Jitter- und Phasenrauschmessung
Per Oszilloskop zur hochpräzisen Taktanalyse
Hochauflösende 12-bit-Oszilloskope, rauscharmen Eingangsverstärkern und hochgenauen Taktoszillatoren sind wichtige Tools für die Qualifizierung von Oszillatoren. Kombiniert mit speziellen Jitter-Analysetools verbessern sie die Jittermessungen und ermöglichen zudem präzise Phasenrauschmessungen.
Von Thomas Stüber, Teledyne LeCroy
Phasenrauschen und Jitter sind zwei eng verwandte Phänomene, die in der Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik eine wichtige Rolle spielen. Beide Begriffe beschreiben Abweichungen bei der Signalübertragung, jedoch in unterschiedlichen Bereichen: Phasenrauschen im Frequenzbereich und Jitter im Zeitbereich.
Phasenrauschen (Phase Noise) ist eine zufällige Modulation der Phase des Oszillatorausgangs, die durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden kann, wie z. B. thermisches Rauschen, elektromagnetische Störungen oder Ungenauigkeiten in der Taktquelle. Im Frequenzbereich äußert sich das Phasenrauschen durch eine Verbreiterung des Spektrums und dadurch, dass ein Oszillator neben der gewünschten Frequenz auch benachbarte Frequenzkomponenten aufweist.
Jobangebote+ passend zum Thema
Es wird gewöhnlich als Einseitenband-Phasenrauschen (SSB) betrachtet. Das Phasenrauschen wird in dBc/Hz (Dezibel bezogen auf einen Träger pro Hertz) gemessen und ist ein Indikator für die Stabilität eines Oszillators. Ein niedrigeres Phasenrauschen bedeutet eine höhere Frequenzstabilität, was besonders in der Hochfrequenztechnik und in Kommunikationssystemen von Bedeutung ist.
Im Zeitbereich wird das Phasenrauschen als Jitter sichtbar und beschreibt die zeitlichen Schwankungen eines Signals, insbesondere die Abweichungen der Signalflanken von ihren idealen Positionen. Diese Schwankungen (Jitter) werden als Zeitdifferenzen beispielsweise in Pikosekunden (ps), aber auch als Bruchteile einer Taktperiode als Unit Intervals (UI) angegeben.
Zusammenhang zwischen Phasenrauschen und Jitter
Obwohl Phasenrauschen und Jitter unterschiedliche Aspekte eines Signals beschreiben, sind sie eng miteinander verbunden. Das Phasenrauschen kann als spektrale Darstellung des Jitters betrachtet werden. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Oszillator mit hohem Phasenrauschen auch einen hohen Jitter aufweist. Beide Phänomene beeinflussen die Signalqualität und können zu höheren Bitfehlerraten in Kommunikationssystemen führen.
Wie misst man Jitter und Phasenrauschen?
Die Kurzzeitstabilität eines Oszillators wird durch die Messung des Jitters im Zeitbereich und des Phasenrauschens im Frequenzbereich charakterisiert. Beide Messungen beschreiben die gleichen zugrunde liegenden Phänomene. Daher ist es möglich, das Phasenrauschen mit dem Jitter zu korrelieren.
Ein Phasenrauschanalysator misst das Phasenrauschen, also den Jitter im Frequenzbereich, während ein Oszilloskop im Zeitbereich misst, diese Jitterwerte aber mathematisch in den Frequenzbereich übertragen kann. Daher ist ein Oszilloskop die ideale Lösung, wenn die gleichzeitige Messung des Jitters im Zeitbereich und des Jitters im Frequenzbereich als Phasenrauschen von Interesse ist. Allerdings sind die Anforderungen an das Oszilloskop sehr hoch, um den Messanforderungen moderner Oszillatoren gerecht zu werden.
