Medida de Jitter con un Osciloscopio Siglent SDS 2000X HD

Medida de Jitter con un Osciloscopio Siglent SDS 2000X HD

Medida de Jitter con el osciloscopio SIGLENT SDS 2000X HD

Medida de Jitter con el osciloscopio SIGLENT SDS 2000X HD

Al probar algunos hardware A2B se observó lo que parecía ser una gran fluctuación en los relojes.

Si bien se encuentran disponibles osciloscopios y software especializados para realizar mediciones de fluctuación, uno no estaba disponible en el momento en que se necesitaron las mediciones.

 La idea básica es bastante simple: medir los flancos del reloj y ver si están todos exactamente espaciados de manera uniforme o si cambian (tiemblan) con el tiempo. Un reloj no uniforme alimentado a un ADC o DAC (convertidor analógico-digital o convertidor digital-analógico) producirá efectos de FM y/o AM, además de elevar el nivel de ruido.

 Los efectos deL jitter dependen de la naturaleza de la fluctuación.

La fluctuación aleatoria puede tener efectos audibles menos importantes que la fluctuación dominada por una frecuencia específica. Hay muchas formas de que las señales de interferencia se acoplen a las líneas de reloj y causen problemas. 

La nota de aplicación adjunta analiza el uso de un DSO común (200 MHz BW, 1 Gmuestra/seg) para ver si puede reemplazar una configuración de $50,000 que normalmente se usaría para investigar un problema de Jitter. 

Afortunadamente, la respuesta es que, dentro de los límites de lo que necesitan la mayoría de los sistemas de audio, se pueden obtener resultados utilizables. A frecuencias de fluctuación más altas (> 2 kHz), al medir relojes de bits típicos (es decir, de 3 MHz a 24 MHz), la medición del nivel de ruido de jitter es de alrededor de 20 pseg RMS. Para frecuencias más bajas, es de alrededor de 200 pseg RMS debido a la necesidad de registros de mayor duración. Para obtener más detalles, lea la nota de la aplicación. El software y los archivos de ejemplo se encuentran en el archivo .zip. 

La nota de aplicación, también presenta una curva de audibilidad de jitter derivada de un estudio y señala que el jitter aleatorio de banda ancha tiene consideraciones diferentes que el jitter con tonos espectrales. 

Las revisiones de equipos que se centran en la medición serán mucho más sensibles que los criterios de audibilidad. No se establecen criterios para las mediciones ya que hay demasiadas variables a considerar. Algunos revisores pueden considerar cualquier banda lateral relacionada con la fluctuación por encima del nivel de ruido al muestrear o reproducir tonos puros como una señal de mal diseño. 

 La fluctuación aleatoria de banda ancha también aumentará el ruido de fondo, pero la cantidad de ese aumento depende del contenido que se utilice para realizar la medición del ruido. Como algunas pruebas utilizan 11 kHz (normalmente como parte de una prueba IMD con un segundo tono a 1 kHz de distancia), no es descabellado utilizarlo como suposición para las pruebas. Su frecuencia más alta muestra el efecto de la fluctuación mucho más fácilmente que un tono de prueba de 1 kHz.

 En la vida real ningún contenido musical tendría ondas sinusoidales de 11 kHz a 0 dB; Ese no es el objetivo de una prueba como esa. Con especificaciones de equipo tan buenas, descubrir sus deficiencias requiere una postura de prueba más agresiva.

También es verdad en la publicidad: si un producto dice 10 Hz a 50 kHz +/‐ 3 dB, entonces será mejor que funcione en ese rango sin problemas extraños.

 “Clockworks” adopta la posición de que con un rendimiento medio, es decir, 110 dB DR, no deberían poder medirse componentes de fluctuación relacionados espectralmente por encima del nivel de ruido. Del mismo modo, el ruido de fondo debe cumplir las especificaciones indicadas no sólo en condiciones AES-17 sino también con un tono de 11 kHz. 

Sin realizar gastos extraordinarios para obtener un rendimiento superior a 120 dB DR, puede resultar muy difícil evitar algunos componentes relacionados con la fluctuación. Traducir eso a requisitos de fluctuación es difícil. Es razonable que OTOH prediga el impacto de una combinación específica de componentes de banda ancha y fluctuación tonal. Un recurso fácil de usar para eso es DISTORSION disponible desde https://distortaudio.org .  Desarrollado por Paul Kane, se presentó en 2019 a través del foro en Revisión de la ciencia del audio. En el momento de escribir este artículo todavía se encuentra en una versión Beta.

