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Umfassende Jitter-Analyse auf Knopfdruck: Ausgabe 19/2020, 19.11.2020

Jitter-Separation ist ein wichtiger Schritt, um Designprobleme einzugrenzen

Ein neuer Signalmodell-basierter Algorithmus von Rohde & Schwarz separiert Jitter-Komponenten präzise und gibt Entwicklern tiefe Einblicke bei der Fehlersuche und der Charakterisierung von schnellen Signalübertragungen in elektronischen Schaltungen.

Autor: Guido Schulze

Bilder: Rohde & Schwarz

Wachsende Datenraten digitaler Schnittstellen, schrumpfende Spannungspegel sowie die Komplexität und Dichte moderner Designs auf der einen Seite und der Kostendruck auf Boardmaterial, Steckverbinder oder Komponenten auf der anderen Seite treiben die Notwendigkeit zur Analyse von Jitter-Komponenten voran. Eine Möglichkeit zum Charakterisieren des Gesamt-Jitters einer Schnittstelle ist die Messung der Bitfehlerrate (BER). Die typische ZielBER für schnelle Schnittstellen wie USB oder PCI Express beträgt laut Spezifi kation 10–12. Das bedeutet, dass für eine Sequenz von 1012 bit nur ein einziges fehlerhaft übertragenes Bit zulässig ist. Die Validierung des Gesamt-Jitters mit einem BER-Tester ist jedoch sehr zeitaufwendig und liefert keine Details über die einzelnen Jitter-Komponenten.

Oszilloskope ungeeignet
Oszilloskope sind für diese Methode wegen ihres begrenzten Erfassungsspeichers ungeeignet. Eine direkte Messung des Gesamt-Jitters für eine bestimmte BER ist mit diesen Geräten nicht möglich, wie ein Beispiel zeigt: Die Messkurven-Erfassungszeit für ein Testmuster mit 1012 bit bei einer Datenrate von 5 Gbit/s beträgt 200 s. Bei einer Abtastrate von 20 Gsample/s wäre ein Erfassungsspeicher von 4 Tsamples erforderlich, der in den heutigen Oszilloskopen nicht verfügbar ist.

Kluge Lösung: Jitter-Separation
Eine kluge Lösung für dieses Dilemma war zu Beginn der 2000er-Jahre die Erfi ndung der Jitter-Separation (auch Jitter-Zerlegung genannt) und die anschliessende Schätzung des GesamtJitters. Dahinter steht die Idee, dass sich der Gesamt-Jitter aus deterministischen und zufälligen Komponenten zusammensetzt. Der deterministische Jitter ist begrenzt, während der zufällige Jitter unbegrenzt ist und daher seine Spitze-zuSpitze-Werte mit der interessierenden BER skaliert. Bild 1 zeigt diese Jitter-Komponenten in der BER-Badewannenkurve. Das «offene Auge» für den Empfänger zur Abtastung der Daten ist die Differenz zwischen dem Einheitsintervall (UI) und dem Gesamt-Jitter (TJ).

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Bitfehlerrate eines digitalen Übertragungssystems und die dominierenden Jitter-Komponenten DJ (Deterministischer Jitter) und RJ (Zufälliger Jitter), die sich zum Total Jitter (TJ) im Einheitsintervall (UI) addieren.