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2024-11-12T10:22:41Z

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{{Begriffsklärungshinweis}}
Als '''Jitter''' [{{IPA|ˈdʒɪtɚ}}] ({{enS}} für ‚[[Fluktuation]]‘ oder ‚[[Messabweichung|Schwankung]]‘) bezeichnet man das zeitliche Taktzittern bei der Übertragung von Digitalsignalen, eine leichte Genauigkeitsschwankung im [[Taktsignal|Übertragungstakt]] (engl.: ''Clock''). Jitter ist als Störsignal im Normalfall unerwünscht. Allgemeiner ist Jitter in der [[Übertragungstechnik]] ein abrupter und unerwünschter Wechsel der Signalcharakteristik. Dies kann sowohl Amplitude als auch Frequenz und Phasenlage betreffen. Der Jitter ist die erste [[Differentialrechnung#Ableitungsfunktion|Ableitung]] einer [[Verzögerung (Telekommunikation)|Verzögerung]] (Latenz, engl.: ''Delay''). Die spektrale Darstellung der zeitlichen Abweichungen wird als [[Phasenrauschen]] bezeichnet. Jitter ist nicht zu verwechseln mit [[Quantisierungsfehler]]n.

In der Netzwerktechnik wird mit Jitter außerdem die [[Varianz (Stochastik)|Varianz]] der [[Gruppenlaufzeit|Laufzeit]] von Datenpaketen bezeichnet. Dieser Effekt ist insbesondere bei Multimedia-Anwendungen im [[Internet]] (wie [[Internetradio]] und [[Internettelefonie]]) störend, da dadurch Pakete zu spät oder zu früh eintreffen können, um noch rechtzeitig mit ausgegeben werden zu können. Der Effekt wird durch einen sogenannten [[Jitterbuffer]], einen speziellen „Datenpuffer“ reduziert, allerdings zum Preis von zusätzlicher [[Laufzeit (Elektrotechnik)|Laufzeit]], was vor allem bei Dialoganwendungen stört. Dieser Effekt spielt außerdem in der [[Prozessleittechnik]] eine Rolle. Kritische Prozessinformationen müssen innerhalb einer bestimmten Zeit verschickt und empfangen werden. Wird der Jitter zu groß, ist ein rechtzeitiges Eintreffen der kritischen Prozessinformationen nicht gewährleistet.

== Bewertung ==
[[Datei:Jitter timing.svg|mini|hochkant=1.5|Messgrößen von Jitter]]
Zur Bewertung von Jitter in Form von Messwerten stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Im Bereich der Signalverarbeitung wie dem digitalen Audio im Rahmen von [[AES-3]] oder bei digitalen Videosignalen im Rahmen des [[Serial Digital Interface]] (SDI) wird der zeitliche Jitter als eine relative Größe in ''[[Unit Interval]]'' (UI) ausgedrückt.<ref name="jitter_meas" /> Ein UI entspricht dabei der Zeitdauer für ein Symbol. Bei einer binären Übertragung ist dies die Zeit für die Übertragung eines Bit, wie in nebenstehender Abbildung für eine beispielhafte binäre Folge „01001“ dargestellt. Die Übergänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Bits sind durch eine ''verschliffene'' [[Signalflanke]] in hellblau stilisiert dargestellt. Der Jitter bewirkt, dass der tatsächliche zeitliche Signalverlauf vom idealen Signalverlauf, der als dunkelblaue Linie dargestellt ist, im Bereich der Signalflanke abweicht.

