Oszilloskop-Grundlagen Jitter- und Timing-Analyse bei Übersprechen

Serielle Datenstandards finden eine immer größere Verbreitung und sorgen für entscheidende Leistungsverbesserungen bei PCs und Servern. Computersysteme, die mit diesen High-Speed-Standards arbeiten, auf Jitterprobleme zu untersuchen, ist deshalb ein „Muss“ – sorgen derartige Analysen doch für langfristige Systemstabilität wie auch für optimale Bitfehlerraten-Werte.

Eine erfolgreiche Jitter-Analyse beginnt mit der Auswahl der richtigen Messinstrumente und mit einem guten Verständnis von deren Leistungsfähigkeit bezüglich Rauschverhalten, Anstiegszeit und ausreichender Bandbreite für die dritte, vierte oder fünfte Oberwelle des zu messenden Signals. Doch nicht nur das Messen selbst ist von Bedeutung: Es müssen die richtigen Messinstrumente auch in Kombination mit den richtigen Analysewerkzeugen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind die Jitter-Separation sowie das Auswählen und Einbeziehen von Übertragungskanälen oder Tastköpfen weitere entscheidende Faktoren, die beim Testen serieller Datenraten von mehr als 8 Gbit/s zu berücksichtigen sind. Ein neues Konzept hilft bei der Jitter-Separation bei Auftreten von Übersprechen zwischen Datenkanälen. Diese Aufgabenstellung gewinnt zunehmend an Bedeutung, da die Anzahl der Kanäle immer höher wird, um mehr Datendurchsatz zu erreichen.

Jitter: die Definition

Bei allen elektrischen Systemen, die zur Darstellung von zeitlichen Informationen Spannungsübergänge verwenden, tritt Jitter im Zeitbereich auf. Früher waren die negativen Auswirkungen von Jitter aufgrund relativ niedriger Übertragungsraten vergleichsweise gering. Mit dem Anstieg der Datenraten auf über 8 Gbit/s kann der Jitter aber erhebliche Übertragungsprobleme verursachen. Daher wird es immer wichtiger, die verschiedenen Arten von Jitter und deren Ursachen zu verstehen, um serielle Hochgeschwindigkeits-Übertragungskonzepte erfolgreich einsetzen zu können.

Einfach beschrieben ist Jitter die Abweichung einer Signalflanke von ihrer aus der Datenrate hervorgehenden optimalen Position (Bild 1). Laut ITU-Definition versteht man unter Jitter „kurzzeitige Schwankungen der signifikanten Bestandteile eines digitalen Signals um ihre optimale zeitliche Lage“.

An einem einzigen Signal lassen sich verschiedene Arten des Jitter messen: Period-Jitter, Cycle-Cycle-Jitter (Jitter zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen) und TIE-Jitter (Time Interval Error), wobei die Art der Messung häufig vom Design vorgegeben wird. Bei einem Oszillator beispielsweise ist das Signal ein Takt, dessen Frequenz diskret verändert oder gewobbelt werden kann. Für so ein Signal wäre der Perioden-Jitter eine geeignete Messung. Bei einem Sender serieller Daten ist das Signal ein Datenstrom. Hier stellt das Symbolübersprechen (ISI) ein zentrales Problem dar, so dass sinnvollerweise der TIE-Jitter gemessen wird.

Für Jitter-Analysen nutzbare Messgeräte

Den Ingenieuren, die sich mit Jitter-Problemen befassen, steht eine Vielzahl von Instrumenten zur Verfügung, die alle ihre jeweiligen Stärken und Schwächen haben:

