Las medidas de jitter son clave para asegurar un correcto funcionamiento de los sistemas y redes de comunicaciones. A altas velocidades se necesitan medidas de jitter muy precisas. En este artículo presentaremos algunos de los instrumentos de laboratorio que se emplean para este cometido.

A lo largo de todo un sistema de comunicaciones digitales, las señales de datos se ven sujetas a numerosas fuentes de ruido y efectos no deseados que degradan su calidad. Una de estas degradaciones es el jitter (figura 1), que se manifiesta como fluctuaciones temporales de los períodos de bit de la señal digital que dificultan el proceso de muestreo y recuperación de los datos en recepción. Dependiendo de su tasa de bit, la señal de datos se verá más o menos influenciada por el jitter. Pero en todo caso existirán unos niveles máximos de jitter que se deberán asegurar. La Unión Internacional de Telecomunicaciones, en su recomendación UIT-T G.783, especifica los requisitos de jitter para señales ópticas digitales SONET/SDH. Los valores límite de jitter se resumen en la tabla I. Como se puede ver, en todos los casos se presupone un jitter de como máximo el 10% del período de bit, aunque los valores medidos dependen del margen de frecuencias considerado y, sobretodo, de la tasa de bit de la señal digital. A altas velocidades (10 y 40 Gbit/s) las medidas de jitter deben ser bastante precisas. Por ello se necesita emplear instrumentación de altas prestaciones como la que presentaremos en este artículo.

Fuentes de jitter
El jitter presente en las redes de comunicaciones ópticas puede provenir de diversas fuentes. Para describir la influencia de cada una de ellas, conviene analizar el diagrama de bloques del sistema. El diagrama de bloques más básico consiste en un transmisor óptico, un receptor óptico, un enlace de fibra y un reloj de referencia (figura 2). El reloj de referencia determina la tasa de bit del sistema. Si la frecuencia de dicho reloj fluctúa con el tiempo, entonces también lo hará la tasa de bit y la señal de datos sufrirá jitter. Los mecanismos causantes del jitter en el caso del reloj de referencia pueden ser variados: jitter aleatorio debido a ruido del oscilador, jitter periódico debido a las bandas laterales espúreas o distorsión del ciclo de trabajo debido a no linealidades del oscilador.
Para generar la señal de datos, el transmisor recibe como señal de entrada el reloj de referencia. Normalmente, este reloj de referencia se utiliza como frecuencia de base a partir de la cual se genera la tasa de bit a transmitir. El proceso de multiplicación de dicha frecuencia de referencia se realiza con algún tipo de PLL, el cual contribuirá también con la adición de jitter. En este caso, se trata de jitter aleatorio proveniente de su oscilador interno (VCO, voltage-controlled oscillator). El jitter de entrada (proveniente del reloj de referencia) se filtra por medio de la función de transferencia del PLL. Dado que se trata de un filtrado paso-bajo, se eliminan las componentes de alta frecuencia del jitter. Sin embargo, el jitter de baja frecuencia se mantiene. Por otro lado, el jitter del VCO se ve afectado por una función de transferencia complementaria a la anterior, puesto que el VCO se encuentra dentro del bucle del PLL. Luego en este caso se eliminan las componentes de baja frecuencia del jitter del VCO, manteniéndose las de alta frecuencia. Adicionalmente, el ruido proveniente de otros elementos del bucle tales como amplificadores o detector de fase puede añadirse al jitter del VCO, proporcionando un espectro de jitter más complejo. La principal conclusión es que el ancho de banda del PLL tiene una gran influencia en los niveles de jitter de la señal de datos, y el análisis del espectro del jitter en el dominio frecuencial proporciona gran información acerca de cómo éste se propaga y qué hacer para controlarlo.
Si bien estas fuentes de jitter se refieren al dominio electrónico, los componentes ópticos también contribuyen a incrementar los niveles de jitter. De este modo, el transmisor láser y los amplificadores ópticos generan ruido RIN y ruido ASE, respectivamente, que degradan la calidad de la señal de datos. Incluso el ruido de fase (ancho de línea) o chirp del transmisor óptico es un problema, pues al combinarse con la dispersión cromática de la fibra (conversión PM-IM) genera ruido de intensidad y jitter. En definitiva, la fibra óptica como medio de transmisión no está exenta de introducir jitter. A altas velocidades (por ejemplo, 40 Gbit/s) la dispersión por polarización (PMD) es también una causa frecuente de degradación que limita el alcance de los enlaces de fibra con compensación de dispersión a unos pocos kilómetros.
Luego el receptor del sistema de comunicaciones se encuentra con que debe manejar una señal degradada y recuperar los datos con el mínimo número de errores. Incluso el propio receptor puede también contribuir con jitter por medio de mecanismos similares a los de la circuitería del transmisor. Dado que el jitter afecta directamente a la tasa de error (BER), existe un valor máximo de jitter (para cada tasa de bit) que permite el correcto funcionamiento del sistema. Si se supera este valor, entonces resultará necesario aplicar algún tipo de regeneración 3R con el fin de reducir los niveles de jitter.

