Zufälliger Jitter und Phasenrauschen
Zwei ungeliebte Geschwister
Jitter ist als Störsignal im Normalfall unerwünscht. Er kann eine Signalübertragung oder eine A/D-Wandlung nachhaltig negativ beeinflussen. Auch Rauschen ist unwillkommen. Tatsächlich sind Jitter und Phasenrauschen so etwas wie Geschwister. Wieso?
Bild 1 soll die Informationen veranschaulichen, die durch die Messung eines Signals im Zeitbereich im Gegensatz zum Frequenzbereich bereitgestellt werden. Beide Methoden liefern Einblicke in den Inhalt des Signals und mögliche Ansätze zur Optimierung des Signal-Rausch-Abstands (SNR). Bei einem Signal muss bekannt sein, wo der Rauschanteils im Frequenzspektrum herkommt. Denn ist ein System ist anfällig für Rauschen innerhalb einer bestimmten Bandbreite, wird sich das negativ auf dessen Performance auswirken. Diese Erkenntnisse lassen sich mit Messungen im Frequenzbereich gewinnen.
Was versteht man unter Phasenrauschen?
Das Phasenrauschen lässt sich mithilfe einer Messung im Frequenzbereich ermitteln und entspricht der spektralen Leistungsdichte der Phase eines Signals. Zum besseren Verständnis hilft die Betrachtung der entsprechenden Messung. Bild 2 zeigt, wie typischerweise das Phasenrauschen gemessen wird, bei der ein Oszillator mit einem Spektrumanalysator verbunden ist. Eine Phasenrauschmessung hat die folgenden Merkmale:
- Das Spektrum wird symmetrisch über der Frequenz (fC) betrachtet, daher wird nur die Hälfte (eine Seite) des Spektrums ausgewertet. Dieses Phänomen wird als »einseitiges« Phasenrauschen bezeichnet.
- Es wird innerhalb einer 1-Hz-Bandbreite gemessen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Leistung innerhalb dieser Bandbreite konstant ist. Demzufolge ist das Phasenrauschen eine spektrale Leistungsdichte.
- Es wird im Verhältnis zur Signalleistung bei der Frequenz fC gemessen und in dBc/Hz angegeben.
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Zufälliger Jitter und Phasenrauschen
Es wird mit verschiedenen Frequenzversatzwerten im Verhältnis zur Taktfrequenz gemessen. Mitunter sind in Datenblättern Werte zu einigen Versatzwerten zu finden, während bei anderen Methoden ein Phasenrauschdiagramm erstellt wird (siehe Bild 2).
Phasenrauschen und Jitter
Bild 3 zeigt die benötigten Formeln zum Umwandeln des Phasenrauschens in den Effektivwert des Jitters (JRMS). Der Effektivwert des Phasenfehlers σRMS ist die Fläche unter dem einseitigen Band-Phasenrauschen L(f) zwischen den Frequenzgrenzen f1 und f2 (gelbe Fläche in Bild 3). Diese Grenzen sind nicht frei wählbar, da viele Integrationsgrenzen durch die Merkmale des entwickelten Systems bestimmt werden.
Nachdem der RMS-Phasenfehler bestimmt wurde, wird der Wert gemäß der zweiten Gleichung in Bild 3 skaliert. Dabei gilt es unbedingt zu beachten, dass bei jeder Referenzierung des RMS-Jitterwerts die Trägerfrequenz, der Wert in dBc/Hz sowie die Rauschintegrationsbandbreite anzugeben sind, damit der Parameter aussagekräftig ist.
Durch das Verständnis für zufällige Jitter- und Phasenrauschen sind Sie besser auf die Untersuchung der Einflüsse vorbereitet, die Clock-Jitter auf die Leistung von Analog/Digital-Wandlern (ADCs) und Digital/Analog-Wandlern (DACs) haben.
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