Wolf, G.: Einfache und genaue Jitter- und Timinganalyse in der

<BODY> <H1>www.duv24.net : Wolf, G.: Einfache und genaue Jitter- und Timinganalyse in der </H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>30.01.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace></TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Wolf, G.: Einfache und genaue Jitter- und Timinganalyse in der </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Jittermessungen an schnellen Taktsignalen sind wichtig für die nächste Generation von digitalen Systemen</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in TEST KOMPENDIUM 2001, S. 78-81<BR>(pdf.Version in toolbox unter "details")<BR><BR>Vorwort<BR><BR>Produkttrends für Entwickler digitaler Schaltungen gehen eindeutig zu immer größeren Bandbreiten und schnelleren Geschwindigkeiten – speziell für Produkte mit Mikroprozessoren. Für digitale Systeme der nächsten Generation sind Jittermessungen an schnellen Taktsignalen sehr wichtig geworden, um einen zuverlässigen Betrieb der Schaltungen zu gewährleisten. Traditionell werden dafür Zeitintervallanalysatoren oder Jitteranalysatoren verwendet. Diese Geräte liefern zwar die entsprechenden Messwerte des Signaljitters, aber wenig Information über dessen Ursprung. Neue Methoden ermöglichen eine bessere Aussage über die Quelle des Jitters. Mit dieser Technik kann z.B. die Auflösung von Periodenmessung auf 20 ps gesteigert werden. Dieser Beitrag beschreibt die verwendeten Methoden, die Technologie, und zeigt Beispiele, wie Jitter z.B. an schnellen Taktsignalen gemessen werden kann.<BR><BR>Einleitung<BR>Jitter Messungen und Analyse gehören zu den verbreitetsten Anwendungen von Digital-Speicher Oszilloskopen in der analogen und digitalen High-Speed-Elektronik. Nach vielen Diskussionsrunden mit Anwendern in der Praxis wurde ein neues Options-Paket entwickelt, das die Einsatzmöglichkeiten für digitalen Oszilloskopen auf fast alle Zeitbereichsmessungen erweitert. Die Jitter-Timing-Analyse-Pakete JTA und JitterPro treten an die Stelle unzähliger Messvorrichtungen wie Zähler, Zeitintervall- und Jitter-Analysatoren, die normalerweise für die gebräuchlichsten Messungen in der Telekommunikations- und Digital System-Industrie benötigt werden.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Der traditionelle Weg: Schätzung des Periodenjitter<BR>Periodenjitter ist die Änderung von einer gemessenen Periode zur nächsten. Die Gemeinsamkeiten von Periodenmessungen sind:<BR>· Ausgabe eines Wertes pro Triggers <BR>· Messen von zusammenhängenden Perioden nicht möglich <BR>· Analysierung von weniger als 25% der aktuellen Daten, unabhängig von der Rechenleistung und der Display Update-Rate<BR><BR>Herkömmliche Periodenmessungen funktionieren wie eine Filmkamera, die ein Bild eines Teiles der aktuellen Daten aufnimmt. Dies kommt durch die Trigger-Wiederholungsrate aller Digital-Speicheroszilloskope von 20-2 kHz, welche von dem Erfassungsmodi und der Anzahl der genutzten Kanäle abhängt. Unabhängig von der Trigger-Wiederholungsrate ist das Ergebnis das gleiche, es wird nur ein Teil der aktuellen Daten analysiert.<BR>Man könnte versuchen die Zeitbasis zu vergrößern und mehr als eine Periode pro Triggerereignis zu erfassen, um diese Limitierung zu übergehen. Das Ergebnis dieses Versuches ist irreführend, da wiederum nur ein Wert pro Triggerereignis angezeigt wird. Dieser Wert stellt den Mittelwert der erfassten Perioden dar und unterdrückt damit jedes, in den aktuellen Daten enthaltenes Jitter. Das DSO triggert an einer Flanke des Taktsignals und zeigt mit Hilfe der Persistence-Darstellung die Veränderungen an einer Flanke, eine Millisekunde nach dem Trigger.<BR>Manche Oszilloskope erlauben die Darstellung eines Histogramms. Zur statistischen Analyse wird hierbei die Persistence-Datenbank über eine Vielzahl von Aufnahmen benutzt. In diesem Beispiel hat der Signaljitter einen maximalen Bereich von 440ps (manchmal auch als Spitze-Spitze-Jitter bezeichnet) und 71ps rms mittleren Jitter (Sigma). Eine Jittermessung über nur wenige Perioden wird als Kurzzeit-Jittermessung bezeichnet. Diese Messmethode hat mehrere Nachteile. Der größte Nachteil ist die Nichtbeachtung des größten Teils der Signalinformation. Hauptgrund hierfür ist die zu niedrige Triggerrate des Oszilloskops im Verhältnis zur Signalfrequenz. Selbst eine Triggerrate von 1 Million / Sekunde wäre gegenüber der Clockfrequenz immer noch klein. Wenn ein Oszilloskop bei einem Takt von 200MHz nur einen Puls des Signals analysiert, erfasst es nur jeden 200sten. Zusätzlich ergibt sich ein Trigger-Jitter, die Zeitungenauigkeit zwischen Triggerpunkt und dem Signaldetail. Ursache hierfür sind kleine Instabilitäten des Triggerpegels, vertikales Rauschen auf dem Triggersignal und interne Zeitverzögerungen im Gerät. Jede Signalerfasung bei der Kurzzeitjittermessung wird daher von Triggerjitter beeinflusst und nutzt nur einen kleinen Bereich des Signals.<BR><BR><BR>Die neue Methode: Messung des Periodenjitters<BR>Optimal wäre es, wenn der Periodenparameter die Untersuchung des Periodenjitters erlaubt. Um dies zu erreichen, hat LeCroy ‚lokale‘ Zeitbereichs-Parameter vorgestellt, (Perioden, Pulsbreiten, Tastverhältnis und Flanke) welche je einen Messwert für eine beliebige Anzahl von Pulsen liefern. Dadurch ist die Trigger-Wiederholungsrate keine Begrenzung mehr. Bei dieser Methode gibt es nur ein Triggerereignis und 100% der Perioden werden gemessen.<BR>Damit es beispielsweise möglich, 500.000 oder mehr Pulse in einem Erfassungs-Fenster einzeln zu messen und für jede Periode einen Messwert anzuzeigen. Abb. 4 zeigt ein Beispiel einer deutlich besseren Kurzzeitjittermessung mit dem Jitter- und Zeitbereichsanalysepakets (JTA). Das digitale Oszilloskop triggert auf einer Flanke des Clocksignals. Das DSO erfasst mit einer Abtastrate von 8 GS/s (125 ps pro Abtastpunkt). 400 Punkte mit insgesamt 50 ns Zeitaufnahme pro Trigger. Aufgenommen wird eine komplette Periode des Clocksignals, deren Periodendauer gemessen und abgespeichert wird.<BR><BR>Messwerte der Periodenmessung<BR>Mit der Funktion Jitter-Track werden die Messwerte der Periodenmessungen dargestellt. Diese Funktion des JTA-Packets erzeugt eine Kurve, die Perioden-Änderungen darstellt. In diesem Beispiel erkennt man drei breite Bänder als Jitter-Track. Man beachte, dass die vertikale Auflösung der Jitter-Track-Kurve 20 ps pro Division beträgt. Eine sehr genaue und wiederholbare Messung.<BR>Generell kann man Zeitmessungen zurückführen auf die Bestimmung der Zeit zwischen zwei Signalflanken – oder genauer, der Zeit von einem bestimmten Punkt auf einer Flanke zu einem anderen speziellen Punkt auf der zweiten Flanke. Meist wird der 50%-Punkt der Flanken verwendet. Digitaloszilloskope bestimmen den Zeitpunkt, an dem das Signal einen bestimmten Spannungspegel erreicht, mit Hilfe von Interpolation zwischen erfassten Datenpunkten. Sehr gängig sind lineare und sin x/x - Interpolation. Die Jitter Analyse Pakete von LeCroy verwenden eine effizientere kubische Interpolation. Diese Methode benötigt für die gleiche Genauigkeit nur halb so viele Abtastpunkte wie sin x/x. Mit dieser Technik kann die Auflösung der Periodenmessung auf 20 ps/Division gesteigert werden. Die Interpolation wird nur auf den Flanken angewendet. Dadurch ergibt sich eine sehr viel schnellere Messung. Die Zeitauflösung eines DSOs wird wesentlich verbessert. Man erhält eine Darstellung des Jitters über der Zeit. Im Idealfall, ohne Jitter, wird Jitter-Track eine horizontale Linie zeigen. In der realen Welt wird die Jitter-Track-Kurve aber immer Änderungen in der Auslenkung darstellen. Das Histogramm der Jitter-Track-Werte ergibt einen Überblick über Veränderungen