Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Jitteranalyse mit dem Oszilloskop : Ausgabe 15/2014, 31.07.2014

Detaillierte Betrachtung im Zeit- und Frequenzbereich

Um Konzept und Funktion von digitalen Schaltungen zu überprüfen, sind bei Datenraten ab dem GBit/Sekunde-Bereich Jitteranalysen unerlässlich. Mit einem Oszilloskop lassen sich diese Taktschwankungen gut ermitteln. Manche Oszilloskope wie das R&S RTO von Rohde & Schwarz erlauben sogar eine Betrachtung des zugehörigen Frequenzspektrums.

 Intrinsische Messungen •  Peak-Peak-Jitter •  RMS Phase Jitter •  Cycle-Cycle-Jitter •  Phase Noise •  Periodische Jitter •  Jitter-Spektrogramm

 Vorteile •  Anwendung auch bei niedrigen •  Einfache Detektion von    Taktraten    Nebenschwingungen    und zufälligem Jitter •  Messung von datenabhängigen Jitter •  Typischerweise niedriges •  Messung des Jitters über der Zeit    Grundrauschen dank   (Track)    höherer Messdynamik

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 mit jeder Standardgeneration die Datenraten exponentiell und liegen heute im GBit/s-Bereich. Hier muss der Entwickler eines Schaltkreises eine detaillierte Signalanalyse vornehmen, um Problemstellen im System schnell identifizieren zu können. Dabei sollte die Jitteranalyse neben den Datensignalen auch die eingebetteten Taktsignale oder Referenztaktsignale umfassen.

Es gibt den zufälligen und den deterministischen Jitter

Die International Telecommunication Union (ITU, www.itu.int) definiert Jitter als die kurzzeitigen Schwankungen der signifikanten Zeitpunkte eines Taktsignals, abweichend von ihren idealen zeitlichen Positionen. Jitter wird hier als nicht-deterministisches 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. 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 oder 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. Diese Jitterkomponenten werden häufig durch Spitzenwertangaben charakterisiert. Zu den deterministischen Jitterkomponenten zählen periodischer und datenabhängiger Jitter sowie 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.

Datenabhängiger Jitter wird durch Inter-Symbolinterferenz (ISI) verursacht. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion entspricht einer Dual-Dirac-Funktion, die symmetrisch zum zeitlichen Ursprung liegt.

Duty-cycle-Verzerrungen ent- stehen durch nicht optimale Entscheidungsschwellen oder unterschiedliche Anstiegs- oder Abfallzeiten, und können mit einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunk- tion, wie die des datenabhängigen Jitters (dual Dirac) dargestellt werden.

Für die Jitteranalyse ist es entscheidend, die Ursachen und Quellen der einzelnen Jitter-Komponenten zu kennen, um die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen im Histogramm interpretieren zu können. Denn das Oszilloskop (Bild 1) liefert dem Anwender als Ergebnis einer Jitteranalyse ein Histogramm mit der Häufigkeitsverteilung des Gesamt-Jitters (Bild 2). Diese Darstellung setzt sich zusammen aus der Faltung aller Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen der einzelnen Jitterquellen.

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 Jitteranalyse-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 Wizardmenü führt den Anwender bei den wichtigsten Jittermessungen zu schnellen Ergebnissen. Zudem bietet die Option eine Vielzahl an zusätzlichen Darstellungsmöglichkeiten. Neben der tabellarischen und der Histogramm-Darstellung von Messergebnissen ermöglicht die RTO-K12-Option auch eine Darstellung der Messergebnisse als Zeitfunktion (Track). Das R&S RTO kann sogar das Spektrum des Jitters mittels Fourier-Transformation (FT) des Zeitsignals berechnen. Das kann sonst kein vergleichbares Oszilloskop.

Analyse über Zeit- und Frequenzbereich

Grundsätzlich messen Oszilloskope im Zeitbereich und werden bevorzugt für die Jitteranalyse an Schaltungen eingesetzt, deren Entwurf und funktionaler Test ebenfalls im Zeitbereich stattfindet. Nicht periodische 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 (Bild 3).

Die Messgrössen

Die wichtigsten Jitter-Messgrössen sind periodischer Jitter, Cycle-Cycle-Jitter und Time Interval Error (TIE) im zeitlichen Bezug zum gemessenen Signal. Im Folgenden werden die Messfunktionen vorgestellt und anhand von konkreten Anwendungsbeispielen verglichen.

