JP2557118B2 - タイミングジッタの測定方法 - Google Patents

タイミングジッタの測定方法

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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、デジタル中継伝送システムにおいて、伝
送されてきたパルス信号を中継器内で識別再生する再に
用いられるタイミング信号のジッタの大きさを測定する
タイミングジッタの測定方法に関する。
「従来の技術」 光パルス信号または電気パルス信号を伝送するデジタ
ル伝送システムにおいては、通常、送信部と受信部との
間に、デジタル中継器が配置される。
従来、この種の中継器には、伝送されてきたパルス信
号を正しい時刻に識別し、かつ再生して送出するための
リタイミング機能が付加されている。
これらの中継器において、上記リタイミングに用いら
れるタイミング信号は、伝送されてきたパルス信号の繰
り返し周波数であるクロック周波数に正確に一致したも
のであることが理想である。しかしながら、従来、一般
的に用いられる自己タイミング抽出方式による中継器な
どにおいては、受信パルスの符号間干渉などのため、時
間軸方向にゆらぎが発生していた。このゆらぎはジッタ
と呼ばれ、ジッタが大きくなるとパルスを正しい位置で
識別できなくなり符号誤りなどが生じていた。
このことは、逆にいえば、ジッタを精度良く測定する
ことができれば、伝送特性の良否を知ることができるの
で、これまでに幾つかのジッタ測定法が提供されてい
る。
従来、知られているジッタ測定法としては、何種類か
の8ビット固定の繰り換しパルスパターンを中継器に入
力し、このときのタイミング信号の位相偏差から、ラン
ダムパターンが入力されたときのジッタの実効値を計算
により推定する方法(C.J.BYRNE,B.J.KARAFIN,DB.ROBIN
SON,JR.,“Systematic Jitter in a Chain of Digital
Regenerators",The Bell System Technisal Jouranl(1
963,11))、ミキサーを使用して直角位相検波法により
ランダムパターン入力時のタイミング信号のジュタの実
効値を求める方法などがある。これらは伝送速度が400M
b/s位までの光中継器のジッタ測定に主に用いられてき
た。
「発明が解決しようとする課題」 ところが、前者の測定においては直接的にランダムパ
ターンに対するヂッタを求めていない点、後者において
は、時間領域における直接測定ではあるがジッタの測定
帯域が充分ではないという問題がある。
さらに、直角位相検波法を用いた位相解析器において
は、位相を直交させるためのPLLなどの複雑な制御回路
が必要であるが、現在、市販されている位相解析器の最
高動作周波数は1.3GHz、その帯域としては300KHz程度で
ある。
一般に、400Mb/sの伝送速度でタイミングタンクのQ
値を600とすると、ジッタの周波数成分の3dB帯域は約30
0KHzとなる。このことから、上記位相解析器は、600よ
り低いQ値のジッタ測定には適していない。
また、一般に、伝送速度が高速化し、タイミングタン
クのQ値が一定の場合には、ジッタの周波数成分は広帯
域化する。たとえば、伝送速度1.87Gb/sでQ値が600の
タイミング抽出回路を用いた場合、ジッタの周波数成分
は1.87GHzを中心に1.6MHzとなる。伝送速度がさらに高
速化し、将来10Gb/sの光中継器が実現された場合には、
Q値を600とするとジッタ成分の帯域は8.3MHzにもな
り、相当の広帯域測定が必要になる。
以上のことから、10Gb/s程度の高速光中継器のジッタ
を高精度で測定するためには、10GHzの中心周波数で動
作し、かつ広帯域の測定を可能とするジッタ測定法が必
要になる。
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、ジ
ッタ成分が広帯域にわたる高速のタイミング信号に対し
ても、正確にジッタを測定することができるタイミング
ジッタの測定方法を提供することを目的としている。
「課題を解決するための手段」 中継伝送方式に適用されるデジタル中継器で、受信符
号の識別再生時にリタイミング用に用いられるタイミン
グ信号(クロック周波数f0)が有するジッタを測定する
タイミングジッタの測定方法において、 まず、スペクトルアナライザまたは選択レベル測定器
を用いて、クロック成分の電力と前記測定器の周波数帯
域幅Δで測定したジッタ成分の電力との差Anを求め(こ
