In un sistema di comunicazione digitale, i segnali dati sono soggetti a numerose fonti di rumore ed effetti indesiderati che ne degradano la qualità. Uno di questi degradi è il jitter (Figura 1), che si manifesta come fluttuazioni temporanee nei periodi di bit del segnale digitale, ostacolando il campionamento e il recupero dei dati all'estremità ricevente. A seconda della sua velocità di trasmissione, il segnale dati sarà più o meno influenzato dal jitter. Tuttavia, in tutti i casi, esistono livelli massimi di jitter che devono essere rispettati. L'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni, nella sua Raccomandazione ITU-T G.783, specifica i requisiti di jitter per i segnali ottici digitali SONET/SDH. I valori limite di jitter sono riassunti nella Tabella I. Come si può notare, in tutti i casi si assume un jitter massimo del 10% del periodo di bit, sebbene i valori misurati dipendano dalla gamma di frequenza considerata e, soprattutto, dalla velocità di trasmissione del segnale digitale. Ad alte velocità (10 e 40 Gbit/s), le misurazioni del jitter devono essere piuttosto precise. Pertanto, è necessaria una strumentazione ad alte prestazioni, come quella presentata in questo articolo.

Fonti di jitter.
Il jitter nelle reti di comunicazione ottica può avere origine da diverse fonti. Per descrivere l'influenza di ciascuna, è utile analizzare lo schema a blocchi del sistema. Lo schema a blocchi più semplice è costituito da un trasmettitore ottico, un ricevitore ottico, un collegamento in fibra ottica e un clock di riferimento (Figura 2). Il clock di riferimento determina la velocità di trasmissione del sistema. Se la frequenza del clock fluttua nel tempo, anche la velocità di trasmissione fluttuerà e il segnale dati subirà jitter. I meccanismi che causano il jitter nel clock di riferimento possono essere vari: jitter casuale dovuto al rumore dell'oscillatore, jitter periodico dovuto a bande laterali spurie o distorsione del duty cycle dovuta alle non linearità dell'oscillatore.
Per generare il segnale dati, il trasmettitore riceve il clock di riferimento come segnale di ingresso. Tipicamente, questo clock di riferimento viene utilizzato come frequenza di base da cui viene generata la velocità di trasmissione da trasmettere. Il processo di moltiplicazione di questa frequenza di riferimento viene eseguito utilizzando un PLL, che contribuisce anch'esso al jitter. In questo caso, si tratta di un jitter casuale originato dall'oscillatore interno (VCO, oscillatore controllato in tensione). Il jitter in ingresso (proveniente dal clock di riferimento) viene filtrato dalla funzione di trasferimento del PLL. Poiché si tratta di un filtro passa-basso, le componenti ad alta frequenza del jitter vengono eliminate. Tuttavia, il jitter a bassa frequenza rimane. D'altra parte, il jitter del VCO è influenzato da una funzione di trasferimento complementare, poiché il VCO si trova all'interno del circuito del PLL. Pertanto, in questo caso, le componenti a bassa frequenza del jitter del VCO vengono eliminate, mentre le componenti ad alta frequenza rimangono. Inoltre, al jitter del VCO può aggiungersi il rumore proveniente da altri elementi del circuito, come amplificatori o un rivelatore di fase, con conseguente spettro di jitter più complesso. La conclusione principale è che la larghezza di banda del PLL ha un'influenza significativa sui livelli di jitter del segnale dati e l'analisi dello spettro di jitter nel dominio della frequenza fornisce informazioni preziose su come il jitter si propaga e su come controllarlo.
Sebbene queste sorgenti di jitter siano principalmente elettroniche, anche i componenti ottici contribuiscono ad aumentarne i livelli. Ad esempio, il trasmettitore laser e gli amplificatori ottici generano rispettivamente rumore RIN e ASE, che degradano la qualità del segnale dati. Anche il rumore di fase (larghezza di riga) o il chirp del trasmettitore ottico sono problematici, poiché la loro combinazione con la dispersione cromatica nella fibra (conversione PM-IM) genera rumore di intensità e jitter. In breve, la fibra ottica come mezzo di trasmissione non è immune all'introduzione di jitter. Ad alte velocità (ad esempio, 40 Gbit/s), anche la dispersione di polarizzazione (PMD) è una frequente causa di degrado, limitando la portata dei collegamenti in fibra con compensazione della dispersione a pochi chilometri.
Il ricevitore nel sistema di comunicazione deve quindi gestire un segnale degradato e recuperare i dati con errori minimi. Anche il ricevitore stesso può contribuire al jitter attraverso meccanismi simili a quelli presenti nei circuiti del trasmettitore. Poiché il jitter influisce direttamente sul tasso di errore di bit (BER), esiste un valore massimo di jitter (per ogni velocità di trasmissione) che consente al sistema di funzionare correttamente. Se questo valore viene superato, sarà necessaria una qualche forma di rigenerazione 3R per ridurre i livelli di jitter.

