In digitalen Kommunikationssystemen sind Datensignale zahlreichen Rauschquellen und unerwünschten Effekten ausgesetzt, die ihre Qualität mindern. Eine dieser Beeinträchtigungen ist Jitter (Abbildung 1), der sich als temporäre Schwankungen der Bitperioden des digitalen Signals äußert und die Abtastung und Datenwiederherstellung am Empfangsende erschwert. Je nach Bitrate ist das Datensignal mehr oder weniger stark vom Jitter betroffen. Es gibt jedoch in jedem Fall maximale Jitter-Grenzwerte, die eingehalten werden müssen. Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) legt in ihrer ITU-T-Empfehlung G.783 die Jitter-Anforderungen für digitale optische SONET/SDH-Signale fest. Die Grenzwerte sind in Tabelle I zusammengefasst. Wie ersichtlich, wird in allen Fällen ein maximaler Jitter von 10 % der Bitperiode angenommen, wobei die Messwerte vom betrachteten Frequenzbereich und vor allem von der Bitrate des digitalen Signals abhängen. Bei hohen Geschwindigkeiten (10 und 40 Gbit/s) müssen Jitter-Messungen sehr präzise sein. Daher ist eine leistungsstarke Messtechnik, wie sie in diesem Artikel vorgestellt wird, erforderlich.

Ursachen von Jitter.
Jitter in optischen Kommunikationsnetzen kann verschiedene Ursachen haben. Um den Einfluss jeder einzelnen Ursache zu beschreiben, ist es hilfreich, das Blockdiagramm des Systems zu analysieren. Das einfachste Blockdiagramm besteht aus einem optischen Sender, einem optischen Empfänger, einer Glasfaserverbindung und einem Referenztakt (Abbildung 2). Der Referenztakt bestimmt die Bitrate des Systems. Schwankt die Taktfrequenz im Laufe der Zeit, schwankt auch die Bitrate, und das Datensignal erfährt Jitter. Die Mechanismen, die Jitter im Referenztakt verursachen, können unterschiedlich sein: zufälliger Jitter aufgrund von Oszillatorrauschen, periodischer Jitter aufgrund von Störseitenbändern oder Tastverhältnisverzerrung aufgrund von Oszillatornichtlinearitäten.
Zur Erzeugung des Datensignals empfängt der Sender den Referenztakt als Eingangssignal. Typischerweise wird dieser Referenztakt als Basisfrequenz verwendet, aus der die zu übertragende Bitrate generiert wird. Die Multiplikation dieser Referenzfrequenz erfolgt mittels einer PLL (Phasenregelschleife), die ebenfalls zu Jitter beiträgt. In diesem Fall handelt es sich um zufälliges Jitter, das vom internen Oszillator (VCO, spannungsgesteuerter Oszillator) herrührt. Das Eingangsjitter (vom Referenztakt) wird durch die Übertragungsfunktion der PLL gefiltert. Da es sich um einen Tiefpassfilter handelt, werden die hochfrequenten Komponenten des Jitters eliminiert. Das niederfrequente Jitter bleibt jedoch bestehen. Das VCO-Jitter hingegen wird durch eine komplementäre Übertragungsfunktion beeinflusst, da sich der VCO innerhalb der PLL-Schleife befindet. Daher werden in diesem Fall die niederfrequenten Komponenten des VCO-Jitters eliminiert, während die hochfrequenten Komponenten erhalten bleiben. Zusätzlich kann Rauschen von anderen Elementen in der Schleife, wie z. B. Verstärkern oder einem Phasendetektor, zum VCO-Jitter addiert werden, was zu einem komplexeren Jitter-Spektrum führt. Die wichtigste Schlussfolgerung ist, dass die PLL-Bandbreite einen signifikanten Einfluss auf die Jitter-Pegel des Datensignals hat und die Jitter-Spektrumanalyse im Frequenzbereich wertvolle Informationen darüber liefert, wie sich Jitter ausbreitet und wie er kontrolliert werden kann.
Obwohl diese Jitterquellen primär elektronischer Natur sind, tragen auch optische Komponenten zu erhöhten Jitter-Pegeln bei. Beispielsweise erzeugen Lasersender und optische Verstärker RIN- bzw. ASE-Rauschen, was die Datenqualität beeinträchtigt. Auch Phasenrauschen (Linienbreite) oder Chirp des optischen Senders sind problematisch, da sie in Kombination mit der chromatischen Dispersion in der Faser (PM-IM-Wandlung) Intensitätsrauschen und Jitter erzeugen. Kurz gesagt: Glasfasern als Übertragungsmedium sind nicht immun gegen Jitter. Bei hohen Geschwindigkeiten (z. B. 40 Gbit/s) ist Polarisationsdispersion (PMD) ebenfalls eine häufige Ursache für Qualitätsminderungen und begrenzt die Reichweite dispersionskompensierter Glasfaserverbindungen auf wenige Kilometer.
Der Empfänger im Kommunikationssystem muss dann ein beeinträchtigtes Signal verarbeiten und die Daten mit minimalen Fehlern wiederherstellen. Auch der Empfänger selbst kann durch ähnliche Mechanismen wie die Senderschaltung zu Jitter beitragen. Da Jitter die Bitfehlerrate (BER) direkt beeinflusst, gibt es einen maximalen Jitterwert (für jede Bitrate), der den korrekten Betrieb des Systems ermöglicht. Wird dieser Wert überschritten, ist eine Form der 3R-Regeneration erforderlich, um den Jitter zu reduzieren.