  • Mit einem digitalen Echtzeit-Oszilloskop (DSO) ist die vollständige Einzelschuss-Aufnahme des Signals und die Messung sämtlicher Größen – einschließlich des Cycle-Cycle-Jitters und des Period-Jitters – möglich. Beschränkungen liegen hierbei jedoch bei der Frequenz (bzw. Bitrate) sowie bei der spektralen Auflösung niederfrequenter Jitter-Ereignisse und bei mehrstufiger Modulation des Signals.
  • Ein Bitfehlerratentester (BERT) eignet sich vor allem für die Messung des TIE-Jitters, insbesondere des totalen Jitters (TJ), der eine Sonderform des TIE darstellt. Vorteilhaft bei einem BERT ist, dass jedes einzelne Bit gezählt wird, der Nachteil hingegen besteht im großen Zeitaufwand für die Tests.
  • Mit einem Echtzeit-Spektrumanalysator (RTSA) lassen sich der Cycle-Cycle-Jitter und der Period-Jitter bei komplexen Modulationen für Mobilgeräte messen – Taktsignale und Phasenregelkreise können genauer untersucht und ihr dynamisches Verhalten analysiert werden. Beschränkungen liegen hier im eingeschränkten Messbereich (weniger als 100 MHz) für Signale mit höherer Modulationsbandbreite.
  • Sampling-Oszilloskope verfügen über die höchste Bandbreite und können zum Messen sämtlicher Jitter-Arten für serielle Daten eingesetzt werden. Derzeit sind dies die einzigen Instrumente, mit denen eine Rauschanalyse und die Darstellung eines Bitfehlerraten-Auges („BER eye“) möglich ist. Zu den Nachteilen dieser Oszilloskope zählt, dass keine Echtzeiterfassung möglich ist, dass sie nur für repetitive Signalformen geeignet sind und dass einige Jitter-Spektren einem Aliasing unterliegen können.

In diesem Zusammenhang taucht immer wieder eine Frage auf: Warum wird so viel Wert auf den Jitter gelegt, wenn die Bitfehlerrate viel wichtiger ist? Das liegt daran, dass zu viel Jitter zu einem (in der Breite) geschlossenen Augendiagramm führt und auch Bitfehler nach sich zieht. Die Jitter-/Rauschanalyse ist eine einfache Möglichkeit, um Probleme in der Bitfehlerrate rasch vorhersagen und analysieren zu können. Letztlich geht es bei alledem um Fehler. Um diese jedoch in einem Design beseitigen zu können, sind fundierte Kenntnisse der Ursachen eines erhöhten Jitters erforderlich.

Dafür muss zunächst ergründet werden, wie die Leistung des Systems im Hinblick auf die Bitfehlerrate aussieht. Dazu erzeugt ein Oszilloskop mit Hilfe von Augendiagrammen und einer statistischen Analyse eine Badewannenkurve, die ihren Namen der Form des Diagramms verdankt, das bei Veränderung der Grenzwerte entsteht. Bei einem Bitfehlerratentester (BERT) entsteht durch Zählung jedes einzelnen Bits ein Diagramm des Jitter-Spitzenwerts. Wie in Bild 2 erkennbar ist, sind die Jitter-Spitze im linken BERT-Diagramm und die durch das Oszilloskop erzeugte Jitter-Badewannenkurve beinahe identisch – bezüglich des prinzipiellen Aussagewerts.

In Anbetracht der großen Übereinstimmung der Ergebnisse erweist sich das Oszilloskop als sehr nützliche Ergänzung zum Bitfehlerratentester. Schließlich kann der Vorgang für das Messen des totalen Jitters bei einer Bitfehlerrate von 10-12 mit einem BERT mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Zumal geht aus dem Ergebnis dann nicht hervor, wodurch der Jitter verursacht wird. 

Das Oszilloskop hingegen kann eine kleine Menge von Daten auf intelligente Weise messen und anschließend den Jitter in einzelne Komponenten zerlegen – in der Regel gemäß dem in Bild 3 dargestellten bewährten Modell. Für die Berechnung des TJ und der BER legt das Oszilloskop gewisse Annahmen zugrunde und erzielt so in einem Bruchteil der Zeit dieselben Ergebnisse wie der Bitfehlerratentester – sofern die Annahmen wahr sind. Da alle Modelle komplexer Systeme Annahmen und Vereinfachungen als Berechnungsgrundlage verwenden, entsprechen die mit den Modellen errechneten Werte dem Verhalten des realen Systems nie zu 100 %. Doch auch ein Problem ist in diesem Zusammenhang interessant, das sich in der heutigen Zeit als besonders schwierig erweist: das Übersprechen.