Regeneración de una trama de bits

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1991

Este fue mi primer artículo para mi blog, hace ya casi dos años, pero nunca lo llegue a publicar. Realmente este no es ni la versión original, la versión original era un tocho, en el que el jitter era la palabra que salía en más párrafos.

En su momento nunca decidí a darle salida, me parecía un tema de un nivel más avanzado que acabaría aburriendo a la gente o que no le interesaría a nadie. Siempre pensé que tenía que escribir cosas, que le pudiesen interesar a la gente o que le pudiesen valer de algo a la gente, así que este artículo, mi primer artículo, nunca salió a la palestra.

Sin embargo algo ha cambiado, a raíz de un hilo que vi hace poco en el cual alguien quería saber algunos parámetros para cuantificar la calidad de su trama digital, me di cuenta, de que no todo el mundo quiere hablar de temas de relativa facilidad o vanalidades en el mundo del audio, no era ya un tema trilladisimo, era algo nuevo, que podía abrir muchas puertas de conocimiento a la gente que estuviese interesada en este tema. Además hace poco hice el reportaje del reloj de Black Lion, en el cual metí algo de teoría de relojes, y creo que el tema de regeneración de tramas puede ser una buena continuación. Antes de leeros esta entrada os recomiendo leeros la del Black Lion, para que entendáis algunas cosas de las que hablaré ahora.

A decir verdad el tema de la regeneración de tramas de bits, no es un tema propio del audio digital, ya que en audio digital no se produce una degradación de las tramas como para necesitarse, pero la regeneración de tramas, conlleva una serie de conceptos, que quizás puedan abrirte una puerta a entender un poco más como funciona los relojes de los sistemas, y que cojones, que tengo ganas de hablar de ello y en la calle hace mucho calor.

La palabra clave de la regeneracion de tramas es la palabra «reclocking» esta tremenda palabra anglosajona, no significa otra cosa que resincronizar de nuevo los bits de la trama. ¿Pero qué es lo que le pasa a las tramas de bits, para que se necesite regenerar?. Pues fundamentalmente dos cosas, distorsiones en la amplitud y en la base de tiempos. Con la palabra distorsiones aquí no me refiero a la clásica distorsión que entiende todo el mundo, sino más bien a la perdida de similitud de la señal emitida y la señal recibida. Como fruto de esta distorsión, la señal no es la misma, y cuanto más diferente sean las señales, más necesidad de regeneración de trama se necesitará.

A continuación os dejo dos imagenes, que ya usé hace unas semanas pero me vienen bien para que entendais de lo que quiero hablar

 

Vamos a suponer que la primera imagen, es la trama a la salida de una máquina digital y la segunda imagen es la trama recibida en otra máquina digital. Como se puede ver, ambas imagenes no son iguales, la señal se ha degradado, y por lo tanto si queremos tenerla como era originalmente habrá que regenerarla.

No quiero entrar en mucho detalle, para que la gente no me empiece a tirar tomates, así que voy a seguir simplificando el asunto. Como he comentado los dos problemas que se observan en las tramas degradas en la amplitud, y en la base de tiempos, se produce una distorsión que hace que la trama pierda la forma original de salida, lo cual podría dar problemas más adelante. La regeneración se hace para tratar de recuperar la forma de la trama inicial desde tres frentes: la base de tiempos, el nivel de amplitud, la forma en sí misma de cada bit.

La diferencia que se puede apreciar entre ambas imagenes es con respecto a la forma de la trama, y al grosor de los trazos. Si nos fijamos en la forma de la trama. Vemos que los bits se parece más a cuadraditos en la primera imagen que en la segunda. En la segunda la forma de cuadrado se intuye pero muy de lejos. Bien, empecemos a dar cera con la teoría, si tenemos en el dominio temporal una señal cuadrada periódica, su descomposición en el dominio espectral, será un montón de componentes armónicas que se extiende hasta el infinito, la envolvente de estas componentes dibujaran una sinc. Es decir una señal cuadrada ideal, se muestra en el espectro con componentes hasta el infinito, y si tratamos de calcular la energía tendremos una serie que no converge, es decir la energía de esta señal tenderá a infinito. Cojonudo, si quiero tener en nuestro universo una señal totalmente cuadrada, tendré que usar infinita energía, vamos imposible. Estas señales no existen en nuestro universo, existen señales pseudocuadradas, que se manifiestan como señales casi casi cuadradas, pero que no llegan a ser cuadradas. La diferencia esta en los terminos o componentes de más alta frecuencia, si hacemos desaparecer estos, la serie ya es convergente con energía limitada y por tanto los podremos crear en nuestro universo. Hasta aquí todo bien, pero en que se van a diferenciar entonces una señal cuadrada de una pseudocuadrada, pues precisamente en estos términos de muy alta frecuencia, los cuales son los encargados de conferirle a la señal el aspecto de una señal puramente cuadrada o una señal pseucuadrada. En concreto los ármonicos de alta frecuencia son los que se relacionan con las variaciones muy alta frecuencia, por tanto existirán diferencias allí donde se produzca una variación de la señal en lapsos de tiempo muy cortos: en los flancos de subida y bajada de la señal cuadrada.