der Periodendauer. Man beachte: Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Histogrammdarstellung von Datenwerten einer Flanke. Der Anwender kennt jetzt das Jittern der ganzen Periode anstatt nur der ersten Flanke. Das Signal in Abb. 4 ergibt einen statistischen Parameter Spitze-Spitze des Periodenjitters von 109,2 ps. Das Sigma beträgt 14,62 ps. Diese Technik erlaubt dem Anwender ein tieferes Verständnis der Struktur der Periodenvariationen. In Abb. 4 hätte sich bei einer langsamen Modulation der Perioden ein sinusförmiges Verhalten der Jitter-Track-Kurve ergeben. Die drei breiten Bänder erlauben einen Rückschluss auf die Ursache der Zeitinstabilität – einer Rauschbeeinflussung durch ein Tristate Logiksignal.<BR>Abb. 5 zeigt die gleichen Messungen, jetzt aber über einen längeren Zeitraum. Die Anzahl der Signalaufnahmen steigt von 5.074 auf 15.582. Die Messung ergibt 115,60 ps Spitze-Spitze Jitter und 14,36 ps Sigma. Das Beispiel zeigt, dass bei größerer Anzahl von Perioden der Spitze-Spitze Jitter größer wird. Im Fall eines gausschen Rauschprozesses kann er bei langem Datensatz sehr groß werden, während das Sigma (RMS) konstant bleibt. Glücklicherweise sind die meisten Quellen des Jitters nicht gaussverteilt, so dass ein akzeptabler Datensatz verwendet werden kann.<BR>In einigen Applikationen ist eine einfache Bestimmung der Clockstabilität ausreichend. Gewöhnlich muss der Takt aber noch andere Kriterien erfüllen, z.B. eine gewisse Periode-zu-Periode Stabilität. Sie kennzeichnet die Veränderung der Periodendauer von einer Periode zur nächsten. Bei der Messung müssen zwei oder besser mehrere Perioden gemessen werden und die Werte der aufeinanderfolgenden Perioden voneinander subtrahiert werden. Abb. 6 entspricht den Bildern 2 und 3, der Jitter- und Timing-Analysator zeichnet aber jetzt den ‚Cycle to Cycle‘-Jitter auf. In diesem Beispiel werden bei jedem Triggern des DSOs zwei Perioden des Signals aufgenommen. JTA misst beide Perioden, berechnet die Differenz, stellt die Jitter-Track-Kurve der aufeinanderfolgenden Werte des Periode-zu-Periode-Jitters dar und überträgt jeden Messwert in das Histogramm. Die größte Variation ist hier 140,81 ps bei einem Sigma von 25,79 ps.<BR><BR>Cycle–to-Cycle Jitter-Messungen<BR>Die Erfassungsfenstertechnik ermöglicht die Messung der Änderung von einer Periode zu folgenden Periode. Dies wird als Cycle-to-Cycle-Jitter bezeichnet. Nach dieser Definition müssen alle aufeinanderfolgende Perioden gemessen werden, um die Veränderung zwischen benachbarten Perioden zu untersuchen. Eine Schätzmethode kann für diese Messung nicht genutzt werden.<BR><BR>JitterPro ermöglicht Dreifach-Darstellung<BR>Das JitterPro-Paket geht noch einen Schritt weiter und ermöglicht die Darstellung des Signal-Jitters auf dreifache Weise: Im Zeitbereich zeigt Jitter-Track das Verhalten des Jitter über die Zeit; im statistischen Bereich als Histogramm der Timing-Parameter-Messungen; und im Frequenzbereich als Spektralanalyse der Jitter-Komponenten. Nur durch eine Betrachtung aller drei Ansichten ist ein genaues und schnelles Messen, Bestimmen und Diagnostizieren von Jitter möglich.<BR>Die Jitter-Funktionen sind eine große Hilfe beim Aufspüren von Zeitbereichs-Anomalien von in großen Blöcken erfassten Taktsignalen. Die Jitter-Funktionen messen Cycle-to-Cycle Period (Momentanwert der Periodendauer), Width (Momentanwert der Pulsbreite), Duty-Cycle (Momentanwert des Impuls-Pausenverhältnisses), und Interval-Fehler (momentane Frequenzfehler). Die Anzahl der zu messenden Signalzyklen ist dabei nur durch den Speicher des Oszilloskops begrenzt, beträgt also max. 16 000 000 Punkte. Zusätzlich verfügt JitterPro über vielfältige Messmöglichkeiten für High-Speed-Clock-Jitter, Datastrom-Jitter für Telekom- und Datacom-Signale, sowie für Clock-to-Data-Jitter, wie z.B. Setup- und