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12-2014

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hf-praxis 12-2014

Titelstory Bild 4:

Titelstory Bild 4: Darstellung der RMS-Jitter-Empfindlichkeit bei Einsatz einer 47-ns-Verzögerungsleitung Funktionen, ist hier ein nützliches Hilfsmittel. Dies ist eine nützliche Technik, um die Länge der Verzögerungsleitung und die Geschwindigkeit / die Empfindlichkeit des Oszilloskops beschränkt. Für alle Frequenzen, die größer als 1 / (2 π τ d ) sind, wird die Messung durch das Rauschen des Oszilloskops beschränkt. Unter f = 1 / (2 π τ d ) fällt die Empfindlichkeit etwa 20 dB / Dekade. Für die 47-ns-Verzögerung, die in Bild 3 als Beispiel gezeigt ist, beträgt die Grenzfrequenz etwa 3,3 MHz. Jitter, der auf Grund von Frequenzen über 3,3 MHz entsteht, kann auf etwa 5 ps aufgelöst werden, abhängig vom jeweiligen Messgerät. In ähnlicher Weise kann Jitter bei 33 kHz nicht genauer als 500 ps bestimmt werden. Bild 4 ist eine Darstellung der RMS-Jitter- Empfindlichkeit bei Einsatz einer 47-ns-Verzögerungsleitung. Es ist wichtig, die Vorteile und Grenzen dieses Messverfahrens zu verstehen. Für das gegebene numerische Beispiel wäre niederfrequenter Jitter unter 300 kHz nicht zu sehen. Umgekehrt kann Jitter aus Seitenbändern, mit einem Offset von 3,0 MHz oder mehr, leicht bestimmt werden. Dieses Testverfahren ist gut geeignet, wenn die Oszillatoren gemessen werden sollen, die mit direkter Frequenzvervielfachung arbeiten oder wo niederfrequenter Jitter nicht von Bedeutung ist. Erklärung zu Bild 4: Sens (f) = r/2 π f r Wobei: Sens (f) = Jitter-Empfindlichkeit d = Verzögerung f = zu messende Jitter-Frequenz r = Auflösung des Oszilloskops Jitter-Messungen mit Phase Locked Loops Wir haben festgestellt, dass die Länge der Verzögerungsleitung die Auflösung bei den Jitter-Messungen begrenzt. Um Jitter mit einem Offset von weniger als 100 Hz zu messen, wäre eine sehr verlustarme Verzögerungsleitung von mehreren hundert Kilometern Länge erforderlich. Anstelle solcher Konstruktionen Bild 5: Grundelemente einer Phasenregelschleife (PLL) werden Phasenregelschleifen für eine Vielzahl von Rauschmessungen eingesetzt. Bild 5 zeigt die Grundelemente einer Phasenregelschleife (PLL), um das Rauschen einer Taktquelle zu bestimmen. Einige Schlüsselanforderungen an die Regelschleife: • Die PLL Schleifenbandbreite ist der kritische Parameter für eine erfolgreiche Messung. In Analogie zur Verzögerungsleitung kann das System nur Jitter-Frequenzen messen, die größer sind als die Schleifenbandbreite. Es ist empfehlenswert, die Schleifenbandbreite auf etwa 1/10 der untersten interessierenden Jitter-Frequenz zu begrenzen. • Die Schleifendämpfung muss mindestens 5 betragen, um Überhöhungen des Jitters durch die PLL zu vermeiden. Solche Überhöhungen würden das Messergebnis verfälschen. • Das Messfilter entspricht den Jitter-Bandbreiten, die in den Bellcore- oder ITU- Spezifikationen empfohlen werden. Eine Bandbegrenzung ist eine notwendige Voraussetzung für eine sinnvolle Messung. • Der Ausgang des Phasendetektors (PD) ist eine Gleichspannung, die sich proportional zur variierenden Phasenlage des Signals ändert. Die variierende Phase wird dabei durch den Jitter hervorgerufen. Es ist notwendig, den Verstärkungsfaktor (Kd) des Phasendetektors zu kennen, um den gemessenen Jitter zu quantifizieren. Ein Phasendetektor mit einem Kd von 1mV/deg. wird ein Spitze- Spitze Ausgangssignal von 10 mV liefern, wenn das Signal eines Oszillators mit 10 deg. Pk-Pk Jitter gemessen wird. In der Praxis wird es am einfachsten sein, ein Signal mit bekanntem Jitter zur Kalibrierung zu verwenden. Beurteilung der Messungen • Im Zeitbereich enthält das Ausgangssignal des Phasendetektors in Bild 5 eine Fülle von Informationen über den Jitter des gemessenen Taktsignals. Die direkte Betrachtung des Signals mit einem Oszilloskop zeigt den Pk-Pk Jitter. Ein RMS-Voltmeter kann den RMS-Mittelwert des Jitters (1-sigma) messen. Für diese Messungen ist es wichtig, dass die verwendeten Messfilter die interessierende Bandbreite der Jitter-Frequenzen richtig wiedergeben. Es würde keinen Sinn machen, Rauschen von DC bis 10 MHz zu messen, wenn nur eine Bandbreite von 10 kHz bis 1 MHz gefordert ist. Oszilloskope mit der Möglichkeit, Histogramme darzustellen und statistischen Funktionen sind sehr nützliche 10 hf-praxis 12/2014

