Messtechnik Phasenrauschen messen mit dem Echtzeit- Sampling-Oszilloskop – Teil 1 Die Phasenlage extrahieren Ein Oszilloskop erfasst und digitalisiert das gesamte Signal. Es gibt mehrere Methoden, aus der digitalisierten Kurve die Phaseninformation zu gewinnen. In diesem Artikel beschreiben wir zwei Methoden, mit denen man diese Aufgabe lösen kann: • Taktrückgewinnung • Phasendemodulation über Vektorsignalanalyse Bild 1: Das Phasenrauschen wird üblicherweise logarithmisch aufgetragen Was ist Phasenrauschen überhaupt? Die (englischsprachige) Wikipedia schreibt sinngemäß: „Phasenrauschen ist die Frequenzebenen-Darstellung schneller, kurzzeitiger, zufälliger Veränderungen der Phasenlage eines Signals. Es wird verursacht von Instabilitäten in der Zeitebene (Jitter)“. Der Wortteil „Rauschen“ besagt, dass diese Erscheinung nichts Deterministisches an sich hat und auch nicht von Störsignalen abhängt. Die kurzzeitige Natur des Phasenrauschens unterscheidet es von langfristigen Änderungen einer Taktquelle, etwa einer Drift, die man in ppm (also Millionstel) ausdrückt. Eine Drift misst man über längere Zeit, etwa in Sekunden oder Minuten. Das Phasenrauschen wird üblicherweise logarithmisch aufgetragen, etwa so, wie in Bild 1 dargestellt. Hierbei ist die Amplitude in dBc/Hz angegeben (also in Dezibel bezogen auf die auf 1 Hz normalisierte Trägerleistung). Die x-Achse zeigt den Frequenzabstand zur Nominalfrequenz des Signals (also zur Trägerfrequenz). Eine ausführlichere Erklärung des Phasenrauschens finden Sie in dem Applikationsbericht „Using Clock Jitter Analysis to Reduce BER in Serial Data Applications“ unter http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5989-5718EN.pdf Phasenrauschen mit einem Oszilloskop messen? Bevor ich beschreibe, wie man das Phasenrauschen mit einem Oszilloskop misst, stellt sich die Frage, wieso man für diese Messung überhaupt ein Echtzeitoszilloskop einsetzt. Schließlich gibt es Spezialmessgeräte zur Messung des Phasenrauschens, etwa den Signalquellenanalysator Keysight E5052B. Dieses Gerät hat ein deutlich geringeres Eigenphasenrauschen als jedes Oszilloskop. Ein Signalquellenanalysator kann kleine Frequenzabstände beim Phasenrauschen viel besser messen und ist dabei erheblich schneller als jedes Oszilloskop. Allerdings haben diese Geräte typische Beschränkungen, etwa im Frequenzbereich. Ein Phasenrauschanalysator kann typischerweise nur bis 100 MHz Frequenzabstand messen. Bei Taktfrequenzen über 100 MHz möchte man aber auch Phasenrauschen mit mehr als 100 MHz Frequenzabstand messen. Weiterhin kann ein Oszilloskop das Phasenrauschen auch auf einem Datensignal messen, nicht nur auf einem Taktsignal. Vielleicht ist das Oszilloskop (das man hat) von seiner Messgenauigkeit her für die geplante Messung ausreichend. Vielleicht gibt der Messgeräteetat auch kein Spezialmessgerät für Phasenrauschen her. Phasendemodulation über Taktrückgewinnung aus einem seriellen Datensignal Ein Oszilloskop misst die Zeitveränderung (Jitter) eines seriellen Daten- oder Taktsignals, indem es registriert, wann das Signal ein bestimmtes Spannungsniveau schneidet, und diese Zeitpunkte mit den Flanken eines Referenztakts vergleicht. Will man das Phasenrauschen messen, sollte der Referenztakt ein ideales, konstantes Taktsignal sein. Die meisten modernen Oszilloskope verfügen intern über Algorithmen, mit denen sie den Takt aus einem Datensignal zurückgewinnen können. In vielen Fällen ist es wünschenswert, dass der Algorithmus das Verhalten einer PLL (Phase Locked Loop) emuliert, aber im vorliegenden Fall wollen wir nur einen idealen Takt mit konstanter Periodendauer aus dem Signal herausrechnen. Die Phasenveränderungen wollen wir nicht ausgleichen (wie eine PLL das machen würde). Bild 2 zeigt die Einstellung der Taktrückgewinnung für einen solchen Anwendungs- Bild 2: Einstellung der Taktrückgewinnung 10 hf-praxis 1/2017
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