¿Vale y que tiene que ver todo esto con la trama de bits? Muy fácil la trama de bits, tendrá una apariencia más a onda cuadrada cuantas más componentes espectrales de alta frecuencia tenga, es decir cuantas más componentes allá, más empinada será la subida y la bajada en la onda cuadrada. De esta forma podéis ver que entre la primera y segunda imagen, se han perdido unas cuantas componentes por el camino, la segunda imagen, parece que le da más pereza subir y bajar de nivel, es más lento. ¿Y por qué se han perdido estas componentes espectrales? Pues muy fácil, se han perdido en el cable (medio de transmisión). Un cable puede ser modelado como un filtro paso bajo de segundo orden, con lo cual se va a cepillar parte de las componentes de alta frecuencia. Menuda cagada, habrá que recuperar estas componentes ¿no? ¿y ha alguien se le ocurre como?……. bingo, con un ecualizador, en concreto un filtro paso alto que acentúe de nuevo las altas frecuencias que se están perdiendo.

Esto es con respecto a la forma de la trama, pero no era la unica diferencia,¿ recordais cual era la otra? efectivamente los trazos en la segunda imagen son más gordos que en la primera y de estos trazos vamos a obtener los dos siguientes problemas. El que los trazos de subida y de bajada en los flancos sean más gordos, indican un aumento en el jitter, y el que los trazos sean más gordos en la parte supuestamente superior y la parte supuestamente inferior indica un problema en la amplitud.

El problema de la amplitud es sencillo, como la trama de bits viaja por un cable nos encontramos otro tipo de perdida el asociado a la parte resistiva del cable. Mientras que el condensador y bobina del modelo del cable, nos creaba un filtro paso bajo que eliminaba las frecuencias de orden superior, la parte resistiva del modelo del cable es el encargado de atenuar el nivel de amplitud recibido al otro lado del transmisor. Sin embargo este es el problema más fácil de solventar, amplificamos la señal y a correr. Por eso los trazos gruesos en los valles y mesetas de las ondas cuadradas, es porque el nivel de amplitud oscila entre los diferentes bits.

Vamos ahora con el jitter, el jitter en sí es una distorsión de la base de tiempos de la señal, es decir la señal se adelanta o atrasa con respecto al reloj que marca la base de tiempos de la transmisión. Esto produce una serie de oscilaciones de la señal hacia adelante o hacia atrás que hace que la señal presente un trazo grueso en las subidas y en las bajadas. Como cabe esperar el jitter lo tendremos que solventar también, y para solventarlo la única forma que existe es regenerar la señal de reloj embebida en la trama.

Bueno pues visto los problemas ahora vamos a ver la solución, y para ello os pongo aquí una figurita que he hecho con el paint, que lo mismo vale para pintar pollas que para pintar diagramas de bloques.

 

 

En este diagrama de bloques aparece en la parte superior un circuito de «reclocking» y en la parte inferior el diagrama de bloques de un registro de desplazamiento.

Antes de empezar a comentar esta circuitería, me gustaría comentar que en aquellas comunicaciones digitales, en las que no existe posibilidad de enviar la señal de reloj, por un canal específico, se multiplexa o embebe los bits propiamente de datos, con la señal de reloj, y posteriormente el receptor es el encargado de separar de la trama, la señal de reloj de los bits de datos.

Bueno pues demosle caña al circuito de «reclocking». A la entrada del circuito lo primero que se encuentra en la mayoria de los casos es el ecualizador. Este ecualizador es un filtro paso alto, cuya función es la de recuperar los armónicos superiores que se han eliminado durante la transmisión, para de esta forma, tratar de recuperar la forma original de la trama de bits. En el dominio temporal se corresponde con la función matemática de derivación, que lo que hace es perfilar las señales sobre las que se aplica, haciéndose la trama mas cuadradita.

La salida del ecualizador, se envía hacia dos cadenas en paralelo, la encargada de tratar con los bits de datos, y la encargada de tratar con el reloj de la trama. Voy a empezar con la rama del reloj, ya que la otra rama necesito explicarla con la señal de reloj recuperada.