Hold-Jitter-Messungen. Für alle Messungen gibt es eine spezielle Jitter-Track-Darstellung des Jitters im Zeitbereich. Alle Funktionen sind dank des neuen Jitter-Wizard sehr leicht zu bedienen, der alle notwendigen Konfigurationen und Einstellungen am DSO durch. Besonderes Interesse haben Ingenieure an Peak-to-Peak-Jitter. Für sehr genaue Peak-to-Peak-Messungen ist es sehr wichtig, hunderttausende Messungen durchführen zu können. Dafür werden jedoch sehr große Speicher benötigt. Die Kombination von großen Speichern und schneller Signalverarbeitung in LeCroy DSOs ermöglichen es, solche Messungen extrem genau und 100x schneller als andere Oszilloskope zu tätigen. Messungen, die sonst Minuten oder sogar Stunden dauern, sind nur noch eine Frage von Sekunden. Mit JitterPro konnte die Jitter-Messempfindlichkeit um 30% auf 2 ps verringert und die neue Clock-Skew-Funktion integriert. Clock-Skew ermöglicht es, eine weit verbreitete Clock zu untersuchen, um sicherzustellen, dass das Timing überall gleichzeitig gewährleistet ist.<BR><BR>Rambus und andere High-Speed-Clock-Anwendungen<BR>In jüngster Zeit kamen weitere Anforderung an die Messung von Jitter in schnellen Clocks hinzu. Die Rambus-Spezifikation über Jittermessungen der Clock bei schnellem Datentransfer erfordert Messungen des ‚N-Cycle-to-Cycle‘ Jitters. N ist dabei größer 1. Die Rambustechnik erfordert z.B. 2 Vorbereitungsperioden vor den 4 Perioden des Datentransfers. Daher muss der Jitter über sechs Perioden gemessen werden. Die Gesamtzeit über sechs Perioden wird verglichen mit der Zeit der nächsten sechs Perioden. Auch diese Messung ist schon möglich. Perioden-Jitter und Cycle-to-Cycle-Jitter werden am erfassten Signal gemessen. Es ist auch möglich, den Zeitintervallfehler (TIE) zu messen, der den Zeitbereichsfehler zwischen dem tatsächlich aufgenommenen Signal und dem Sollsignal berechnet. Der Anwender spezifiziert dabei zuvor die Sollfrequenz. In Bild 9 zeichnet das DSO den TIE nur über 20 000 Perioden auf. Viele hunderttausend Perioden wären auch möglich. Hätte das Clocksignal eine 60 Hz Modulation, würde das JitterTrack-Signal eine 60 Hz Sinuskurve zeigen. Die Amplitude wäre proportional zur Beeinflussung. Die vertikale Skalierung kann in Zeiteinheit oder UI (Unit Interval) gewählt werden. UI ist in der Kommunikation gebräuchlich und normalisiert über eine Periode. Die größte Abweichung beträgt -448 mUI.<BR><BR>Erweiterte Jittermessungen: Große Speicher sind wichtig<BR>Die Aufnahme einer sehr großen Anzahl von Perioden einer schnellen Clock liefert noch genauere Messungen. Triggerjitter tritt hier nicht auf, Zeitintervallfehler und andere Parameter können sehr genau gemessen werden. Die Datenaufnahme und der Verarbeitungsalgorithmus müssen jedoch lange Datensätze verarbeiten können.<BR>In diesen Beispielen wurde ein LeCroy LC684AXL mit 1,5 GHz Bandbreite, 8 GS/s Abtastrate und 16 M-Punkten Speichertiefe verwendet, unterstützt durch einen schnellen Motorola-PowerPC-Prozessor und 64MB Verarbeitungs-RAM im Gerät. Periodendauer, Impuls-Pausen-Verhältnis, Pulsbreite und andere Parameter können auf jeder einzelnen Periode gemessen werden, auch bei sehr großen Zeiterfassungsfenstern. Jitter-Track zeichnet alle Messwerte als Kurve auf.<BR><BR>Zusammenfassung<BR>Die neuen Jitter- und Zeitbereichs-Analysepakete für digitale Oszilloskope liefern nicht nur quantitative Messungen des Jitters, sondern auch Informationen über dessen Ursache. Wichtig ist die Fähigkeit, über viele Perioden in einer Aufnahme messen zu können. Triggerjitter und Totzeiten werden dadurch vermieden. Die Jitter-Analyse Pakete JTA und JitterPro helfen Entwicklern wesentlich in deren Produktivität und beim Bewältigen von Anforderungen hinsichtlich der Time-to- Market.<BR><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:11 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>