Die Messung des Phasenrauschens mit einem Oszilloskop basiert normalerweise auf der Messung des TIE (Time Interval Error). Eine interessante alternative Methode, die Heterodyn-Funktion, wird später in diesem Artikel behandelt. Die TIE-Messung basiert auf der Messung der Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Prüfsignal eine voreingestellte Spannungsschwelle überschreitet, und dem idealen Zeitpunkt, zu dem es diese Schwelle überschreiten sollte. Dieser ideale Zeitpunkt wird von einem Referenzsignal abgeleitet, das ein zweites Signal sein kann, das auf dem Oszilloskop aufgezeichnet wird, oder ein mathematisch erzeugtes ideales Referenzsignal.
TIE-Messungen werden dann in Zeiteinheiten als eine Funktion dargestellt, die einer Reihe von Messungen über einen bestimmten Zeitraum entspricht, was eine grafische Darstellung der Phasenmodulationshüllkurve des Oszillators darstellt. Dies kann vom Oszilloskop mathematisch in eine Frequenzbereichsdarstellung des Phasenrauschens als Funktion der Frequenz umgewandelt werden. Durch geeignete Skalierung der FFT-Analyse ist es möglich, ein Phasenrauschdiagramm auf der Grundlage des gemessenen TIE anzuzeigen.
Berechnung des Zeitjitters aus dem Phasenrauschen
Der Jitter kann aus dem Phasenrauschdiagramm abgeleitet werden, indem das Phasenrauschen als Funktion der Frequenz dargestellt ist. Er ist der äquivalente Effektivwert des TIE-Jitters, der aus der integrierten Phasenrauschleistung über den interessierenden Frequenzbereich berechnet wird. Die Definition des Frequenzbereichs auf dem Phasenrauschdiagramm erfolgt bei der Clock-Expert Software über Cursor, und es werden anschließend die abgeleiteten Jitter- und Phasenrauschwerte in einer Tabelle angezeigt (Bild 1).
Rauschunterdrückung verbessert die Genauigkeit
Die 12-bit-Oszilloskope von Teledyne LeCroy zeichnen sich durch ein geringes Rauschen der Eingangsverstärker, eine optimierte Signalverarbeitung sowie 12-bit-Analog/Digital-Wandler aus, wodurch ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleistet wird. Das hohe Signal-Rausch-Verhältnis in Kombination mit dem niedrigen internen Sample-Clock-Jitter der Oszilloskope ermöglicht einen geringen Jitter-Rauschpegel, welcher eine wesentliche Voraussetzung für eine Phasenrauschmessung darstellt. Die Jitter- (und Phasenrausch-) Messung kann jedoch zusätzlich durch weitere Tools wie die Heterodyn-Funktion, Filter und die Zwei-Eingangs-Methode weiter optimiert werden (Bild 2).
Heterodyn-Funktion: Die Heterodyn-Funktion basiert auf einem Softwareansatz, der wiederum auf der Funktionsweise eines Phasenrausch-Analysators basiert. Dieser Ansatz erweist sich insbesondere bei Signalen mit geringer Steilheit als vorteilhaft.
Eingangsfilter: Die Messungen können durch hochfrequentes Rauschen sowie durch unerwünschte Effekte des Messaufbaus negativ beeinflusst werden. Durch den Einsatz geeigneter Tiefpass-, Hochpass- oder Bandpassfilter lässt sich das Fremdrauschen reduzieren und somit die Messgenauigkeit erhöhen.
Zwei-Eingangs-Methode: Die hier beschriebene Methode basiert auf der Aufteilung des Messsignals, das extern über einen Splitter aufgeteilt wird, um es gleichzeitig über zwei Eingangskanäle eines Oszilloskops zu erfassen. Durch die Aufteilung des Signals wird eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht, weil das Rauschen in den beiden Eingangskanälen nicht kohärent zueinander ist.
Heterodyn-Funktion vereinfacht die Messung
Bild 3 veranschaulicht eine exemplarische Phasenrauschmessung, wie sie mit einem Spektrumanalysator oder Phasenrauschanalysator durchgeführt werden kann.
