Dans un système de communication numérique, les signaux de données sont soumis à de nombreuses sources de bruit et d'effets indésirables qui dégradent leur qualité. La gigue (figure 1) est l'une de ces dégradations. Elle se manifeste par des fluctuations temporaires de la durée des bits du signal numérique, entravant l'échantillonnage et la récupération des données à la réception. L'intensité de la gigue dépend du débit binaire. Toutefois, des niveaux de gigue maximaux doivent être respectés. L'Union internationale des télécommunications (UIT-T), dans sa recommandation G.783, spécifie les exigences de gigue pour les signaux optiques numériques SONET/SDH. Les valeurs limites de gigue sont résumées dans le tableau I. On constate qu'une gigue maximale de 10 % de la durée des bits est généralement admise, bien que les valeurs mesurées dépendent de la bande de fréquences considérée et, surtout, du débit binaire du signal numérique. À haut débit (10 et 40 Gbit/s), les mesures de gigue doivent être très précises. Un appareillage performant, tel que celui présenté dans cet article, est donc nécessaire.

Sources de gigue.
La gigue dans les réseaux de communication optique peut provenir de diverses sources. Pour décrire l'influence de chacune, il est utile d'analyser le schéma fonctionnel du système. Le schéma fonctionnel le plus simple comprend un émetteur optique, un récepteur optique, une liaison fibre optique et une horloge de référence (Figure 2). L'horloge de référence détermine le débit binaire du système. Si la fréquence de l'horloge fluctue, le débit binaire fluctue également et le signal de données subit une gigue. Les mécanismes à l'origine de la gigue de l'horloge de référence peuvent varier : gigue aléatoire due au bruit de l'oscillateur, gigue périodique due à des bandes latérales parasites ou distorsion du rapport cyclique due aux non-linéarités de l'oscillateur.
Pour générer le signal de données, l'émetteur reçoit l'horloge de référence comme signal d'entrée. Généralement, cette horloge de référence est utilisée comme fréquence de base à partir de laquelle le débit binaire à transmettre est généré. La multiplication de cette fréquence de référence est effectuée à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase (PLL), qui contribue également à la gigue. Dans ce cas, il s'agit d'une gigue aléatoire provenant de son oscillateur interne (VCO, oscillateur commandé en tension). La gigue d'entrée (provenant de l'horloge de référence) est filtrée par la fonction de transfert de la PLL. Ce filtre passe-bas élimine les composantes haute fréquence de la gigue, mais laisse subsister les composantes basse fréquence. En revanche, la gigue du VCO est affectée par une fonction de transfert complémentaire, car le VCO est intégré à la boucle PLL. Dans ce cas, les composantes basse fréquence de la gigue du VCO sont donc éliminées, tandis que les composantes haute fréquence persistent. De plus, le bruit provenant d'autres éléments de la boucle, tels que des amplificateurs ou un détecteur de phase, peut s'ajouter à la gigue du VCO, complexifiant ainsi le spectre de gigue. En conclusion, la bande passante de la PLL influence significativement les niveaux de gigue du signal de données, et l'analyse spectrale de la gigue dans le domaine fréquentiel fournit des informations précieuses sur sa propagation et son contrôle.
Bien que ces sources de gigue soient principalement électroniques, les composants optiques contribuent également à son augmentation. Par exemple, l'émetteur laser et les amplificateurs optiques génèrent respectivement du bruit RIN et ASE, dégradant ainsi la qualité du signal de données. Même le bruit de phase (largeur de raie) ou le chirp de l'émetteur optique pose problème, car sa combinaison avec la dispersion chromatique dans la fibre (conversion PM-IM) génère du bruit d'intensité et de la gigue. En bref, la fibre optique, en tant que support de transmission, n'est pas exempte de gigue. À haut débit (par exemple, 40 Gbit/s), la dispersion de polarisation (PMD) est également une cause fréquente de dégradation, limitant la portée des liaisons par fibre compensée en dispersion à quelques kilomètres.
Le récepteur du système de communication doit alors traiter un signal dégradé et récupérer les données avec un minimum d'erreurs. Le récepteur lui-même peut également contribuer à la gigue par des mécanismes similaires à ceux présents dans les circuits de l'émetteur. La gigue affectant directement le taux d'erreur binaire (TEB), il existe une valeur maximale de gigue (pour chaque débit binaire) permettant au système de fonctionner correctement. Si cette valeur est dépassée, une forme de régénération 3R sera nécessaire pour réduire les niveaux de gigue.