 

Misurazioni del jitter
Per verificare se il sistema rientra nelle specifiche di jitter (Tabella I), sono necessarie misurazioni con strumentazione ad alte prestazioni. In genere è molto utile esaminare l'allargamento spettrale del segnale. L'allargamento dello spettro del segnale di clock è solitamente simmetrico, quindi è sufficiente analizzare lo spettro della banda di modulazione superiore rispetto alla frequenza centrale della portante ideale (offset). Poiché questo allargamento è normalmente dovuto a processi di rumore casuale, l'energia viene misurata mediante media su intervalli di 1 Hz. Ciò produce un grafico del rumore di fase come quello mostrato in Figura 3. Le unità sono dBc/Hz, poiché il risultato della misurazione è normalizzato rispetto all'energia totale del segnale. Questo grafico mostra che il jitter casuale è composto da diversi meccanismi di rumore, ciascuno con una natura distinta: rumore bianco di fase indipendente dalla frequenza, rumore di flicker di modulazione di fase (dipendenza come 1/f), rumore bianco FM (dipendenza come 1/f²), rumore di flicker FM (dipendenza come 1/f³) e rumore FM a percorso casuale (dipendenza come 1/f⁴). Questo metodo di analisi del jitter è preferito dai progettisti di sistemi wireless e può essere misurato utilizzando un analizzatore di spettro. Tuttavia, per i collegamenti di comunicazione ottica, è preferibile rappresentare lo spettro del jitter in secondi RMS, poiché ciò fornisce maggiori informazioni quando si confrontano segnali con diverse velocità di trasmissione. In questo caso, è impossibile ottenere misurazioni del jitter analizzando il rumore di fase su un analizzatore di spettro, quindi è necessario utilizzare altri tipi di strumentazione. Sul mercato sono disponibili apparecchiature di diversi produttori per la misurazione del jitter nei sistemi ottici digitali. Non si tratta di dispositivi specializzati, bensì di oscilloscopi e analizzatori di segnale digitale che svolgono molteplici funzioni, tra cui la capacità di determinare con precisione il jitter dei segnali ottici e/o elettronici in ingresso. La Figura 4 mostra alcuni dei risultati di misurazione tipici che si possono ottenere con uno di questi dispositivi. Nello specifico, si tratta dell'analizzatore di comunicazioni digitali Agilent (Infiniium 86100C DCA-J). Come si può notare, il dispositivo consente di ottenere il valore di jitter totale (TJ), nonché di separare i diversi contributi: jitter dipendente dai dati (DDJ), che include l'interferenza intersimbolica (ISI) e la distorsione del duty cycle (DCD), jitter periodico (PJ) e jitter casuale (RJ). Inoltre, la Figura 4 mostra diversi istogrammi dei valori di jitter misurati. Questi permettono di osservare la dispersione dei valori di jitter, nonché di calcolare i valori RMS.
Altre apparecchiature disponibili sul mercato includono l'analizzatore di segnale Anritsu MP1800 e l'oscilloscopio a campionamento digitale Tektronix DSA8200. Per l'MP1800 (Figura 5), ​​sono recentemente diventate disponibili diverse opzioni che consentono di effettuare misurazioni di jitter su segnali fino a 50 Gbit/s. Nello specifico, questi includono il sintetizzatore a 4 porte da 12,5 GHz (MU181000B), le opzioni di modulazione del jitter (MU181000A/B-001) e l'applicazione software per la misurazione del jitter (MX180005A). Il Tektronix DSA8200, d'altra parte, consente anche l'analisi del jitter nei segnali ottici digitali fino a 43 Gbit/s utilizzando l'applicazione software 80SJNB. Inoltre, il team identifica e isola le cause che influenzano l'apertura orizzontale e verticale del diagramma a occhio, separando gli effetti del jitter e del rumore.

 

Francisco Ramos Pascual. Dottore di ricerca in Ingegneria delle Telecomunicazioni.
Professore ordinario presso il Politecnico di Valencia.