基準(zhǔn)信號(hào)源所需振蕩器的關(guān)鍵規(guī)格與產(chǎn)品介紹

【序文】

通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的世界中，核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、移動(dòng)回傳網(wǎng)、接入網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)（LAN/SAN）從上至下呈樹狀分布。每種網(wǎng)絡(luò)均設(shè)定了各自通信所需的獨(dú)自規(guī)格。而且，伴隨近年高速通信終端及影像傳輸?shù)绕占?，骨干網(wǎng)中流過的通信量有增無減，通信的高速、大容量化進(jìn)展迅速，通信基礎(chǔ)設(shè)備亦不斷擴(kuò)充。進(jìn)行如上所示的高速數(shù)據(jù)通信的通信協(xié)議需要具備傳輸線路、系統(tǒng)以及誤碼率等性能。誤碼率（以下簡(jiǎn)稱為“BER”）是指進(jìn)行收發(fā)信之際，收信方接收數(shù)據(jù)中的誤碼數(shù)除以發(fā)出的數(shù)據(jù)總字節(jié)數(shù)得出的錯(cuò)誤率。尤其對(duì)于BER，信號(hào)所具有的噪音和抖動(dòng)是非常重要的參數(shù)，對(duì)信號(hào)品質(zhì)的影響極大。

本次，我們將說明基于通信設(shè)備所需的信號(hào)品質(zhì)而要求振蕩器具備的關(guān)鍵規(guī)格，并介紹市場(chǎng)中銷售的振蕩器結(jié)構(gòu)及特征，以及適于通信設(shè)備的愛普生產(chǎn)品。

【高速通信系統(tǒng)的構(gòu)成】

首先，用圖 1 表示兩只收發(fā)模塊之間通過PCI、SATA或10GbE等各種通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的常用通信系統(tǒng)傳輸線路。在這樣的系統(tǒng)中，使用振蕩器生成基準(zhǔn)信號(hào)。通常，基準(zhǔn)信號(hào)用低于數(shù)據(jù)傳輸率的頻率起振。所以，為了以基準(zhǔn)信號(hào)生成串聯(lián)數(shù)據(jù)，發(fā)送方使用收發(fā)模塊中的鎖相環(huán)電路（PLL，Phase Locked Loop）把基準(zhǔn)信號(hào)頻率倍增到需要的頻率后發(fā)送。與此相對(duì)，接收方使用收到的數(shù)據(jù)流中內(nèi)含鎖相環(huán)電路的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（Clock Data Recovery）復(fù)原基準(zhǔn)信號(hào)，并用復(fù)原后的基準(zhǔn)信號(hào)復(fù)原數(shù)據(jù)。在部分高端系統(tǒng)中，也采用根據(jù)接收方所持有的基準(zhǔn)信號(hào)復(fù)原數(shù)據(jù)的方式。如上所示，在收發(fā)信的過程中隨時(shí)進(jìn)行著信號(hào)的轉(zhuǎn)換與復(fù)原。在日益高速的通信中，接收方必須正確判斷接收的數(shù)據(jù)是0還是1。因此，如何抑制信號(hào)自身的抖動(dòng)和噪音提高信號(hào)品質(zhì)、如何設(shè)計(jì)最佳的傳輸線路專用集成電路是非常重要的課題。

【信號(hào)品質(zhì)評(píng)估手法】

評(píng)估通信系統(tǒng)中信號(hào)本身的品質(zhì)時(shí)，經(jīng)常使用眼圖。眼圖是使用示波器等測(cè)試儀器收集大量高速數(shù)字信號(hào)波形后重合而成的圖形，由于波形重合后呈“眼”狀而得名。