 

Mesures de gigue.
Afin de vérifier la conformité du système aux spécifications de gigue (Tableau I), des mesures avec des instruments de haute performance sont nécessaires. L'examen de l'élargissement spectral du signal est généralement très utile. L'élargissement du spectre du signal d'horloge étant habituellement symétrique, l'analyse du spectre de la bande de modulation supérieure par rapport à la fréquence centrale de la porteuse idéale (décalage) est suffisante. Cet élargissement étant généralement dû à des processus de bruit aléatoire, son énergie est mesurée en moyennant sur des intervalles de 1 Hz. On obtient ainsi un graphique de bruit de phase semblable à celui présenté sur la Figure 3. Les unités sont exprimées en dBc/Hz, le résultat de la mesure étant normalisé par rapport à l'énergie totale du signal. Ce graphique montre que la gigue aléatoire est composée de différents mécanismes de bruit, chacun ayant une nature distincte : bruit blanc de phase indépendant de la fréquence, bruit de scintillement de modulation de phase (dépendance en 1/f), bruit blanc FM (dépendance en 1/f²), bruit de scintillement FM (dépendance en 1/f³) et bruit FM à trajet aléatoire (dépendance en 1/f⁴). Cette méthode d'analyse de la gigue est privilégiée par les concepteurs de systèmes sans fil et peut être mise en œuvre à l'aide d'un analyseur de spectre. Toutefois, pour les liaisons de communication optique, il est préférable d'exprimer le spectre de gigue en secondes RMS, car cela fournit davantage d'informations lors de la comparaison de signaux à différents débits binaires. Dans ce cas, l'analyse du bruit de phase sur un analyseur de spectre ne permet pas d'obtenir des mesures de gigue ; d'autres types d'instruments doivent donc être utilisés. Plusieurs fabricants proposent sur le marché des équipements permettant de mesurer la gigue dans les systèmes optiques numériques. Il ne s'agit pas d'appareils spécialisés, mais plutôt d'oscilloscopes et d'analyseurs de signaux numériques multifonctionnels, dont la capacité à déterminer avec précision la gigue des signaux optiques et/ou électroniques d'entrée. La figure 4 illustre quelques résultats de mesure typiques obtenus avec l'un de ces appareils, en particulier l'analyseur de communications numériques Agilent (Infiniium 86100C DCA-J). Comme on peut le constater, l'appareil permet d'obtenir la valeur de gigue totale (TJ) et de séparer ses différentes contributions : la gigue dépendante des données (DDJ), incluant l'interférence intersymboles (ISI) et la distorsion du rapport cyclique (DCD), la gigue périodique (PJ) et la gigue aléatoire (RJ). De plus, la figure 4 présente différents histogrammes des valeurs de gigue mesurées. Ceux-ci permettent d'observer la dispersion des valeurs de gigue et de calculer les valeurs RMS.
Parmi les autres équipements disponibles sur le marché figurent l'analyseur de signaux Anritsu MP1800 et l'oscilloscope numérique à échantillonnage Tektronix DSA8200. Pour le MP1800 (figure 5), plusieurs options sont désormais disponibles pour la mesure de la gigue sur des signaux jusqu'à 50 Gbit/s. Il s'agit notamment du synthétiseur 4 ports 12,5 GHz (MU181000B), des options de modulation de gigue (MU181000A/B-001) et du logiciel de mesure de gigue (MX180005A). Le Tektronix DSA8200, quant à lui, permet également l'analyse de la gigue dans les signaux optiques numériques jusqu'à 43 Gbit/s grâce au logiciel 80SJNB. De plus, l'équipe identifie et isole les causes affectant l'ouverture horizontale et verticale du diagramme de l'œil, en distinguant les effets de la gigue et du bruit.

 

Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications.
Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence.