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EF 2019-2020

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik Taktqualität und Analyse von Phasenrausch- Messmethoden Ein wichtiges Maß für die Qualität des Taktsignals ist das Phasenrauschen. Welche Vorteile haben die verschiedenen Methoden zur Messung des Taktphasenrauschens? Wie entscheiden sich Ingenieure für das Konzept, das für ihre spezifischen Prüfanforderungen am besten geeignet ist? Bild 1: RLC-Schaltung Taktgeber liefern eines der wichtigsten Signale im modernen Chipsatz- und Geräte- Design. Als Referenzsignal beeinflusst die Güte eines Takts die Bitfehlerrate (BER) und damit die Systemleistung. Bei modernen digitalen Hochgeschwindigkeitskonzepten ist das Taktsignal die ultimative Quelle der Systemsteuerung. Der Takt dient dazu, logische Übergänge im Sender zeitlich abzustimmen und die Abtastpositionen beim Empfänger zu definieren. Der Referenztakt kann aus den übertragenen seriellen Daten in einem nicht verteilten Taktsystem zurückgewonnen oder in einem verteilten Taktsystem als separates Signal übertragen werden. Der Takt wird in der Taktwiederherstellungsschaltung, beispielsweise einer PLL, im Empfänger aus dem Referenztakt reproduziert. Taktsignalerzeugung Ein Taktsignal stammt von einem Oszillatorsystem. Das könnte als eine RLC-Schaltung wie in Bild 1 beschrieben werden. Für einen guten Oszillator ist die Resonanzfrequenz ω R und der Dämpfungsfaktor Die Bandbreite ist proportional zum Dämpfungsfaktor und die Güte ist das Verhältnis aus Resonanzfrequenz und Bandbreite, das umgekehrt proportional zum Widerstand ist. Die Güte eines Oszillators ist ein Maß dafür, wie steil die Resonanzkurve ist. Die meisten Quarzoszillatoren für die Telekommunikation, beispielsweise für das 5G-System, liegen zwischen 10E4 und 10E6. Nach einer Veröffentlichung wurde bereits ein XO mit 475,5 MHz für Millimeterwellen-Anwendungen (mmW) entwickelt, d.h. für Anwendungen mit 30 bis 300 GHz wie 5G oder 802.11AY (Esfahani, 2014). Ein idealer Oszillator hätte eine unendliche Qualität und die Bandbreite null. Theoretisch ist dies in einem Supraleiter realisierbar, für die Industrie aber nicht realistisch. Ein idealer Oszillator kann wie folgt charakterisiert werden: Ein echter Oszillator enthält immer Amplitudenrauschen und Phasenrauschen Siehe hierzu Burkhard Schiek, 2006. Leider kann das Phasenrauschen nicht durch Filter beseitigt oder verringert werden. Es hängt im Wesentlichen von der Frequenzstabilität ab. Diese gibt an, inwieweit eine oszillierende Quelle über einen bestimmten Zeitraum dieselbe Frequenz erzeugt. Es gibt viele Möglichkeiten, Phasenrauschen zu bestimmen und zu quantifizieren. Das häufigste Verfahren ist die Bestimmung des Einseitenband-Phasenrauschens , das vom US-amerikanischen National Institute of Standard and Technology (NIST) als „das Verhältnis der Leistungsdichte einer Seitenfrequenz des Trägers zur Gesamtleistung des Trägersignals” definiert wird. Phasenrauschen im Frequenzbereich ist gekennzeichnet durch , verglichen mit der Frequenzspektrumdichte des Takts 6 HF-Einkaufsführer 2019/2020 ; statt des Quadrats der Fouriertransformation der Signalspektrumdichte ist es das Quadrat der Fouriertransformation des Phasenrauschens. Der Frequenzbereich des Phasenrauschens bezieht sich auf den Signalfrequenzbereich durch Das im letzten Absatz beschriebene Einseitenband-Phasenrauschen ist definiert durch Die Takteigenschaften sind entscheidend für die Systemeigenschaften. Zur Bestimmung der Qualität eines Taktgebers wird normalerweise der Jitter gemessen. Der Jitter wird unter systemspezifischen Annahmen analysiert. Beispielsweise unterscheidet sich die restriktive Anforderung für PCIe Gen 5 von den Anforderungen für SATA oder USB 3.1. Der Jitter ist mit gewissen Einschränkungen ein Maß für die BER (Bit Error Rate). Herkömmliche Taktspezifikationen wie Spitze-Spitze-Phasenjitter, Periodenjitter und Zyklus-Zyklus-Jitter sind zwar ein Maß für die Taktgüte, beantworten jedoch nicht die einzig wirklich relevante Frage: Funktioniert der Taktgeber in dem entworfenen System? Die aussagefähigste Messung der Taktgüte ist das Phasenrauschspektrum. Ob ein Taktgeber für eine Anwendung geeignet ist, lässt sich durch eine Maskenprüfung des Phasenrauschspektrums einfach feststellen. Da das Phasenrauschen unter eine Maske passen muss, kann der Betrag des Phasenrauschens

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