Una pregunta abierta es que ofrece una amplia gama de funciones de ventana FFT (y no está documentada para los casos en los que la función tiene parámetros), pero la corrección de la ganancia de procesamiento parecía un poco fuera de lugar en algunos casos, pero esto fue solo al observarlo.  

Utilicé la misma opción de ventana para todas las mediciones, ya que las mediciones comparativas serán correctas. Recuerde también que algunas funciones de ventana tienenlóbulos  laterales altos.  Si investiga el efecto de la fluctuación en el ruido de fondo, elija una ventana con baja energía de lóbulos laterales en relación con el ruido de fondo esperado.

Actualización/anexo

Me encontré con un Nota de aplicación de ADI EE-261 sobre la fluctuación en lo que se aplica a las especificaciones de reloj del procesador, pero también es una buena introducción al tema ya que cubre TIE, que generalmente no es de interés para los diseñadores de enlaces de CPU y SERDES.

Nota de aplicación de medidas de jitter con osciloscopio

Software de medidas de Jitter


In testing some of the A2B hardware what appeared to be high jitter on the clocks was observed. While specialized scopes & software are available for making jitter measurements one was not available at the time measurements were needed.

The basic idea is simple enough – measure the clock edges and see if they are all exactly evenly spaced or if they change (jitter) over time. A non-uniform clock fed to an ADC or DAC will produce FM and/or AM effects, as well as raise the noise floor. The effects of the clock jitter depend on the nature of the jitter. Random jitter can have less objectionable audible effects than jitter dominated by a specific frequency. There are many ways for interfering signals to couple in to clock lines to cause problems.

The attached app note looks at using a garden variety DSO (200 MHz BW, 1 Gsample/sec) to see if it can take the place of a $50,000 set up that would normally be wheeled out to investigate a jitter problem.

Luckily, the answer is that within the limits of what most audio systems need, you can get usable results. At higher jitter frequencies (> 2 kHz) when measuring typical bit clocks (i.e. 3 MHz to 24 – MHz) the measurement jitter noise floor is around 20 psec RMS. For lower frequencies it’s around 200 psec RMS due to the need for longer record lengths. For more details read the app note. The software and example files are found in the .zip file.

The Appnote also presents a jitter audibility curve derived from a literature survey, and notes that random broadband jitter has different considerations than jitter with spectral tones in it.

Equipment reviews that focus on measurement will be much more sensitive than the audibility criteria. No criteria is established for measurements as there are too many variables to consider. Some reviewers may consider any jitter related sidebands above the noise floor when sampling or rendering pure tones a sign of bad design. Wideband random jitter will also increase the noise floor, but the amount of that increase depends on the content being used to make the noise measurement. As some tests use 11 kHz (usually as part of an IMD tests with a second tone 1 kHz away) it’s not unreasonable to use that as the assumption for testing. Its higher frequency shows the effect of jitter much more readily than a 1 kHz test tone.

In real life no musical content would have 11 kHz sinewaves at 0 dB; that’s not the point of a test like that. With equipment specs so good uncovering their short comings requires a more aggressive test posture. It’s also truth in advertising, if a product says 10 Hz to 50 kHz +/- 3dB then it better work across that range with no weird “except on Tuesdays” clauses.

Clockworks takes the position that with middle of the road performance, i.e. 110 dB DR, no spectraly related jitter components should be measurable above the noise floor. Likewise the noise floor should meet the stated specifications not just under AES-17 conditions but with a 11 kHz tone as well.

Without going to extraordinary expense for performance above 120 dB DR it can be very difficult to avoid some jitter related components.

Translating that in to jitter requirements is difficult. OTOH predicting the impact of a specific combination of wideband and tonal jitter components is reasonable. One easy to use resource for that is DISTORT available from https://distortaudio.org. Developed by Paul Kane, it was introduced in 2019 via the forum on Audio Science Review. At the time of this post it is still in a Beta release. One open question is that it offers a wide range of FFT window functions (and not documented for cases where the function has parameters), but the correction to the processing gain seemed a little off in some cases, but this was only from eyeballing it. Use the same window choice for all measurements as comparative measurements will be correct. Remember too that some window functions have high side lobes. If investigating jitter effect on noise floor pick a window with low side lobe energy relative to the expected noise floor.

Update/addendum

Came across an ADI app note EE-261 on jitter as it applies to processor clock specifications, but it’s a good introduction to the topic too as it covers TIE which generally isn’t of interest to CPU and SERDES link designers.

Nota de aplicación de medidas de jitter con osciloscopio

Software de medidas de Jitter


Medida de Jitter con el osciloscopio SIGLENT SDS 2000X HD

Medida de Jitter con el osciloscopio SIGLENT SDS 2000X HD

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