Jitter-Messungen an Signalgeneratoren Kleinstem Jitter auf der Spur

Die kleinsten Jitter kommt man mit gängigen Messteräten kaum mehr auf die Spur.
Die kleinsten Jitter kommt man mit gängigen Messgeräten kaum mehr auf die Spur.

In Kommunikationssystemen ist ein niedriger Taktsignal-Jitter eine entscheidende Voraussetzung für eine niedrige Fehlerrate. Die neueste Generation von Funktions- bzw. Arbiträrsignalgeneratoren produziert einen derart geringen Jitter, dass man ihn mit gängigen Messgeräten kaum mehr messen kann.

Als Jitter bezeichnet man jegliche Abweichung von der Periodizität eines Signals. Es gibt verschiedene Formen von Jitter. Periodischer Jitter ist eine Zeitabweichung, die sich in vorhersehbarer Weise wiederholt. Beispielsweise könnte ein Taktoszillator, in den ein Schaltnetzteil einstreut, das mit 50 kHz läuft, in seinem Ausgangssignal eine 50-kHz-Jitter-Komponente aufweisen. Ähnlich können auch andere Signale, die im System vorkommen, in das Taktsignal einstreuen und so periodischen Jitter verursachen. Jitter kann auch zufälliger Natur sein, möglicherweise verursacht vom 1/f-Rauschen in einem Verstärker.

Bei sehr niedrigen Jitter-Werten kann Jitter nicht nur vom Quellsignal kommen, sondern zumindest zum Teil auch vom Übertragungsmedium (Verstärker, Fehlanpassung der Kabelimpedanz und Reflexionen) oder von der Messauflösung des Messgeräts, mit dem man den Jitter eines Signals messen will.

Jitter im Signalgenerator

Die Architektur eines Signalgenerators ist entscheidend für ein Ausgangssignal mit niedrigem Jitter.

In den letzten 20 Jahren arbeiteten die meisten Funktionsgeneratoren nach dem Verfahren der direkten digitalen Synthese (DDS). Im Vergleich zu älteren Ansätzen hat DDS viele Vorteile, aber es hat auch spezifische Nachteile. DDS-Signalgeneratoren haben eine sehr gute Frequenzauflösung, aber einige Ausgangssignale, speziell Arbiträr­signale, weisen von der Tendenz her erhebliche Jitter-Werte auf, wenn sie auf einem DDS-Signalgenerator „abgespielt“ werden. Das liegt am Prinzip, nach dem ein DDS-Signalgenerator Signale verschiedener Frequenz erzeugt. Um eine hohe Frequenzauflösung zu erzielen, überspringt oder wiederholt ein DDS-Signalgenerator Teile des Speicherabbilds der Signalform, je nachdem, in welchem Verhältnis der interne Takt des Signalgenerators, die Zahl der Punkte im Speicher, die das Signal beschreiben, und die gewünschte Ausgangs­frequenz zueinander stehen.

Bei neueren Signalgenerator-Konzepten, etwa TrueForm, hat man die DDS-Architektur fortentwickelt und die Methode, nach der das Ausgangssignal entsteht, fundamental geändert. Damit kann man nun hochqualitative Signale generieren und behält dabei den Vorteil der hohen Frequenzauflösung der bisherigen DDS-Architektur. Das gilt besonders für Arbiträrsignale, aber auch für alle anderen internen Signalformen wie Sinus und Rechteck.

Der Signalgenerator wird potenziell von den gleichen analogen Problemen beeinträchtigt wie das Testobjekt, namentlich durch Störspannungen aus der Stromversorgung, Instabilität des Oszillators und Übersprechen von anderen Signalen in der Schaltung. Durch entsprechende Auslegung muss auch der zufällige Jitter in Schach gehalten werden: durch rauscharme analoge Verstärker, gutes Leiterplattendesign mit Impedanzanpassung der Leiterbahnen und Abschirmung signalführender Leiterbahnen von benachbarten Bereichen. All das muss ein Entwicklungsingenieur im Auge behalten.

Jitter im Messgerät

Die gleichen Faktoren, die Signale bei ihrer Erzeugung beeinträchtigen können, können sie auch in einem Messgerät beeinträchtigen, mit dem sie gemessen werden sollen. Zur Verringerung des Messgerätefehlers sollte man zunächst ein Signal U messen, das sich in kurzer Zeit möglichst stark ändert, das also ein großes dU/dt-Verhältnis hat. Damit kann man den Zeitpunkt, an dem es die High/Low-Schwelle schneidet, möglichst genau erkennen. Eine größere Signalamplitude führt zu einem größeren dU/dt-Verhältnis; die Amplitude darf den Empfänger aber nicht übersteuern (und damit in einen nichtlinearen Arbeitsbereich bringen).

Beim Empfänger sind für eine gute Jitter-Messung die gleichen Faktoren wie beim Signalgenerator wichtig: eine gute Impedanzanpassung, eine störspannungsarme Stromversorgung, ein Schaltungsdesign und ein Leiterplattenlayout mit geringem Übersprechen. Moderne Digitaloszilloskope arbeiten mit sehr hohen Abtastraten; in diesem Zusammenhang wichtig ist aber auch ein anderer Parameter, nämlich die Auflösung der A/D-Wandler. Je höher die Auflösung eines Oszilloskops ist, desto genauer kann es den Zeitpunkt bestimmen, an dem ein Signal eine Schwelle schneidet. Geschwindigkeit und Auflösung sind bei digitalen Messungen prinzipiell gegenläufig; somit muss man regelmäßig einen Kompromiss zwischen beiden schließen. Natürlich hängt die Genauigkeit des Timing auch von der Qualität des Empfängertaktes ab (des Oszilloskoptakts oder des Takts anderer Schaltungen). Für eine genaue Messung ist es oft entscheidend, dass Quelle (Funktionsgenerator) und Empfänger (beispielsweise Oszilloskop) mit dem gleichen, störungsarmen Takt arbeiten. Hierzu kann man den 10-MHz-Referenztaktausgang des Signalgenerators mit dem Referenztakteingang des Empfängers verbinden. Damit werden nicht nur Sender- und Empfängertakt miteinander phasensynchronisiert, sondern man eliminiert auch noch einen Großteil des 1/f-Rauschens, das durch langsame Veränderungen der Oszillatorfrequenz verursacht wird.