Titelstory System Application Degrees of Difficulties Low Frequency Jitter Importance Low Frequency Jitter Importance Possible Type Radar Very difficult Noise performance Critical Critical A,B,C, D Ultrasonic/MRI Very difficult Noise performance Critical Critical A,B,C, D Navigation GPS Difficult Noise performance Critical High A,B,C, D Transmission Systems - Public Network Moderate Noise Apllication Moderate Moderate A,B,C, D - Privat network ( LAN ) General easiest Application Low Low A,B,F Frequency Synthesizer -Low Frequency reference Moderate - Critical Moderate - Low A,B,C -High Frequency source Moderate - Low Moderate - Critical D,E,F Tabelle 2: Application Performance Requirements Hilfsmittel für die Charakterisierung der gemessenen Jitter-Werte. • Im Frequenzbereich repräsentiert das Spektrum des Ausgangssignals des Phasendetektors in Bild 5 auch das Spektrum und die relative Amplitude des Jitters im Frequenzbereich. Untersucht man das Spektrum mit einem FFT-Analyser, erhält man das unmittelbarste Bild der spektralen Auswirkung des Takt-Jitters. Integriert man das Signal-Jitter-Spektrum über den interessierenden Frequenzbereich, ist es möglich, den RMS-Jitter des Signals abzuleiten. Dies ist das genaueste und leider aber auch umständlichste Verfahren zur Charakterisierung von Jitter, das obendrein noch spezielle Testgeräte erfordert. Ein Zahlenbeispiel ist unten dargestellt. Angabe Jitter- Performance Gute Jitter-Performance und niedrige Kosten schließen sich nicht gegenseitig aus. Folgende Punkte sind wichtig: • Die Systemanforderungen für Jitter sind nach Amplitude und Spektrum definiert. • Das zur Herstellung der Taktausgangsfrequenz zu erzeugende Verfahren ist optimal für die jeweilige Anwendung. Systemanforderungen: Obwohl es unmöglich ist, alle erdenklichen Varianten anzusprechen, können einige allgemeine Empfehlungen, basierend auf jahrelanger Praxis der Oszillatorentwicklung, hilfreich sein. Tabelle 2 kann zwar keine komplette Übersicht aller Anwendungsfälle sein, aber sie ist ein guter Anfang, um Oszillatorqualität zu spezifizieren. Jitter über 1 kHz wird als hochfrequenter Jitter bezeichnet. Takterzeugung Es können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, um Hochfrequenztakte zu erzeugen. Die Qualität hängt wesentlich von der verwendeten Technik ab. Unterhalb von 20 MHz kann angenommen werden, dass die direkte Frequenzerzeugung mit einem Quarzoszillator für alle Anwendungen ausreichend ist, außer bei absolut kritischen Anforderungen. Low Noise Optionen sollten für 20 MHz und höher berücksichtigt werden. Tabelle 3 kann verwendet werden, um eine kosteneffektive Lösung auszuwählen. Die aufgeführten Methoden können auch kombiniert oder variiert werden, um zu optimalen Lösungen zu führen. Fazit Um die Qualität einer Signaloder Taktquelle korrekt zu spezifizieren, müssen sowohl Jitter- Frequenz als auch Jitter-Amplitude betrachtet werden. Dafür ist Verständnis für die Natur des Jitters, Kenntnis der Messverfahren und deren Grenzen erforderlich. Der Zeitaufwand, der zur Bestimmung der notwendigen Systemanforderungen eingesetzt wird, resultiert in weniger Problemen und weniger Zeit, diese später zu lösen. So lässt sich auch eine kostengünstige Lösung für jede Anwendung bestimmen. In diesem Aufsatz haben wir die Definition von Jitter behandelt, die Größen, die verwendet werden, um ihn zu beschreiben, und warum Jitter ein wichtiger Systemparameter ist. Wir haben Verfahren vorgestellt, um Jitter zu messen, sowie Anwendungen und typische Leistungsmerkmale verschiedener Oszillatortypen. Diese Diskussion kann keineswegs vollständig sein, soll aber genug Informationen liefern, um die Probleme zu verstehen und ihnen durch geeignete Produktauswahl zu begegnen. Low-Jitter-Oszillatoren, wie sie Vectron International anbietet, sind das Ergebnis sorgfältiger Entwicklung, Auswahl hochwertiger Bauelemente und langjähriger Produktionserfahrung. Von den einfachen Quarzoszillatoren der Serien VC-708 und VC-709 bis hin zu den hochwertigen ofengesteuerten Quarzoszillatoren der OX-Serie, bietet Vectron hier eine Palette von Low-Noise- und Low-Jitter- Oszillatoren für den Einsatz im industriellen Messgerät, in militärischen Applikationen oder Raumfahrtanwendungen. ◄ Technique Cost LF Jitter HF Jitter Comments Type 1 is lowest 3 is highest 1 is best 3 is worst 1 is best 3 is worst Direct Clock /TCXO 1 2 1 or 2 Very good jitter A Direct VCXO 2 1 1 or 2 Very good jitter B Direct Oven 3 1 1 Excellent Jitter C Tuned Multiplication 2 1 1 or 2 Perodic Jitter D Discrete PLL 2 2 2 or 3 Good Jitter E Monolithic PLL 1 3 2 or 3 Close-In Jitter si poor F Tabelle 3: Jitter Performance hf-praxis 12/2014 11

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