporzione perfetta di campionatura è quella a 48KHzcon il clock agganciato al video come richiesto dai VTR digitali. Esistono 32 bit di datiassociati a ogni campionatura che producono per i due canali una proporzione di dati di3.07Mbit/sec. (una sola cascata di dati seriali per due canali). Siccome lo schema dicodifica del canale (biphase mark) inserta una transizione per ogni periodo di clock, laproporzione di transizione risultante del segnale seriale può essere di 6.14MHz il cheproduce un intervallo unitario di eye pattern della durata di 163 nsec.

Il jitter nei segnali digitali seriali.Jitter ,presenza di rumore,variazioni in ampiezza e altre distorsioni dei dati digitali serialipossono avvenire allorché esista un processamento da parte degli amplificatori didistribuzione,da parte delle matrici di commutazione e altre macchine che lavorino sulsegnale in forma esclusivamente seriale. La figura 3 mostra come il segnale ricostruitopossa essere perfetto come l'originale se i dati sono identificati con un clock non affettoda jitter. Sino a che il rumore e il jitter non supereranno la soglia dei circuiti di

4

identificazione (ovvero sino a che l'occhio sarà sufficientemente aperto) i dati sarannoperfettamente ricostruiti.

Original data

Data with Noise and Jitter

Clock ( rising edge)

Recovered data

Figura 3

In un sistema pratico il clock viene estratto dalla cascata dei dati digitali e conterrà unpoco del jitter presente nel segnale. Il jitter del clock può essere una cosa desiderabile inquanto il jitter aiuta a posizionare il contorno del clock nel mezzo dell'occhio. Una grandequantità di jitter a bassa frequenza può essere tollerata nei ricevitori seriali se il clocksegue la posizione di occhio aperto al suo variare di posizione nel tempo.

2 unit interval

Jitter

(clock unit interval)

0.25 unit interval

X tal oscillator

LC oscillator

1 KHz

250 KHz

10 KHz

2 MHzFrequency

Amounth of jitter at which receivers errors begin

Jitter at these frequencies do not

appear in the extracted clock

Jitter at these frequencies

appear in the extracted

clock

Figura 4

Un esempio di sensibilità al jitter di un ricevitore è mostrato nella figura 4 ove la lineasolida rappresenta la quantità di jitter che potrebbe causare errore nel segnale ricevuto.Per il jitter a bassa frequenza le variazioni nella collocazione in tempo della formadell'occhio dalla sua posizione media in un certo numero di intervalli unitari non avràeffetto nella estrazione dei dati. All'aumentare della frequenza del jitter la tolleranza del

5

ricevitore diminuisce a un valore attorno a 0.25 unità di intervallo. Il punto di rottura perquesta curva di tolleranza dipende dal tipo di estrazione del clock biphase-locked loop(PLL) che viene usato.

Vengono accettati due tipi di jitter basati sull'accettazione di presenza di jitter nel clockestratto che viene usato per ricostruire i dati e si definiscono in:

• Jitter di timing (o jitter totale). La variazione in tempo di istanti significativi (come latransizione dallo zero) di un segnale digitale relativo a un clock di riferimento.

• Jitter di allineamento (o jitter relativo). La variazione in tempo di istanti significativi(come il passaggio per lo zero) di un segnale digitale relativo a un clock ricostruito dalsegnale stesso.

Siccome i dati sono generalmente ricostruiti usando un clock estratto che contiene jitter lainformazione risultante digitale potrebbe contenere jitter nei suoi punti di transizionecome mostrato nella figura 5.

Original data

Data with Noise and Jitter

Clock with noise and jitter

Recovered data with edge jitter

Figura 5

Questa è comunque una informazione completamente valida in quanto il processamentodel segnale digitale terrà conto solo dei valori di "alto" o "basso" nel mezzo del periodo diclock. Tuttavia se lo stesso clock con jitter ( o un suo sottomultiplo) viene usato perconvertire l'informazione digitale in analogica, possono accadere errori,figura 6.

6

V

T

V

T

Correct samplesCorrect timing

Correct samplesIncorrect timing due to Jitter Figura 6

Valori di campionatura convertiti in analogici esattamente nel tempo esatto produrrannouna linea esatta mentre l'uso di un clock con jitter produce una forma d'onda non corretta.L'effetto relativo sulla forma d'onda analogica prodotta usando lo stesso clock per laconversione da digitale a analogico (D/A) e per l'estrazione dei dati dal segnale serialedipenderà dalla quantità di jitter (in unità di intervallo) e dal numero dei livelli diquantizzazione del segnale digitalizzato. Dove viene richiesto un jitter migliore per il clockdel convertitore D/A può essere usato un circuito come quello mostrato nella figura 7 ;un cristallo alto Q PLL produce un clock con un jitter molto più basso.