こで、Anは、クロック周波数f0から周波数fnだけ離れた
点での測定値であることを示す。)、 次に、前記ジッタ成分の電力スペクトル密度Φ
((度)2/Hz)を下式を用いて算出し、 算出された電力スペクトル密度Φ(fn)を周波数域で
積分することにより、前記ジッタが有する電力((度)
)を求め、 さらに、前記ジッタが有する電力の平方根である前記
ジッタの実効値(度・rms)を算出することを特徴とす
るタイミングジッタの測定方法。
「作用」 上記構成において、スペクトラムアナライザ、または
選択レベル測定器により、クロック成分と一定帯域幅
(分解能)内のジッタ成分との相対電力差が、高速、か
つ広帯域にわたって、測定される。
このように、この方法においては、クロック(キャリ
ア)成分およびジッタ成分が絶対測定されるのではな
く、これらの相対電力差が求められる。
このため、スペクトルアナライザまたは選択レベル測
定器が有する表示誤差の影響を排除することができる。
したがって、上記構成によれば、広帯域にジッタが広
がる高速のタイミング信号に対しても、ジッタを精度良
く測定することができる。
「実施例」 以下、図面を参照して、この発明の実施例について説
明する。
◇実施例の構成 第1図は、この発明の一実施例に用いられる光中継伝
送システムのジッタ測定系の構成を示すブロック図であ
る。
この図において、符号1は、マーク率1/2の23段PNパ
ターン信号を出力するパルスパターン発生器、2はパル
スパターン発生器1にクロック信号を供給するシンセサ
イザ、3は光送信部、4は受信部である。また、5,5,…
は光送信部3と光受信部4との間に配置された光中継器
である。さらに、6は、スペクトルアナライザであっ
て、光受信部4からのタイミング信号を受けて、上述し
たクロック(キャリア)成分とジッタ成分の電力差Aを
求めるために用いられる。7は、計算器であり、スペク
トルアナライザ6によって求められた上記相対電力差
(以下、電力差という)を積分処理するために用いられ
る。
◇スペクトルアナライザ6 スペクトルアナライザ6は、バンドパス・フィルタを
用いて、その帯域内の電力を表示するようにした装置で
あり、周波数の掃引により一時に所望の周波数範囲(DC
〜25GHz)の電力スペクトル密度を測定・表示できる。
この例の方法においては、スペクトルアナライザ6を用
いて、クロック成分とジッタ成分との電力差を求めるた
めに用いられる。
◇測定原理 次に、この発明に使用されるタイミングジッタの測定
原理について説明する。
まず、スペクトルアナライザ6から読み取ったクロッ
ク成分とジッタ成分との電力差よりジッタ成分の電力ス
ペクトル密度を求める。
ジッタを含んだタイミング信号s(t)は第1式によ
り示される。
s(t)=V・cos(ω0t+θ(t)) ‥‥(1) ここで、Vはタイミング信号の振幅、ωは伝送速度
に対応する角周波数である。また、θ(t)はジッタ成
分(単位は、radianとする)であり、その時間平均は零
とする。
第1式を展開すると、第2式が得られる。
s(t)=V[cosω0t・cosθ(t)−sinω0t ・sinθ(t)] ‥‥‥(2) ここで、ジュッタθ(t)が小さい場合には、cosθ
(t)≒1,sinθ(t)≒0(t)となるため、タイミ
ング信号s(t)は第3式により示される。
s(t)=V[cosω0t−θ(t)sinω0t] ‥‥‥
(3) 次に、タイミング信号s(t)の自己相関関数Φss
(τ)は、第4式により示される。
ここで、Φ(τ)は、θ(t)の自己相関関数であ
り、その電力スペクトルをΦ(ω)とする。
次に、Wiener−Khintchineの関係により、第4式をフ
ーリエ変換すれば、第5式に示すタイミング信号s
(t)の電力スペクトル密度Φss(ω)が得られる。
電力スペクトル密度Φss(ω)は、第2図に示すよう
に、周波数軸対象であるため、電力スペクトル密度Φss
(ω)の片側のみを考え、これをΦtt(ω)として、第
6式に示す。
第6式に示す片側のみの電力スペクトル密度Φ
tt(ω)を0〜∽の範囲で積分することにより、第7式
に示すタイミング信号の電力P(W)が得られる。
ここで、第7式の第1項のV2/2は角周波数ωのクロ
ック成分の電力(W)を示し、第2項がジッタ成分の電
力(W)を示している。
同式の第2項は、電力スペクトル密度の単位を(ra
d)2/Hzとすると、第8式のようになる。
ここで、スペクトルアナライザ6内にあるバンドパス
フィルタの測定帯域幅(分解能ともいう)をΔとして周
波数fにおけるジッタ成分の電力密度を求める。Δが小
さい場合には、近似的に第9式が成立する。
ここで、キャリアであるタイミング信号(クロック成
分)の電力V2/2と周波数fにおけるジッタ成分の電力
(第9式)との差(相対電力差)をAn(dB)と表す。こ
こで、Anの添字nは、測定値Anが第2図に示すように、
クロック周波数f0から周波数fnだけ離れた点で測定され
たことを示す。
相対電力差Anとジッタ電力スペクトルΦとの関係は第
10式で示される。
An=10 log10(Φ(fn)・Δ) ……(10) 第10式を変形して、ジッタ電力スペクトルΦ(fn)を
表す第11式が得られる。
こうして、第11式より、ジッタの電力スペクトル密度
(rad)2/Hzが、キャリア(クロック成分)とジッタ成
分との相対電力差Anにより求められることになった。
第11式を示すジッタの電力スペクトル密度の単位を
(度)2/Hzで表す場合には、第12式が用いられる。
次に、ジッタの電力および実効値を導く式について説
明する。
第12図において、電力スペクトルΦ(ω)は自己相関
関数Φ(τ)のフーリエ変換であり、偶関数である。し
たがって、Φ(fn)はf0を中心として軸対象になるこの
ことから、第13式に示すように、f0を原点として、f0
上の成分を積分するとにより、ジッタの電力Pj(度
が求められる。
また、ジッタの実効値(Pj1/2[deg.rms]は、第13
式により得られたジッタの電力Pjの平方根を求めること
により得られる。
◇動作(測定) 次に、この例で使用されるスペクトルアナライザ6お
よび計算機7は、以下に示す処理に従って、相対電力差
An、ジッタの電力Pjおよびその実効値(Pj1/2を求め
る。
まず、スペクトルアナライザ6は、キャリアの数端数
f0からの相対周波数fnにおける電力差Anを第14式により
求める。
An(dB)=(fnのジッタ成分の電力(dBm) −(キャリアの電力(dBm)) ‥‥‥(14) 次に、計算機7は、上式により得られた相対電力差An
に基づいて、第12式を演算し、ジッタの電力スペクトル
密度Φ(fn)(度2/Hz)を算出する。
次に、計算機7は、ジッタの電力を算出するために、
第13式に示す積分処理を、台形積分法にしたがって、実
行する。
この例におけるスペクトルアナライザ6の測定分解能
Δが3kHzである場合には、ジッタの電力スペクトル密度
Φ(fn)は、第15式より求められる。
次に、ジッタの電力Pjは、たとえば、測定帯域(積分
範囲)をキャリアf0の片側5MHzとし、測定ポイント数を
200ポイントとすると、第13式の台形積分形である第16
式を実行することにより求められる。
ここで、δfは測定スパン/測定ポイント数であり、
この場合25kHzとする。ただし、Φ(0)=Φ(f1)と
する。
◇測定結果 次に、この例における測定結果を示す。
スペクトラムアナライザ6で電力スペクトルを測定す
る場合は、分解できる帯域幅Δ、結果を表示するときの
ビデオ帯域幅、測定帯域(積分範囲)、信号入力部にお
けるアッテネーション、掃引時間、測定点の数などのパ
ラメータを適当な値に設定する必要がある。ここでは、
伝送速度1.87Gb/sの光中継器5のジッタ測定時に設定し
たパラメータの値を第1表に示す。
測定に用いた1.87Gb/sの光中継器5のタイミング回路
のフィルタのQ値は900である。したがって、ジッタ周
波数成分の3dB帯域幅は約1MHzになる。
第3図は、スペクトルアナライザ6により得られたジ
ッタのスペクトル波形を示す図である。同図において、
スペクトアナライザ6の設定値は、第1表の通りであ
る。同図に示す電力スペクトル波形から、クロック(キ
ャリア)成分とジッタ成分との相対電力差Anを求め(第
14式)、ジッタの電力スペクトル密度Φ(fn)を第15式
により求めた。そして、Φ(fn)を第16式により積分す
ると、その電力Pは1.21(度)となり、ジッタの実効
値は1.1度rmsが得られた。
◇従来法との比較 上述の例で用いた1.87Gb/sの光中継器5を、従来の直
角位相検波法を用いた位相解析器(測定帯域約300kHz)
を用いて測定すると、ジッタの実効値は0.6度rmsとな
り、この例の方法による値の約半分の値になって正確な
測定ができてないことが判る(第4図参照)。
第4図は、この例の光中継器5の場合、どれだけの周
波数範囲での積分に対して、どのようなジッタ実効値が
得られたかを示す図である(破線は、実測値であり、実
線はシミュレート値である)。ジッタの電力スペクトル
の3dB帯域が約1MHz(片側)である場合、第4図より明
らかなように、測定帯域(積分範囲)を約5MHz以上にす
ると、充分正確な測定ができることがわかる。
なお、この方法で測定スパンを300kHzとして測定する
とジッタは0.6度rmsになり従来の位相解析器による結果
と一致する。
上記構成によれば、25GHzを越える高周波まで動作す
るスペクトルアナライザを測定器として使用することが
できるので、ジッタを広帯域にわたって、高速に測定す
ることが可能となる。
また、上記方法は、クロック(キャリア)成分および
ジッタ成分の絶対値測定ではなく、これらの相対電力差
を求めるいものなので、スペクトルアナライザの表示誤
差の影響を除去することができる。
したがって、高速のタイミング信号のジッタを精度良
く測定することができる。
なお、上述の実施例においては、光受信部4からのタ
イミング信号をスペクトルアナライザ6を受けて、キャ
リア成分とジッタ成分との電力差を求める場合について
述べたが、スペクトルアナライザ6に代えて、選択レベ
ル測定器を用いるようにしても上述したと同様の効果を
得ることができる。
なお、上述の実施例においては、パルスパターン発生
器1が、マーク率1/2の23段PNパターン信号を出力する
場合について述べたが、これと異なるパターン信号を出
力するようにしても良いことは勿論である。
また、上述の実施例においては、光中継器のタイミン
グジッタを測定する場合について述べたが、これに限ら
ず、この発明は、電気パルスを発生する中継器のタイミ
ングジッタの測定にも適用することができる。
「発明の効果」 以上説明したように、この発明は、まず、スペクト
ルアナライザまたは選択レベル測定器を用いて、クロッ
ク成分の電力と前記測定器の周波数帯域幅Δで測定した
ジッタ成分の電力との差Anを求め(ここで、Anは、クロ
ック周波数f0から周波数fnだけ離れた点での測定値であ
ることを示す。)、次に、前記ジッタ成分の電力スペ
クトル密度Φ((度)2/Hz)を算出し、算出された電
力スペクトル密度Φ(fn)を周波数域で積分することに
より、前記ジッタが有する電力((度))を求め、
さらに、前記ジッタが有する電力の平方根である前記ジ
ッタの実効値(度・rms)を算出するものなので、広帯
域にジッタが広がる高速のタイミング信号に対しても、
タイミングジッタを精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の一実施例に用いられる光中継伝送
システムのジッタ測定系の構成を示すブロック図、第2
図は、ジッタを含むタイミング信号の電力スペクトルを
示す図、第3図は、同実施例により測定されたジッタの
電力スペクトルを示す図、第4図は、同実施例において
測定帯域(積分範囲)を変えて得られた各ジッタ実効値
を示す図である。 1……パルスパターン発生器、2……シンセサイザ、3
……光送信部、4……光受信部、5,5……光中継部、6
……スペクトルアナライザ、7……計算器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】中継伝送方式に適用されるデジタル中継器
    で、受信符号の識別再生時にリタイミング用に用いられ
    るタイミング信号(クロック周波数f0)が有するジッタ
    を測定するタイミングジッタの測定方法において、 まず、スペクトルアナライザまたは選択レベル測定器
    を用いて、クロック成分の電力と前記測定器の周波数帯
    域幅Δで測定したジッタ成分の電力との差Anを求め(こ
    こで、Anは、クロック周波数f0から周波数fnだけ離れた
    点での測定値であることを示す。)、 次に、前記ジッタ成分の電力スペクトル密度Φ
    ((度)2/Hz)を下式を用いて算出し、 算出された電力スペクトル密度Φ(fn)を周波数域で
    積分することにより、前記ジッタが有する電力((度)
    )を求め、 さらに、前記ジッタが有する電力の平方根である前記
    ジッタの実効値(度・rms)を算出することを特徴とす
    るタイミングジッタの測定方法。
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US6597205B2 (en) 2001-12-21 2003-07-22 Honeywell International Inc. High accuracy method for determining the frequency of a pulse input signal over a wide frequency range
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