Das Ausgangssignal des zu prüfenden Oszillators wird mit dem Ausgangssignal eines Referenzoszillators mit geringem Phasenrauschen gemischt, wobei eine identische Frequenz sowie eine relative Phase von 90° eingestellt werden. Die Phasenverschiebung wird exakt auf Phasenquadratur eingestellt, was durch einen minimalen Gleichspannungspegel am Ausgang des Mischers angezeigt wird.
In der Folge arbeitet der Mischer als Phasendetektor, wobei eine entsprechende Spannung erzeugt wird, die proportional zur Phasendifferenz zwischen den beiden Quellen ist. Es ist von essenzieller Bedeutung, dass der Referenzoszillator ein außerordentlich geringes Phasenrauschen aufweist, weil der Ausgang des Mischers im Wesentlichen eine Funktion des Phasenrauschens des zu prüfenden Oszillators ist. Um eine Verfälschung der Messergebnisse zu vermeiden, wird das Ausgangssignal des Mischers einer Tiefpassfilterung unterzogen, wodurch höherfrequente Summenterme und Spektralkomponenten des Mischers eliminiert werden.
Die Heterodyn-Funktion in Clock Expert basiert auf dem Prinzip der Phasendemodulation, wobei der Referenzoszillator intern in der Software erzeugt wird und daher als ideal angenommen werden kann. Die demodulierte Phase wird folglich in einen Zeitunterschied umgerechnet, was dem TIE-Parameter entspricht und für weitere Jitteranalysen außerhalb der Phasenmessung verwendet werden kann. Im Gegensatz zur direkten TIE-Messung ist bei der Heterodyn-Funktion die Information der Polarität einer Flanke nicht vorhanden, sodass nicht alle TIE-Messparameter davon abgeleitet werden können. Das verwendete Verfahren in der Heterodyn-Funktion macht diese weniger anfällig für Rauschen, wenn die Flankensteilheit gering ist, und eignet sich insbesondere für sinusförmige Taktsignale.
Analyse des Phasenrauschens bei niedrigen Frequenzen
Bei der Messung des Phasenrauschens mit einem Oszilloskop wird eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) verwendet, um die Daten vom Zeitbereich in den Frequenzbereich zu transformieren. Die niedrigste Frequenz, die mit einer FFT berechnet werden kann, ist der Kehrwert der erfassten Zeit. Die erfasste Zeit wird durch die gewählte Abtastrate und die maximale Länge des Erfassungsspeichers des Oszilloskops begrenzt. Mehr Speicher bedeutet, dass das Oszilloskop niedrigere Frequenzen erfassen kann. Es ist wichtig zu erwähnen, dass nicht nur der physikalische Erfassungsspeicher von Bedeutung ist, sondern auch der maximale Speicher, der für die FFT-Analyse verwendet werden kann (Bild 4).
Um beispielsweise das Phasenrauschen bei einer Frequenz von 20 Hz messen zu können, muss die Erfassungsdauer 50 Millisekunden betragen. Für 50 Millisekunden, die mit einer Abtastrate von 10 GSamples/s erfasst werden, sind 500 Millionen Punkte (Mpts) als Erfassungsspeicher, aber auch als nutzbare Mathematik für die FFT im Oszilloskops erforderlich.
Phasenrauschen und Jitter unter Kontrolle
Phasenrauschen und Jitter sind zentrale Parameter in der Signalverarbeitung, die die Leistung und Zuverlässigkeit von Kommunikationssystemen maßgeblich beeinflussen. Ein tiefes Verständnis dieser Phänomene und ihrer Messung ist für die Entwicklung moderner elektronischer Systeme unerlässlich. Mit den modernen 12-bit-Oszilloskopen von Teledyne LeCroy und der entsprechenden Software wie beispielsweise Clock Expert Pro ist es möglich, nicht nur Jitter, sondern auch Phasenrauschen für hochgenaue Taktoszillatoren zu messen und Stabilitätsanalysen durchzuführen.
Lesen Sie mehr zum Thema
