Osilloskope Optimale Jitter-Analyse

Datenraten ab dem Gbit/s-Bereich Jitter-Analysen
Datenraten ab dem Gbit/s-Bereich Jitter-Analysen

Um Konzept und Funktion von digitalen Schaltungen zu überprüfen, sind bei Datenraten ab dem Gbit/s-Bereich Jitter-Analysen (Untersuchungen von Takt-Timing-Schwankungen) unerlässlich, was mit einem modernen Oszilloskop sehr gut realisierbar ist. Und manche Oszilloskope erlauben sogar, wie hier erläutert, neben der Analyse im Zeitbereich auch eine Betrachtung des zugehörigen Frequenzspektrums.

Bei der Übertragung von digitalen Signalen über Schnittstellen wie PCIe, DDR, USB oder Ethernet verschlechtert sich mit zunehmender Datenrate die Signalintegrität. Denn bei diesen Schnittstellen stiegen bislang mit jeder Standard-Generation die Datenraten exponentiell und liegen heute im Gbit/s-Bereich.

Aus Kostengründen wird nach wie vor am klassischen Schaltungsaufbau mit FR4-Leiterplatten festgehalten. Doch das Leiterplattenmaterial, die Stecker und Durchkontaktierungen (Vertical Interconnect Access, VIA) begrenzen die Übertragungseigenschaften – und dieser Einfluss ist bei derart hohen Datenraten nicht mehr vernachlässigbar. Hier muss der Entwickler eines Schaltkreises also eine detaillierte Signalanalyse vornehmen und insbesondere Jitter (Taktschwankungen) untersuchen, um Problemstellen im System schnell identifizieren zu können. Die hierbei eingesetzte Jitter-Analyse sollte neben der Diagnose an den Datensignalen selbst auch die Analyse der eingebetteten Taktsignale oder Referenztaktsignale umfassen.

Zufälliger und deterministischer Jitter: die Jitter-Arten

Die International Telecommunication Union (ITU) definiert Jitter als die kurzzeitigen Schwankungen der signifikanten Zeitpunkte eines Taktsignals, abweichend von ihren idealen zeitlichen Positionen. Jitter wird hier als nichtdeterministisches Störsignal eines Taktes beschrieben. Tatsächlich ist Jitter keine monokausale Störung. Der Gesamt-Jitter (Total Jitter – TJ) eines Signals setzt sich zusammen aus dem zufälligen Jitter (Random Jitter – RJ) und einer deterministischen Jitter-Komponente (Bild 1).

Zufälliger Jitter ist unbeschränkt in seinem Wertebereich. Er lässt sich über statistische Größen wie den Mittelwert µ und die Standardabweichung σ beschreiben und zeigt die bekannte, gaußförmige Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Ursachen dafür sind thermisches Rauschen, Schrotrauschen und ähnliche Effekte. Somit lässt sich der zufällige Jitter über das Phasenrauschen oszillierender Signale beschreiben.

Der deterministische Jitter dagegen liegt in einem beschränkten Wertebereich. Er lässt sich nicht über ein zufälliges Phasenrauschsignal abbilden. Deterministische Jitter-Komponenten werden häufig durch Spitzenwertangaben charakterisiert. Zu den deterministischen Jitter-Komponenten zählen periodischer Jitter, datenabhängiger Jitter und Duty-Cycle-Verzerrungen.

Der periodische Jitter etwa beruht in der Regel auf Überkopplungen oder instabilen Phasenregelschleifen (Phase-Locked-Loop- oder PLL-Instabilitäten). Seine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion sieht je nach Ursache sehr unterschiedlich aus. Für Überkopplungen von digitalen Signalen ergibt sich häufig eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, die aus einer Summe von Nadel- bzw. Dirac-Impulsen besteht. Bei rein sinusförmigen Signalen erhält man dagegen eine Doppler-Leistungsdichtefunktion.

Datenabhängiger Jitter wird durch Symbolübersprechen (Inter-Symbol Interference; ISI) verursacht. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion entspricht einer Dual-Dirac-Funktion, die symmetrisch zum zeitlichen Ursprung liegt. Duty-Cycle-Verzerrungen entstehen durch nicht optimale Entscheidungsschwellen oder unterschiedliche Anstiegs- oder Abfallzeiten und können mit einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion wie die des datenabhängigen Jitter (Dual Dirac) dargestellt werden.