La rama del reloj es la que pasa por la circuitería PLL, que como ya sabréis viene de phase locked loop, o sea bucle de enclavamiento de fase. Esta circuitería es la encargada de regenerar la señal de reloj. ¿Vaya marrón no? ¿y eso como lo hace? Pues muy facilmente, tiene truco. Realmente esta circuitería lo primero que tiene que hacer es detectar la frecuencia del reloj, y una vez que conoce la frecuencia, debe enganchar la fase de la señal de reloj que a él le llega con la señal de reloj que el está generando, y por último tiene que estar comprobando continuamente que no halla una deriva en la fase entre ambas señales, ajustando para ello continuamente la fase del reloj generado con la fase del reloj de la entrada, y para ello realimenta su salida a una de sus entradas, y mediante un circuito servo, va realizando las correcciones (aumentando o ralentizando) para que las fases siempre sean iguales. Para ello el circuito servo, se alimenta de una señal de control que proviene de un comparador, que compara la señal de reloj de la trama con la señal generada por el PLL. El truco de esta circuitería, es que realmente no tiene que detectar la frecuencia del reloj de entre todas las que hay en el mundo mundial. Internamente el PLL lleva dos osciladores de 44,1KHz y de 48KHz los cuales genera el múltiplo propio de las transmisiones de audio digital, con lo cual lo único que tiene que hacer es ver si el reloj de la señal de entrada se parece a un múltiplo de 44,1 KHz o al de 48 KHz. Una vez que el PLL está enclavado, ya se vuelve a tener la señal de reloj totalmente libre de jitter.

Voy ahora con la rama de los bits, en esta rama, el primer elemento que se encuentra es el de detección de bit. Esta circuitería se encarga de detectar y extraer los bits de la trama de entrada. Esta etapa no tiene mucho misterio, así que me la salto. La parte que realmente tiene interés es la del registro de desplazamiento el cual se alimenta con los bits que le proporciona el detector de bit. El registro de desplazamiento está hecho a partir de flip flops, lo cual implica una lógica secuencial, es decir que funciona según los impulsos de reloj, cada flip flop es una de las celditas que he dibujado dentro de él, y tiene como propiedad que almacenan un estado ( bit) mientras la señal de reloj no este a nivel activo, cuando la señal de reloj esta a nivel activo, liberan el bit, a la siguiente celda, y ellos que cargan con el nuevo valor de bit de la celda que le precede. Joder algunos de vosotros seguro que ya han visto la jugada. Efectivamente, los bits de datos de la trama original, son secuenciados con la señal de reloj que se ha regenerado previamente en la etapa del PLL. Por lo tanto la nueva trama que se crea con los bits de datos, posee una señal de reloj totalmente limpia de jitter, habiendose por tanto regenerado la trama deficitaria que llegó hasta nuestro sistema de reclocking.

Bueno, pues ya se ha regenerado la trama, ahora la pregunta logica es: ¿esto se usa en audio?, no ¿Por que? Muy sencillo, las transmisiones de audio digital suelen tener tiradas relativamente cortas de cableado y funcionan con relojes cuyas frecuencias no son tan altas como en otros entornos, no siendo por tanto tan sensibles a todos los problemas comentados. De hecho el único equipo que conozco yo, que hace una regeneración de tramas es de Lavry http://www.lavryengineering.com/products/pro-audio/3000s.html y ni siquiera estoy seguro si realmente regenera la trama.

Bueno pues nada, ya se paso el calor, ya puedes salir a la calle a que te de el fresco

8 Comentarios

  1. Hola buenas, pregunto desde la ignorancia. Al ecualizar la señal justo antes de entrar en el lazo PLL, ¿no cambiaría la fase de esas frecuencias agudas?

    Muy interesante esto de recordar comunicaciones digitales y sistemas de control 😉

    • Sí, logicamente cambia, pero los filtros suelen ser de un bajo orden, primer o segundo orden. Fijate que el cuadripolo equivalente del cable modela un filtro paso bajo de segundo orden. Por lo tanto la funcion de transferencia inversa seria la de un filtro paso alto de segundo orden. Los filtros de muy bajo orden, son capaces de conseguir una linealidad en la fase, con la cual la fase varia pero de forma lineal, lo cual no afecta al funcionamiento del PLL, ya que afecta de una forma lineal o proporcional a todas las frecuencias. El problema viene cuando usas filtros de mucho orden, que la fase se va a la mierda, y puedes llegar incluso a tener los clasicos retardos de grupo, saludos y gracias por leer el articulo!!!!

    • Gracias!!! intento escribir artículos de todos los niveles, para gente que está empezando, y para gente más avanzada. A veces los escribo y nadie los comenta, pero no pasa nada, porque los artículos están ahí y pueden servirles a la gente de consulta en un futuro.

      Saludos!!!

      • Una de las cosas que mas me deprimian de foros como el gearslutz o el hispa es la falta de existencia de articulos tecnicos de verdad. En el hispa por suerte tienen los articulos de pablofcid y de ibon, pero es triste que la gente pase de estas materias y vayan siempre a lo tipico… Teoria y practica siempr deben de ir de la mano, la ausencia de teoria es generadora de esoterismos

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