Ein großer Jitter bewirkt ein verstärktes [[Symbolübersprechen]] und in der Folge eine gesteigerte Bitfehlerrate, was sich auch in einer Reduktion der horizontalen Öffnung im [[Augendiagramm]] darstellen lässt. Die Abweichung von dem idealen Zeitpunkt der Signalflanke kann neben der auf die Symbolrate bezogenen Angabe in UI auch als eine absolute Zeitangabe ausgedrückt werden. Übliche absolute Werte, als ''A''j oder auch als ''peak-to-peak'' im Diagramm dargestellt, weisen bei seriellen digitalen Übertragungen im Mega- bis Gigabitbereich einige 100 fs (Femtosekunden) bis zu einigen 100 ps (Pikosekunden) auf. Bei langsameren Übertragungen sind je nach Verfahren auch unter Umständen absolute Jitterzeiten bis in den Mikrosekundenbereich zulässig.

Die Abweichungen, deren spektrale Darstellung als [[Phasenrauschen]] bezeichnet wird, unterteilen sich in periodische bzw. deterministische und in zufällige Jitter-Anteile. Die periodischen Anteile lassen sich mit einer Grundschwingung beschreiben, im Diagramm mit der Zeitdauer ''T''j bezeichnet, da von ihr die größte zeitliche Auslenkung ausgeht. Ihr überlagert sind höhere spektrale Anteile mit geringerer Amplitude und zufälliger Jitter, die je nach Ursache verschieden stark ausgeprägt sind.

Die Jitter-Frequenz ''f''j der Grundschwingung ist gegeben als:

:<math>f_j = \frac{1}{T_j}</math>

Für den Empfang von digitalen Datenströmen und die zeitliche Festlegung der Abtastzeitpunkte ist auf Empfängerseite eine [[Taktrückgewinnung]] nötig, die in verschiedenen Formen unter anderem [[Phase-locked loop|Phasenregelschleifen]] einsetzt. Jene Regelschleifen können langsam verlaufende, das heißt niederfrequente spektrale Anteile des Jitters durch Nachjustierung des [[Spannungsgesteuerter Oszillator|lokalen Oszillators]] direkt ausgleichen, während höherfrequente Jitteranteile durch das Tiefpassverhalten der [[Phase-locked loop#Aufbau|Schleifenfilter]] unterdrückt werden und damit zu Abtastfehlern führen können.

Zur numerischen Bewertung ist es daher notwendig, den Jitter in seine spektralen Anteile zu unterteilen und sie voneinander getrennt zu bewerten bzw. je nach Übertragungsverfahren zulässige Grenzwerte für die einzelnen Frequenzbereiche festzulegen. Beispielsweise werden die spektralen Jitteranteile, die kleiner als 10 Hz sind, generell als ''Wander'' bezeichnet.<ref name="itutg810" />

Die Bezeichnungen der übergeordneten Jitter-Anteile sind in der Literatur und bei den einzelnen Übertragungsverfahren nicht einheitlich gewählt. So werden beispielsweise im Rahmen von digitalen Videoübertragungen (SDI) unter ''Timing-Jitter'' jene spektralen Anteile zwischen 10 Hz und 1 kHz (bei SD-SDI, im Standard [[SMPTE]] 259M) bzw. zwischen 10 Hz und 100 kHz (HD-SDI, im Standard SMPTE 292M) verstanden. Diese Jitteranteile können im Regelfall noch durch die Regelschleifen direkt ausgeglichen werden. Spektrale Anteile darüber werden als ''Alignment-Jitter'' bezeichnet, da sie direkt zu Abtastfehlern führen können und durch die Phasenregelschleifen nicht kompensiert werden.<ref name="jitter_meas" />