 

Medidas de jitter
Para comprobar si el sistema se encuentra dentro de las especificaciones de jitter (tabla I) se necesita hacer medidas con instrumentación de altas prestaciones. Generalmente resulta muy útil examinar el ensanchamiento espectral que ha sufrido la señal. El ensanchamiento del espectro de la señal de reloj suele ser simétrico, por lo que resulta suficiente el análisis del espectro de la banda superior de modulación con respecto a la frecuencia central de la portadora ideal (offset). Dado que dicho ensanchamiento se debe normalmente a procesos de ruido aleatorios, la energía se mide promediando sobre intervalos de 1 Hz. De este modo, se obtiene una gráfica de ruido de fase como la mostrada en la figura 3. Las unidades son dBc/Hz, ya que el resultado de la medida se normaliza con respecto a la energía total de la señal. De esta gráfica se deduce que el jitter aleatorio está compuesto por diferentes mecanismos de ruido, cada uno de ellos de diversa naturaleza: ruido blanco de fase independiente de la frecuencia, ruido flicker de la modulación de fase (dependencia como 1/f), ruido blanco FM (dependencia como 1/f2), ruido flicker FM (dependencia como 1/f3) y ruido FM de recorrido aleatorio (dependencia como 1/f4). Este método de análisis del jitter es el preferido por los diseñadores de sistemas inalámbricos y puede medirse utilizando un analizador de espectros. Sin embargo, para los enlaces de comunicaciones ópticas se prefiere representar el espectro de jitter en segundos rms, pues aporta mayor información a la hora de comparar señales de diferente tasa de bit. En este caso resulta imposible obtener medidas de jitter analizando el ruido de fase en un analizador de espectros, por lo que hay que acudir a otro tipo de instrumentación. En el mercado existen equipos de múltiples fabricantes para la medida de jitter en sistemas ópticos digitales. No se trata de equipos específicos, sino de osciloscopios y analizadores digitales de señal que sirven para múltiples propósitos, además de poder determinar con precisión el jitter de las señales ópticas y/o electrónicas de entrada. En la figura 4 se muestran algunos de los resultados de medida típicos que pueden obtenerse con uno de estos equipos. Concretamente, se trata del Analizador de Comunicaciones Digitales (Infiniium 86100C DCA-J) de Agilent. Como puede verse, el equipo permite obtener el valor de jitter total (TJ), además de separar las distintas contribuciones: jitter dependiente de los datos (DDJ), incluyendo interferencia entre símbolos (ISI) y distorsión del ciclo de trabajo (DCD), jitter periódico (PJ) o jitter aleatorio (RJ). Adicionalmente, en la figura 4 se representan diversos histogramas con los valores de jitter medidos. Éstos permiten observar la dispersión de los valores de jitter, así como calcular los valores rms.
Otros equipos que también pueden encontrarse en el mercado son el analizador de señal MP1800 de Anritsu y el osciloscopio digital de muestreo DSA8200 de Tektronix. En el caso del primer equipo (figura 5), recientemente se ofrecen diversas opciones que permiten realizar medidas de jitter sobre señales de hasta 50 Gbit/s. Concretamente, se trata del sintetizador de 4 puertos de 12,5 GHz (MU181000B), las opciones de modulación de jitter (MU181000A/B-001) y la aplicación software de medida de jitter (MX180005A). Por otra parte, el DSA8200 de Tektronix también permite analizar el jitter de señales opticas digitales de hasta 43 Gbit/s mediante el empleo de la aplicación software 80SJNB. Adicionalmente, el equipo identifica y aísla las causas que afectan a la apertura horizontal y vertical del diagrama de ojos, separando los efectos del jitter y del ruido.

 

Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de Telecomunicación.
Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia.