Was Sie über Phasenrauschen und Jitter wissen müssen
Posted: 1st July 2021
Im Idealfall läge die Ausgangswellenform eines Oszillators bei nur einer bestimmten und genauen Frequenz, und sie wäre auch zeitlich stabil. Allerdings sind alle Ausgangssignale von Oszillatoren auch mit einem gewissen "Rauschen" behaftet, sei es in Form von Schwankungen der Frequenz, der Zeit oder der Amplitude. Daher benötigen wir Messgrößen, um diese Unvollkommenheiten zu erfassen und sinnvoll zu nutzen. Genau an dieser Stelle kommen Jitter und Phasenrauschen ins Spiel. Was genau sind eigentlich Jitter und Phasenrauschen, und warum sollten sie bei Anwendungen berücksichtigt werden?
Was ist Jitter?
Schwankungen im Frequenzbereich werden als "Phasenrauschen" und Schwankungen im Zeitbereich als "Jitter" bezeichnet. Betrachten Sie dazu ein Signal mit zwei Zuständen, "ein" oder "aus"; dieses Signal hätte im Idealfall eine konstante Zeitspanne zwischen den Impulsen und alle Impulse wären gleich lang. Dann lässt sich leicht vorhersagen, wann der nächste Impuls eintrifft.
Wenn das Signal jedoch durch "Rauschen" verfälscht wird, sei es innerhalb des Oszillators oder durch einen externen Einfluss, kann dies dazu führen, dass der Impuls früher oder später ankommt (Abbildung 1). Dabei handelt es sich im Grunde genommen um Jitter, der problematisch sein kann, da er zu einer Verschlechterung der Systemleistung führt.
Es gibt verschiedene Arten von Jitter: Period Jitter, Cycle-to-Cycle Jitter, Phase Jitter und Peak-to-Peak Jitter. Bei IQD spezifizieren wir hauptsächlich den Phase Jitter, der aus einem Phasenrauschdiagramm berechnet wird.
Dabei sollte man unbedingt berücksichtigen, dass alle Arten von Jitter zwar das gleiche Phänomen beschreiben, jedoch aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Das bedeutet, dass die Werte der verschiedenen Jitter-Arten nicht einfach miteinander verglichen werden können.
Weitere Informationen zu den Jitter-Arten finden Sie in unserem Anwendungshinweis Jitter und Phasenrauschen auf unserer Webseite.
Abbildung 1 - Rechtecksignal mit Jitter
Was ist Phasenrauschen?
Das Phasenrauschen beschreibt das durch Jitter entstehende Rauschen im Frequenzberiech; daher sind die beiden Parameter von Natur aus miteinander verbunden. Ziel ist es, dieses Rauschen so gering wie möglich zu halten. Phasenrauschen und Jitter sind jedoch in einem System unvermeidbar und können die Systemleistung negativ beeinflussen.
Im nachfolgenden Diagramm (Abbildung 2) sehen Sie das typische Frequenzspektrum des Ausgangssignals eines Oszillators in Bezug auf Frequenz und Amplitude. Die idealisierte gestrichelte Linie bei der Trägerfrequenz (fo) zeigt die Frequenz des Oszillators. Die rote Linie auf beiden Seiten der Trägerfrequenz weist jedoch auf andere Störungen innerhalb des Systems hin.
Abbildung 2 – Signal dargestellt mit einem Spektrumanalysator
Bei herkömmlichen Phasenrauschdiagrammen wird nur ein Seitenband des Signals bei 'fo' dargestellt und die Rauschmessungen werden logarithmisch aufgetragen. Ein typisches Phasenrauschdiagramm von IQD finden Sie in Abbildung 3.
Abbildung 3 - Typisches Phasenrauschdiagramm
Der Phase Jitter ist die Fläche unter der Kurve, die über eine bestimmte Bandbreite berechnet wird. Die Jitter-Berechnung berücksichtigt die Trägerfrequenz sowie die Integrationsbandbreite und wandelt die Phasenrauschkurve im Frequenzbereich in eine Phase Jitter Messung im Zeitbereich um.
Probleme, die bei Phasenrauschen und Jitter auftreten
Ein geringes Jitter und Phasenrauschen kann in einer Reihe von Anwendungen wie der High-Speed-Datenverarbeitung und -übertragung, der ADC-DAC-Wandlung oder in Radarsystemen ein wichtiger Faktor sein. Ingenieure können dabei vor Problemen mit Jitter und Phasenrauschen stehen, die zu einer Signalverschlechterungen und/oder Datenverlusten führen.
Zum Beispiel würde ein System, das Daten unter Verwendung einer High-Speed-Taktquelle überträgt, feststellen, dass sich benachbarte Signale bei einem zu hohen Jitter gegenseitig stören können. Das kann zu einer Signalverschlechterung und einem Datenverlust führt, der oft als Bitfehlerrate (eng.: Bit Error Rate, kurz: BER) bezeichnet wird.
In einem Radarsystem, das ein elektromagnetisches Signal in die Atmosphäre aussendet, müssen wir nach dem Rückecho suchen, zum Beispiel von einem Flugzeug. Jitter auf dem Trägersignal wirkt sich direkt auf die Positionsgenauigkeit des Systems aus, so dass Jitter eine Unschärfe in der Anzeige verursacht.
Wenn Ihre Anwendung eine bestimmte Spezifikation des Phase Jitters erfordert, kann diese aus dem Phasenrauschprofil abgeschätzt werden. Handelt es sich zum Beispiel um eine Anwendung für die Telekommunikation oder den Rundfunk, muss das Produkt möglicherweise eine bestimmte Jitter-Spezifikation erfüllen.
IQD hat vor kurzem ein neues Tool zur Unterstützung der Kunden auf den Markt gebracht, das Formeln enthält, um eine schnelle Berechnung des Phase Jitters aus einem Phasenrausch-Datensatz durchzuführen. Dieses finden Sie auf unserer Website im Bereich ‚Technische Informationen‘ unter dem Titel „Bechnung des Jitters anhand des Phasenrauschens”.
Für weitere Informationen zu Phasenrauschen und Jitter für bestimmte Modelle oder bei Designfragen wenden Sie sich bitte an unser Applications Support Team.