== Arten ==
[[Datei:Jitter distribution ui.svg|mini|hochkant=1.5|Dichtefunktion von deterministischen Jitter (DJ) und zufälligen Jitter (RJ) als Funktion des [[Unit Interval]] (UI)]]
Jitter wird in deterministischen Jitter (DJ) und zufälligen Jitter ({{enS|random jitter, RJ}}) unterteilt. In Übertragungssystemen treten beide Anteile in verschieden starken Gewichtungen überlagert auf.<ref name="jitter2_meas" /> Der deterministische Jitter weist im Gegensatz zum zufälligen Jitter keine [[Normalverteilung]] auf, ist in der [[Amplitude]] immer begrenzt und wird durch seine maximal auftretenden Spitze-Spitze-Abweichungen beschrieben. Er kann unter anderem durch entsprechende Symbolfolgen ermittelt werden und unterteilt sich in folgende Anteile:<ref>Jitter Working Group Technical Report, T11: ''Methodologies for Jitter Specification.'' [[InterNational Committee for Information Technology Standards]] (INCITS), 1998, {{Webarchiv |url=http://www.t11.org/ftp/t11/member/fc/jitter_meth/98-055v6.pdf |text=online verfügbar: PDF, 678 kB |wayback=20160731025808}}.</ref>

* periodische Jitteranteile: Ursache sind typischerweise externe periodische Störsignale, welche in das Übertragungssystem einkoppeln.
* datenabhängige Jitteranteile: diese Anteile sind von den übertragenen Datenfolgen abhängig und werden durch das [[Symbolübersprechen]] verursacht.
* Jitteranteil infolge ungleicher [[Tastgrad|Pulsbreiten]] ({{enS|Duty Cycle Jitter}}): Ursache sind unterschiedliche Flankensteilheiten bei der steigenden bzw. fallenden Signalflanke.

Von diesen Anteilen des deterministischen Jitters ist der zufällige Jitter zu unterscheiden, welcher eine Normalverteilung aufweist und seine Ursache unter anderem im thermischen [[Rauschen (Physik)|Rauschen]], ungleichmäßiger [[Dotierung]] der Störstellen in den verwendeten Halbleitermaterial, und anderen zufällige Störungen wie [[Kosmische Strahlung|kosmischer Strahlung]] hat. Zufälliger Jitter wird durch seine [[Standardabweichung (Wahrscheinlichkeitstheorie)|Standardabweichung]] beschrieben.

{| class="wikitable" align="right" style="margin-left:10px"
|-
! n
! BER
|-
| 6,4
| 10−10
|-
| 6,7
| 10−11
|-
| 7
| 10−12
|-
| 7,3
| 10−13
|-
| 7,6
| 10−14
|}
=== Totaler Jitter ===
Der gesamte oder totale Jitter ''TJ'' ist eine Kombination bestehend aus deterministischen Jitter ''(DJ)'' und zufälligen Jitter ''(RJ)'' in der Form:

:<math>TJ = DJ_{\mathrm{p-p}} + 2 \cdot n \cdot RJ_{\mathrm{rms}}</math>

Der Gewichtungsfaktor <math>n</math> wird durch die zulässige [[Bitfehlerrate]] (BER) bestimmt. Übliche Werte für die Bitfehlerrate, wie bei [[Ethernet]], sind Werte wie 10−12 mit <math>n=7</math>. Weitere Werte sind in nebenstehender Tabelle zusammengefasst.

== Digitale Audiosysteme ==
Ein weiteres Beispiel für Jitter sind Fehler, die beim Wandeln von [[Analogsignal|analogen Signalen]] in [[Digitalsignal|digitale Signale]] auftreten können. Bei der [[Abtastung (Signalverarbeitung)|Abtastung]] ({{enS|Sampling}}) wird eine feste [[Periodendauer]] verwendet, im Bereich von Audiosignalen zum Beispiel 22,67 µs bei 44,1 kHz deren jeweilige [[Amplitude]]nwerte ausgelesen werden.

Auch bei digitalen Audiosystemen nach der [[AES3]]-Norm wird Jitter nach der spektralen Verteilung in

* niederfrequenter ''Interface-Jitter'' und
* höherfrequenter ''Sampling-Jitter''

unterteilt. Sampling-Jitter entsteht in digitalen Audiosystemen unter anderem bei den [[Analog-Digital-Umsetzer]]n, asynchronen [[Abtastrate]]numsetzern und [[Digital-Analog-Umsetzer]]n.