Für die Jitter-Analyse ist es entscheidend, die Ursachen und Quellen der einzelnen Jitter-Komponenten zu kennen, um die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen im Histogramm interpretieren zu können. Denn das Oszilloskop liefert dem Anwender als Ergebnis einer Jitter-Analyse ein Histogramm mit der Häufigkeitsverteilung des Gesamt-Jitter (Bild 2). Diese Darstellung setzt sich zusammen aus der Faltung aller Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen der einzelnen Jitter-Quellen.

Darstellung der Messergebnisse

Oszilloskope bieten eine Vielzahl von Werkzeugen, um Jitter zu analysieren. Mit dem R&S RTO etwa kann sich der Anwender bereits ohne Jitter-Option die zugehörigen Messkurven-Histogramme kombiniert mit Nachleuchten anzeigen lassen. Die Nachleuchtfunktion zeigt alle Messkurven übereinandergelegt mit Farb­skalierung an. In Bild 2 beispielsweise sind mehr als 26 Millionen Messkurven übereinander gelegt. Die blauen Bereiche stellen die häufigsten Übereinstimmungen dar. Das Histogramm darunter zeigt die Häufigkeitsverteilung der Messkurven. Damit lässt sich die Häufigkeit der zeitlichen Lage einer Signalflanke auf einen Blick erfassen. Die größte Häufigkeit der Signalflanken liegt bei 100 ns. Im Farbband der Nachleuchtfunktion wird sie über den breiten blauen Streifen in der Mitte abgebildet. Die deutlich kleinere Häufigkeitsverteilung links davon bezieht sich auf den oberen blauen Streifen und die rechts bei 100,04 ns auf den unteren schmalen blauen Streifen. Der Anwender kann in diesem Histogramm per Cursor und automatischer Messfunktionen die statistischen Kennwerte der Verteilung ermitteln.

Die Jitter-Analyse-Option R&S RTO-K12 bietet zusätzlich automatische Messfunktionen und misst zum Beispiel auf Knopfdruck den periodischen Jitter, die Datenrate oder den Time Interval Error (TIE). Ein Wizard-Menü führt den Anwender bei den wichtigsten Jitter-Messungen zu schnellen Ergebnissen. Zudem bietet die Option eine Vielzahl an zusätzlichen Darstellungsmöglichkeiten. Neben der tabellarischen und der Histogramm-Darstellung von Mess­ergebnissen ermöglicht die genannte Option auch eine Darstellung der Mess­ergebnisse als Zeitfunktion (Track). Das Oszilloskop kann sogar das Spektrum des Jitter mittels Fourier-Transformation (FT) des Zeitsignals berechnen.

Das kann sonst kein vergleichbares Oszilloskop. So findet der Anwender über die Betrachtung des Jitter-Signals im Frequenzbereich nun auch kleine deterministische Anteile am Jitter, die sonst vom Rauschen verdeckt wären (Bild 3). Außerdem kann der Benutzer durch die Größe und den Verlauf des Grundrauschens auf die Rauschleistung und die einzelnen Rauschbeiträge schließen. Das ist sonst nur mit einem Signalanalysator möglich.

Analyse über Zeit- und Frequenzbereich

Grundsätzlich messen Oszilloskope im Zeitbereich und werden bevorzugt für die Jitter-Analyse an Schaltungen eingesetzt, deren Entwurf und funktionaler Test ebenfalls im Zeitbereich stattfindet. Nichtperiodische Signale wie Datensignale mit eingebettetem Takt lassen sich im Zeitbereich erfassen und untersuchen. So können sporadisch auftretende Störsignale in den Messkurven aufgespürt werden. Doch Phasenrauschen, Nebenschwingungen und zufälliger Jitter lassen sich schneller über die Analyse im Frequenzbereich ermitteln (siehe Tabelle).

 Zeitbereich Frequenzbereich
 Intrinsische Messungen

Peak-Peak-Jitter

Cycle-Cyle Jitter

Periodischer Jitter

RMS Phase Jitter

Phase Noise

Jitter-Spektrogramm

 Vorteile-Anwendung auch bei niedrigen Taktraten
-Messung von datenabhängigen Jitter
-Messung des Jitters über der Zeit (Track)

-Einfache Detektion von Nebenschwingungen und zufälligen Jitter

-Typischerweise niedriges Grundrauschen dank höherer Messdynamik

 

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Vergleich der Jitter-Analyse im Zeit- und Frequenzbereich