Data

Recovery

Deserialize Buffer DAC

Clock

Recovery

Hight Q

PLL

Genloc(opz)

Serial

Data

Analog

Out

Fc

Serial Rate Clock with Jitter

Parallel Rate Clock with Jitter

Reference

Signal

N N

FcN

Fc

N

Figura 7

Specifiche tipiche del jitter per segnali di audio seriale e video seriale/parallelo sonomostrate nella tavola 1.

7

Tavola 1- Specifiche tipiche del jitterStandard Clock

period nsec.Jitter Spec. nsec.

% of unitinterval

D/A ConverterRequirement

AES/EBU audio 163 40.0 25 1.0 nsec. spec.0.1 nsec. 16bit

Serial NTSC 7 0.5 7 0.5 nsec.Serial PAL 6 0.5 9 0.5 nsec.SerialComponent

4 0.5 14 0.5 nsec.

Parallel NTSC 70 10.0 15 0.5 nsec.Parallel PAL 56 10.0 20 0.5 nsec.ParallelComponent

37 6.0 16 0.5 nsec.

Parallel HD 7 1.0 14 0.1 nsec.

Lo standard AES/EBU per l'audio seriale digitale permette un jitter di +/- 20nsec. che èappropriato in quanto il valore picco-picco di 40 nsec. è circa 1/4 di una unità di intervallo.Come spiegato precedentemente le necessità(le tolleranze) nei confronti del jitter delclock nel convertitore D/A sono considerevolmente più piccole. Una prima stesura dellostandard AES/EBU specifica il convertitore D/A con un jitter di 1 nsec. Tuttavia un valoreteorico per l'audio a 16 bit potrebbe essere di 0.1 nsec. Il punto importante è che ilricevitore dell' audio AES/EBU seriale dovrebbe essere progettato per gestire un jittersino a 40usec. mentre i circuiti per la conversione interna D/A dovrebbero ridurre il jitterdel clock a un livello inaccettabile.

La situazione per il video digitale parallelo è simile; tuttavia miglioramenti nella praticahanno permesso il superamento dell'ostacolo. La maggior parte o tutti i clock del videodigitale parallelo hanno un jitter di 1 nsec. o minore e la maggior parte o tutti i ricevitoriparalleli non permettono o non tengono conto di un clock con più di quella piccolaquantità di jitter. Per segnali video 525/625 in ingresso a un convertitore D/A a 10 bit iljitter accettabile del clock è basato sulla frequenza del burst, il 25% dell'ampiezza delsegnale(approssimativamente l'ampiezza del burst), il che causa meno di un errore pergli LSB. Per segnali a alta definizione viene usato un segnale a 20MHz. E' opinionedell'autore che i progettisti di nuove attrezzature dovranno fare molto bene per seguirequesta tradizione e di non produrre jitter nel clock parallelo con valori vicini allespecifiche pubblicate . Per i sistemi digitali seriali la comunità degli ingegneri sta ancoraconsiderando se dovrebbe essere permesso un jitter a bassa frequenza più grande delnominale 0.5 nsec. Per esempio se un clock estratto da tutti i segnali seriali siaappropriato come ingresso a un convertitore D/A senza usare un riduttore di jitter o setocca al convertitore D/A essere munito di un circuito di riduzione del jitter.

Misurare il jitter.Esistono 3 metodi collegati all'uso di un oscilloscopio per misurare il jitter in un segnaledigitale seriale. La misura del jitter totale o jitter di timing richiede un clock di riferimentoesente da jitter (figura 8a).

8

A

B

Serial Signal

Reference clock

Serial Signal

V in

H trigger

V in

H trigger

Clock Extraction and

Phase Looked Loop

Oscilloscope presentation

Oscilloscope presentation

Jitter

Jitter

Figura 8

Il jitter di allineamento o relativo si misura usando un clock estratto dal segnale serialeche è sotto valutazione(figura 8b). La misura del timing del jitter comprendeessenzialmente tutte le componenti in frequenza del jitter come indicato dalla lineatratteggiata che è davanti alla linea solida della figura 9.

Total jitter is measured using a reference clock

Full Value

Jitter

(relative value)

Zero

X tall oscillator

LC oscillator

1 KHz

250 KHz

10 KHz

2 MHz

Frequency

This jitter is measured

using an extracted clock

Figura 9

Le componenti in frequenza del jitter misurate con il metodo dell'allineamento del jitterdipenderanno dalla larghezza di banda del circuito di estrazione del clock. Le componentia bassa frequenza del jitter non saranno comprese in quanto il clock estratto segue il jitterdel segnale seriale. Queste componenti a bassa frequenza del jitter non sonosignificative per la ricostruzione dei dati perché il sistema di estrazione del clock ha lastessa larghezza di banda del sistema di ricostruzione dei dati basato sulla ricostruzionedel clock( il clock è facente parte del segnale dei dati). Tutte le frequenze di jitter sopra aun certo valore saranno misurate con punti di taglio tra le due aree di frequenzeappropriate per la banda in uso del sistema di estrazione del clock in uso. Di solito siuserà un PLL che contiene un cristallo o una induttanza/capacità (L-C) e un oscillatore (inopposizione al semplice clock estratto mostrato dalla figura 8).