Anhand des periodischen Jitters kann der Benutzer weitreichende Analysen wie die Bewertung der Stabilität einer Taktquelle durchführen. Zu seiner Ermittlung bildet das Oszilloskop die Zeitdifferenz aus konsekutiven Durchtrittspunkten des Signals zu einer Referenz (Bild 4).

Der Cycle-Cycle-Jitter ist dem periodischen Jitter sehr ähnlich. Er errechnet sich aus der Differenz von aufeinander folgenden Periodendauern, und ist ebenfalls nur auf periodische Signale anwendbar. Über ihn sind beispielsweise Stabilitätsanalysen von Oszillatoren möglich oder eine Analyse des dynamischen Verhaltens von Phasenregelschleifen.

Die TIE-Jitter-Funktion ist auf Takt- und Datensignale anwendbar. Bei ihr berechnet das Oszilloskop die Differenz der aktuellen Übergangsposition mit der dazugehörigen n-ten idealen Übergangsposition. Über den TIE-Jitter lässt sich eine Übertragung eines digitalen Datenstroms mit eingebettetem Taktsignal charakterisieren. Dieser kann sich während der Akquisition beispielsweise aufgrund des Einsatzes von Spread-Spectrum-Techniken ändern, wie das zum Beispiel bei PCIe der Fall ist.

Dann muss die ideale Übergangsposition besser über eine Phasenregelschleife bestimmt werden. Das kann über einen Phase-Locked Loop (PLL) oder ein Clock Data Recovery (CDR) geschehen.

Software- versus Hardware-CDR

Für gewöhnlich setzen Oszilloskope die CDR (Clock Data Recovery) in Software um. Eine Software-basierte CDR berechnet die ideale Übergangsposition für eine einzelne Akquisition (Datenerfassung) basierend auf den vorangegangenen Übergängen. Um die idealen Übergangspositionen mit ausreichender Genauigkeit berechnen zu können, müssen erst zahlreiche Übergänge für die Berechnung gesammelt werden, damit die Einschwingzeit der CDR zu Anfang einer jeden Akquisition berücksichtigt ist. Dieser Effekt bedeutet, dass trotz einer langen Akquisitionszeit nur wenige Messungen durchgeführt werden. Um hier Abhilfe zu schaffen, hat Rohde & Schwarz für seine RTO-Oszilloskope neben der Software-basierten CDR auch eine optionale Hardware-basierte CDR entwickelt. Diese arbeitet als Teil des Akquisitions- und Verarbeitungs-ASICs und erlaubt eine auf den eingebetteten Takt bezogene Triggerung und Signalanalyse in Echtzeit – immer und durchgängig mit der maximalen Abtastrate. Das vermeidet solche Instabilitäten und zudem die Totzeiten am Anfang einer jeden Akquisition. Mit der Hardware-CDR analysiert ein RTO die Signalintegrität an seriellen Schnittstellen in Echtzeit mit bis zu 5 GBit/s.

Zusammenfassung

In digitalen Systemen stellt Jitter eine signifikante Begrenzung des Datenaustauschs dar, was eine detaillierte Analyse und Charakterisierung erfordert. Mit einem Oszilloskop lassen sich in der Regel nur zeitbasierte Analysen durchführen. Das RTO von Rohde & Schwarz kann auch eine Fourier-Transformation auf die Zeitfunktion der Messwerte durchführen, sodass mit diesem Oszilloskop sogar eine spektrale Betrachtung möglich ist. Der Anwender kann somit Phasenrauschen, Nebenschwingungen und zufälliges Jitter schnell aufspüren. Die Jitteranalyse-Option für das Oszilloskop bietet einen Satz an Messfunktionen für die Entwicklung sowie für Konformitätstests. Vorteilhaft für aussagekräftige Messergebnisse ist auch der sehr niedrige intrinsische Jitter des RTO.

Broschüre RTO-Familie: 15_14.53.pdf

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Bild 1: Mit dem R&S RTO etwa kann sich der Anwender bereits ohne Jitter-Option die zugehörigen Messkurven-Histogramme kombiniert mit Nachleuchten anzeigen lassen