假設(shè)傳輸線路的通信協(xié)議為 10GbE，該系統(tǒng)中傳輸10Gbps的信號(hào)所用時(shí)間（長(zhǎng)度）為各字節(jié)100微微秒。評(píng)估信號(hào)品質(zhì)時(shí)，將每隔100微微秒重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)相重合后制成眼圖。假設(shè)基準(zhǔn)信號(hào)很純正且傳輸線路的專用集成電路設(shè)計(jì)良好，則可以獲得如圖2左所示的幾乎完全重合的波形。與其相反，如果基準(zhǔn)信號(hào)中噪音和抖動(dòng)較多、或因?qū)Ｓ眉呻娐返脑O(shè)計(jì)而產(chǎn)生傳輸線路的頻帶不足等損失，信號(hào)波形則會(huì)變得不穩(wěn)定，重合后的波形呈現(xiàn)圖2右所示的眼睛逐漸閉攏的情況。

判斷信號(hào)數(shù)據(jù)是 0 還是1時(shí)，重要的是開眼部的長(zhǎng)寬足夠大。

開眼部因噪音和抖動(dòng)而縮小，將導(dǎo)致接收方無法準(zhǔn)確判斷信號(hào)數(shù)據(jù)，BER 變高?，F(xiàn)在幾乎所有通信系統(tǒng)均要求BER至少應(yīng)達(dá)到1×10-12。這意味著每傳輸1012字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)允許出現(xiàn)1個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤。

綜上所述，從眼圖中可以獲得噪音、抖動(dòng)或頻帶不足等有關(guān)信號(hào)品質(zhì)的各種信息。

【構(gòu)成抖動(dòng)的要素】

圖 3 表示通信系統(tǒng)中抖動(dòng)的構(gòu)成要素?？傮w抖動(dòng)TJ（Total Jitter）用確定性抖動(dòng)DJ（Deterministic Jitter）與隨機(jī)抖動(dòng)RJ（Random Jitter）之和來表示。確定性抖動(dòng)表示因電路設(shè)計(jì)、電磁感應(yīng)或外界因素而產(chǎn)生的抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)的特征是頻率擴(kuò)散保持一定，且與時(shí)間變化無關(guān)。作為基準(zhǔn)信號(hào)源的振蕩器性能中影響確定性抖動(dòng)的是失真和分諧波。

隨機(jī)抖動(dòng)名副其實(shí)表示無法預(yù)測(cè)的抖動(dòng)成份。它受元器件自身的特性、熱噪音等因素的影響而自然產(chǎn)生。隨機(jī)抖動(dòng)的特征是隨時(shí)間而擴(kuò)散。作為基準(zhǔn)信號(hào)源的振蕩器性能中，影響隨機(jī)抖動(dòng)的正是基準(zhǔn)信號(hào)源的抖動(dòng)。

其它系統(tǒng)中的因素也被歸類為產(chǎn)生抖動(dòng)的要因，例如插件的電源噪音與串?dāng)_、因電纜設(shè)計(jì)等影響而引起的頻帶不足是產(chǎn)生確定性抖動(dòng)的要因，而專用集成電路的噪音等則是產(chǎn)生隨時(shí)抖動(dòng)的要因。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要通過改善專用集成電路的設(shè)計(jì)、變更基板布局以及變更部品等減小總體抖動(dòng)。

【市場(chǎng)中銷售的振蕩器（基準(zhǔn)信號(hào)源）的結(jié)構(gòu)與特征】

首先，讀者應(yīng)該已理解，要維持信號(hào)品質(zhì)就必須選擇噪音和抖動(dòng)影響少的基準(zhǔn)信號(hào)源。在此，我們將說明現(xiàn)在市場(chǎng)中銷售的振蕩 器的結(jié)構(gòu)（類型）及其特征。

現(xiàn)在市場(chǎng)中銷售的振蕩器大致可分為 4 種類型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

第一種是最為常見的基波起振的振蕩器。這種振蕩器的噪音、抖動(dòng)及失真特性十分優(yōu)越，能提供高精度和高性能的所有特性。它 的電路組成也相對(duì)簡(jiǎn)單，所以能夠把耗電量控制在較小程度。