9

Il terzo metodo di osservare ma non di misurare il jitter è un semplice ma menzogneromodo di usare un oscilloscopio autotriggerato (figura 10).

Jitter

Frequency

Serial signal

Oscilloscope presentation

1 unit interval

Tm Sweep delay

Jitter

Twice full value

(relative value)

Full value

Zero( Tm = 37 nsec) 13.5 MHz 27.0 MHz

( Tm = 250 ns) 2.0 MHz 4.0 MHz

This Jitter

is measured

This jitter

is measured

Figura 10

Triggerando internamente l'oscilloscopio sulla rampa di salita o discesa della formad'onda è possibile displeiare una forma d'onda a occhio con un tempo di ritardo dopo ilpunto di trigger. Usando gli oscilloscopi moderni con campionatura digitale è possibileottenere un lungo ritardo con una piccola quantità di jitter attribuibile ai circuiti di ritardodell'oscilloscopio. A prima vista questa sembra una strada giusta per valutare la forma aocchio in quanto non serve il circuito di autoestrazione del clock. Il problema è che lecomponenti in frequenza del jitter che vengono misurate sono funzione del ritardo disweep usato e questa funzione è un comb filter. Come risultato esistono delle frequenzedi jitter che non saranno misurate e altre che indicheranno due volte più alto del valoreche ci si sarebbe aspettato. Inoltre esiste un effetto di passa basso con questo tipo dimisura, l'aspetto del filtro è molto diverso da quello ottenuto con il sistema di misura delclock estratto e il risultato non è una buona indicazione della capacità del ricevitore diricostruire i dati dalla cascata dei dati seriali.

Come esempio, il video seriale a componenti ha una unità di intervallo di 3.7 nsec. Se ilritardo di sweep è di 37 nsec. sarà mostrato il terzo incrocio a zero. In molti deiserializzatori attuali esiste una forte componente di jitter a 1/10 della frequenza del clockdovuto in parte al multiplo x10 del serializzatore. Una misura eseguita con self-triggering(triggerato su se stesso) sul terzo incrocio a 0 non mostrerà questo jitter. Inalternativa una misura eseguita su un altro incrocio a 0 può mostrare un jitter maggiore didue volte. Per complicare ancora di più la faccenda se il jitter alla frequenza di 1/10 èesattamente simmetrico (come una sinusoide) il quinto punto di incrocio a 0 dovrebbenon possedere jitter ma effettivamente il quinto incrocio possiede molto jitter. In praticasolo il decimo,ventesimo,trentesimo incrocio appariranno essere privi di jitter.

Nello scoprire mal funzionamenti nel sistema in metodo del self-triggered può essere utileper seguire sino alla sorgente la sorgente del jitter. Tuttavia una efficace misura di jitterche risponda alle specifiche dovrebbe essere fatta col metodo del clock self-extracted.

10

Un gruppo di lavoro ad-hoc dell'SMPTE sta mettendo a punto un metodo per misurare especificare il jitter del video seriale digitale che comprenda il più possibile un sistema diself-extraction del clock.

Conclusioni.I segnali digitali seriali di interconnessione per segnali televisivi all'interno dello studiorichiedono nuove procedure di test e misura e attrezzature dedicate. La caratteristicheanalogiche dell'alta percentuale di bit contenuta nel segnale seriale devono esseremisurate con accuratezza al nano secondo. La misura del jitter è una delle nuoveprocedure in evoluzione che devono servire come riferimento per le prestazioni di unsistema seriale digitale. Il jitter è particolarmente importante in quanto i metodi diestrazione dei dati usati dai ricevitori,per progetto, non rimuovono tutto il jitter del clockricostruito. In qualche sistema il jitter sopportabile del clock può essere più grande diquello che risulta essere appropriato per un convertitore D/A. Questo può rivelarsi essereun serio problema per l'audio digitale seriale a causa della precisione richiesta dall'usodi 16 o più bit per campionatura.

Molte delle idee presentate in questo articolo sono state discusse dal gruppo di lavoro adhoc dell'SMPTE sul jitter e la sua misura nelle interfaccie seriali e formerà la base peruna specifica migliorata sulla definizione del jitter rispetto alla SMPTE 259M.

(finito di tradurre il 3/10/93)