== Mathematische Definitionen ==
Periodischer Jitter:
:<math>J_\mathrm{per} = T_\mathrm{per}(1)-T_0</math>

Dabei ist <math>T_\mathrm{per}(1)</math> die Periodendauer der ersten Schwingung nach dem Triggerevent und <math>T_0</math> die ideale Periodendauer.

Cycle-to-Cycle Jitter:
:<math>J_\mathrm{cc} = \max(T_\mathrm{per}(n) - T_\mathrm{per}(n+1) )</math>

Es wird die maximale Abweichung von einer Periode zur nächsten ermittelt.

Akkumulierter Jitter
:<math>J_\mathrm{ac}(n) = T_\mathrm{per}(n)-n \cdot T_0</math>

Beim akkumulierten Jitter wird beginnend bei einem Triggerevent (z. B. einer steigenden Flanke eines Taktsignals) der Jitter auf dieses Ereignis bezogen. Je länger die Takte in der Zukunft liegen, desto größer wird auch die Verschiebung sein, wenn der Jitter nicht gleichverteilt ist.

== Literatur ==
* Dennis Derickson, Marcus Müller: ''Digital communications test and measurement. High-speed physical layer characterization''. Prentice Hall, Upper Saddle River NJ 2007, ISBN 978-0-13-220910-6
* Julian Dunn: ''Jitter. Specification and Assessment in Digital Audio Equipment''. 1992 ([http://www.nanophon.com/audio/jitter92.pdf PDF])
* Dan Lavry: ''On Jitter''. 1997 ([http://lavryengineering.com/pdfs/lavry-on-jitter.pdf PDF])
* Wolfgang Maichen: ''Digital Timing Measurements. From Scopes and Probes to Timing and Jitter''. (= Frontiers in Electronic Testing; 33). Springer US, Berlin 2006, ISBN 0-387-31418-0
* Johann Christoph Scheytt: ''Takt- und Datenrückgewinnungsschaltungen mit automatischer Wahl der Bitrate für bitratenflexible optische Übertragungssysteme''. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum 2000 ([http://nbn-resolving.de/urn%3Anbn%3Ade%3Ahbz%3A294-1512 PDF])
* Mike Story: ''Timing Errors and Jitter''. 1998 ([http://www.jitter.de/pdfextern/dcsjitter.pdf PDF])
* John Watkinson: ''The Art of Digital Audio''. 3. Auflage. FocalPress, Oxford u. a. 2001, ISBN 0-240-51587-0
* ''Understanding and Characterizing Timing Jitter'', Tektronix Primer, Sept. 2012 ([http://download.tek.com/document/55W_16146_5_MR_Letter.pdf PDF]).
*''Digital Timing: Clock Signals, Jitter, Hystereisis, and Eye Diagrams'', National Instruments Tutorial, 30. Dez. 2016 ([http://www.ni.com/white-paper/3299/en/ PDF])

== Weblinks ==
{{Commonscat|Jitter}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="jitter_meas">
{{Literatur
|Titel=Jitter Measurement for Serial Digital Video Signals
|Verlag=Tektronix Inc. Firmenschrift
|Datum=2006
|Online=http://de.tek.com/dl/2BW-18906-0.pdf
|Format=PDF
|KBytes=}}
</ref>
<ref name="jitter2_meas">
{{Literatur
|Titel=A Guide to Understanding and Characterizing Timing Jitter
|Band=55W-16146-1
|Verlag=Tektronix Inc. Firmenschrift
|Datum=2003
|Online=http://www.to-way.com/tf/tekjit.pdf
|Format=PDF
|KBytes=}}
</ref>
<ref name="itutg810">
ITU-T Recommendation G.810: ''Definitions and Terminology for Synchronization Networks,'' August 1996
</ref>
</references>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4213305-1}}

[[Kategorie:Übertragungstechnik]]
[[Kategorie:Digitale Signalverarbeitung]]

Jitter - Versionsgeschichte

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