第二種是利用三次諧波的振蕩器。諧波起振的電路設(shè)計(jì)中所采用的方法是利用濾波電路減小基波的負(fù)電阻，以所需倍數(shù)（這里是 三次）的頻率產(chǎn)生負(fù)電阻。這種方法可以獲得基波起振的情況下難以獲得的高頻輸出，并且可以保持較高的 Q 值，從而能夠獲得 良好的低接近載波相位噪音性。然而由于電路設(shè)計(jì)（調(diào)整）較為復(fù)雜，這種方法也存在著耗電量增加，以及電容比增大而使頻率可 變幅度變小的缺點(diǎn)。

第三種是利用鎖相環(huán)電路的振蕩器。這種振蕩器把石英或硅諧振器作為基準(zhǔn)信號(hào)源發(fā)出輸入信號(hào)，利用鎖相環(huán)電路生成輸入信號(hào) 的同步信號(hào)，輸出必要的頻率。因此，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于利用鎖相環(huán)電路技術(shù)獲得任意頻率的便利性以及能夠提供高頻之處。但 是，它的電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜致使耗電量增加，對(duì)噪音及抖動(dòng)性能也帶來了不良影響。我們以前也曾經(jīng)介紹過，在使用硅諧振器的情 況下，由于硅諧振單元所具有的溫度特性不佳，需要補(bǔ)償?shù)臏囟确秶蠖鵁o法進(jìn)行模擬式的溫度補(bǔ)償，因此必須采用鎖相環(huán)電路 技術(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。所以，它在控制信號(hào)噪音和抖動(dòng)的品質(zhì)指標(biāo)方面十分不利。

最后是 LC 振蕩器。這種振蕩器與鎖相環(huán)電路一樣極為方便，施加功率后輸出較大的振幅，且本底噪音也較低。與此相反，由于 材料本身所具有的Q值較低，所以頻率穩(wěn)定度和老化特征較差，低接近載波相位噪音性也存在著問題。

如上所示，市場(chǎng)中銷售的振蕩器有著不同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)用途選擇適宜的產(chǎn)品。為了回應(yīng)這些需求，愛普生向顧客提供已具備 了作為基準(zhǔn)信號(hào)源所需相位噪音特性、相位抖動(dòng)和失真特性的振蕩器產(chǎn)品，以此致力于維護(hù)顧客通信系統(tǒng)的信號(hào)品質(zhì)。

【適用于通信系統(tǒng)的低相位抖動(dòng)的愛普生振蕩器產(chǎn)品介紹】

愛普生將基波振蕩器（類型 1）定為主力產(chǎn)品，已形成了具備高速通信系統(tǒng)所需抖動(dòng)性能的不同的產(chǎn)品陣容。表1表示其中具有 代表性的產(chǎn)品。

我們?cè)瓌t使用石英晶體單元作為波源。頻率不到80MHz的振蕩器使用AT型石英晶體，80MHz以上則使用了采用反向臺(tái)形AT型 石英晶體的高頻基波模式（High Frequency Fundamental，HFF）技術(shù)，提供SG系列振蕩器以及VG系列壓控晶體振蕩器。我們 還提供使用表面聲波（SAW）技術(shù)并具有最佳抖動(dòng)性能的EG、XG系列SAW振蕩器，以及EV系列壓控型SAW振蕩器（VCSO）。 而且，我們準(zhǔn)備了CMOS、LV-PECL、LVDS、HCSL等各種輸出，全部產(chǎn)品均保持了石英本身所具有的出色優(yōu)點(diǎn)，并擁有能夠充 分滿足各種用途的顧客要求的信號(hào)品質(zhì)的產(chǎn)品規(guī)格。

表1：愛普生振蕩器產(chǎn)品陣容與相位抖動(dòng)實(shí)力數(shù)據(jù)

*1：相位抖動(dòng)代表數(shù)字(Typ.)以條件欄中所示頻率的偏離頻率12kHz～20MHz的條件下，由本公司測(cè)試、計(jì)算得出

今后，愛普生將擴(kuò)充帶差分輸出的 SG 系列，并將增添應(yīng)對(duì)多種輸出的SAW振蕩器等新陣容，不斷提供擁有抖動(dòng)及噪音的優(yōu)秀性 能的產(chǎn)品，以滿足作為基準(zhǔn)信號(hào)源的必備條件。