 

Jitter-Messungen
Um zu überprüfen, ob das System die Jitter-Spezifikationen (Tabelle I) einhält, sind Messungen mit hochpräzisen Messgeräten erforderlich. Die Untersuchung der spektralen Verbreiterung des Signals ist in der Regel sehr hilfreich. Da die Verbreiterung des Taktsignalspektrums üblicherweise symmetrisch ist, genügt die Analyse des Spektrums des oberen Modulationsbandes relativ zur Mittenfrequenz des idealen Trägers (Offset). Da diese Verbreiterung normalerweise auf zufällige Rauschprozesse zurückzuführen ist, wird die Energie durch Mittelung über 1-Hz-Intervalle gemessen. Dies ergibt ein Phasenrauschdiagramm wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Einheiten sind dBc/Hz, da das Messergebnis auf die Gesamtsignalenergie normiert ist. Diese Grafik zeigt, dass zufälliges Jitter aus verschiedenen Rauschmechanismen mit jeweils charakteristischen Eigenschaften besteht: frequenzunabhängiges weißes Phasenrauschen, Phasenmodulations-Flimmerrauschen (Abhängigkeit: 1/f), FM-weißes Rauschen (Abhängigkeit: 1/f²), FM-Flimmerrauschen (Abhängigkeit: 1/f³) und FM-Rauschen mit zufälligem Pfad (Abhängigkeit: 1/f⁴). Diese Methode der Jitteranalyse wird von Entwicklern drahtloser Systeme bevorzugt und kann mit einem Spektrumanalysator gemessen werden. Für optische Kommunikationsverbindungen ist es jedoch vorteilhafter, das Jitterspektrum in Effektivwerten (RMS) in Sekunden darzustellen, da dies beim Vergleich von Signalen mit unterschiedlichen Bitraten mehr Informationen liefert. In diesem Fall ist es nicht möglich, Jittermessungen durch Analyse des Phasenrauschens mit einem Spektrumanalysator durchzuführen, sodass andere Messgeräte zum Einsatz kommen müssen. Geräte verschiedener Hersteller zur Jittermessung in digitalen optischen Systemen sind auf dem Markt erhältlich. Dabei handelt es sich nicht um Spezialgeräte, sondern um Oszilloskope und digitale Signalanalysatoren, die vielseitig einsetzbar sind und unter anderem die präzise Bestimmung des Jitters von optischen und/oder elektronischen Eingangssignalen ermöglichen. Abbildung 4 zeigt typische Messergebnisse, die mit einem dieser Geräte erzielt werden können. Konkret handelt es sich um den Agilent Digital Communications Analyzer (Infiniium 86100C DCA-J). Wie ersichtlich, ermöglicht das Gerät die Bestimmung des Gesamtjitters (TJ) sowie die Trennung der verschiedenen Jitter-Komponenten: datenabhängiger Jitter (DDJ), einschließlich Intersymbolinterferenz (ISI) und Tastverhältnisverzerrung (DCD), periodischer Jitter (PJ) und zufälliger Jitter (RJ). Zusätzlich zeigt Abbildung 4 verschiedene Histogramme der gemessenen Jitterwerte. Diese ermöglichen die Beobachtung der Streuung der Jitterwerte sowie die Berechnung der Effektivwerte (RMS).
Weitere auf dem Markt erhältliche Geräte sind der Anritsu MP1800 Signalanalysator und das digitale Abtastoszilloskop Tektronix DSA8200. Für den MP1800 (Abbildung 5) sind seit Kurzem verschiedene Optionen verfügbar, die Jittermessungen an Signalen bis zu 50 Gbit/s ermöglichen. Konkret handelt es sich dabei um den 12,5-GHz-4-Port-Synthesizer (MU181000B), Jitter-Modulationsoptionen (MU181000A/B-001) und die Softwareanwendung zur Jittermessung (MX180005A). Der Tektronix DSA8200 ermöglicht zudem die Jitteranalyse digitaler optischer Signale bis zu 43 Gbit/s mithilfe der Softwareanwendung 80SJNB. Darüber hinaus identifiziert und isoliert das Team die Ursachen für die horizontale und vertikale Öffnung des Augendiagramms und trennt dabei die Auswirkungen von Jitter und Rauschen.

 

Francisco Ramos Pascual. Doktor der Telekommunikationstechnik.
Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia.