Oszilloskope Jitter präzise untersuchen

Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen mit unterschiedlichen Jitter-Komponenten sorgen für korrekten, stabilen Datenfluss zum Empfänger.
Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen mit unterschiedlichen Jitter-Komponenten sorgen für korrekten, stabilen Datenfluss zum Empfänger.

In modernen Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen stehen steigende Datenraten immer kleineren Timing-Toleranzen gegenüber. Damit nun Datensignale über schnelle serielle Busse korrekt und stabil beim Empfänger ankommen, sollte man den Einfluss der unterschiedlichen Jitter-Komponenten berücksichtigen. Wichtigstes Messwerkzeug ist in diesem Zusammenhang das Oszilloskop.

Jitter kann dazu beitragen, dass sich das Zeitfenster, innerhalb dessen die anliegenden Daten gültig sind, verengt. Dadurch kann die Signalintegrität ungünstig beeinflusst werden. Viele Oszilloskope der höheren Leistungsklassen bieten deshalb als Option Messmöglichkeiten für die Jitter-Analyse. Sie präsentieren Jitter in unterschiedlichen Darstellungsformen und bewerten die verschiedenen Jitter-Komponenten. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten für Jitter auf dem Oszilloskop. Berücksichtigt sind horizontale Wellenform-Histogramme, TIE- (Time Interval Error) Histogramme, TIE-Trend-Wellenformen und Jitter-Spektrum-Wellenformen. Darüber hinaus werden unterschiedliche Algorithmen zur Taktrückgewinnung aus dem seriellen Signalstrom (Clock Recovery) sowie Echtzeit-Augendiagramm-Messungen diskutiert.

Vom Triggerpunkt zur Taktrückgewinnung

In diesem Zusammenhang ist Jitter die zeitliche Abweichung eines Signals von seiner idealen Position, oft auch als Zeitintervallfehler (Time Interval Error – TIE) bezeichnet. Für die Entwickler ist es meist das „Flattern“ einer Signalflanke in Bezug auf einen Referenzpunkt, den Trigger (Bild 1).

In diesem Beispiel wird wiederholt eine Flanke eines Taktsignals mehrere Zyklen nach einer Trigger-Referenzflanke desselben Signals erfasst. Eine hohe Auffrischrate des Kurvenzuges erleichtert es dem Oszilloskop, Jitter-Extreme wie diese schnell zu erfassen und darzustellen.

Ebenfalls in Bild 1 zu sehen ist ein Wellenform-Histogramm. Es basiert auf einem schmalen Ausschnitt von Signaldaten rund um den 50%-Pegel der Amplitude. Ein horizontales Wellenform-Histogramm (in blauer Farbe) zeigt die Wahrscheinlichkeitsverteilungs-Funktion des Jitter in Zeitkorrelation zu dem erfassten Kurvenzug. Klar zu erkennen ist daraus, dass der Jitter in diesem Beispiel eine bimodale Verteilung aufweist. Das wäre nicht so offensichtlich, würde man lediglich die repetitiv erfasste Signalform betrachten. Das horizontale Wellenform-Histogramm ist die einfachste Art der Jitter-Messung und ein Standard-Leistungsmerkmal moderner Oszilloskope der höheren Leistungsklassen. Eine spezielle Jitter-Messoption ist dazu nicht erforderlich.

Das Erfassen und Darstellen des Jitter auf einem repetitiven Taktsignal ist also nicht sonderlich schwierig. Etwas komplexer wird es, wenn ein serielles Datensignal ohne explizites Taktsignal, auf das man triggern könnte, vorliegt. Heute ist bei den meisten seriellen Hochgeschwindigkeits-Bussen das Taktsignal auf unterschiedliche Art und Weise im Datensignal eingebettet und muss vom Empfänger daraus extrahiert werden. Die Jitter-Analyse solcher seriellen Datensignale setzt also voraus, dass das Oszilloskop ebenfalls die Taktrückgewinnung aus dem Datenstrom beherrscht. Der dazu benutzte Software-Algorithmus ist üblicherweise in einer Jitter-Analyse-Option für das Gerät enthalten. Er erzeugt ein virtuelles Taktsignal, das die Taktrückgewinnung eines seriellen Datenbus-Empfängers emuliert. Dieses virtuelle Taktsignal kann als Referenzkurvenzug für mehrere TIE-Messungen an aufeinanderfolgenden Datenflanken dienen. Das Verfahren setzt einen großen Speicher (Deep Memory) zur Erfassung des seriellen Bussignals voraus.

Bild 2 zeigt als Beispiel die repetitive Erfassung eines kontinuierlichen seriellen Datenstroms. Außer dem Datensignal selbst existiert kein Referenzsignal, das als Triggerquelle dienen könnte. Es gibt also zunächst keine Möglichkeit, den Zeitfehler – Jitter – einer beliebigen Datensignalflanke mit dem Oszilloskop zu messen. Dazu bedarf es einer Jitter-Analyse-Option mit Taktrückgewinnung.

Daten im tiefen Speicher

Mit Hilfe des Deep-Memory-Verfahrens kann das Oszilloskop zahlreiche Bitperioden erfassen und speichern. Eine solche Bitperiode eines seriellen Datensignals entspricht der Zeitdauer zur Übertragung eines Sendesymbols und liefert als Einheitsintervall (Unit Interval – UI) eine Hilfsmaßeinheit zur Bewertung des Jitter. Die Jitter-Analyse des Daten-TIE basiert auf einem Taktrückgewinnungs-Algorithmus, der ein konstantes Taktsignal liefert.

Bild 3 zeigt den gemessenen Jitter in einem Histogramm. Die Daten, auf denen diese Darstellung beruht, unterscheiden sich ganz wesentlich von denen, die das horizontale Wellenform-Histogramm in der vorhergehenden Messung des Taktsignal-Jitter erzeugten. Die in Bild 1 repräsentierten Wellenform-Daten beziehen sich auf einen Triggerpunkt. Dagegen basiert die Darstellung in Bild 3 auf dem gemessenen Timing-Fehler jeder erfassten Datensignalflanke, steigend oder fallend, in Bezug auf das extrahierte Taktsignal. Der Takt selbst ist in dieser Darstellung nicht zu sehen. Zusätzlich zur Darstellung des Histogramms liefern moderne Oszilloskope auch einen kompletten Satz statistischer Daten. In Bild 3 sind sie in einem Panel am rechten Rand des Oszilloskop-Bildschirms zu sehen.

Aus diesem Histogramm lässt sich schließen, dass der Jitter in dem seriellen Signal sowohl eine starke statistische – Gaußsche – Komponente als auch eine deterministische bimodale Komponente aufweist. Beachtenswert sind die extremen Ausreißer des Histogramms im unteren rechten Bereich des Schirmbildes. Weitere Informationen über diesen Jitter lassen sich mit einem anderen Darstellungsmodus ans Licht bringen.