看晶振如何提供通信系統(tǒng)所需的信號(hào)質(zhì)量和參考信號(hào)源
來(lái)源：http://www.cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2019年06月14
現(xiàn)在世界已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)全新的智能化時(shí)代,通信與網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)筑這個(gè)時(shí)代的橋梁,將人們的生活,日常與工作方方面面連接起來(lái),即使足不出戶(hù)也可以維持生存.通信和網(wǎng)絡(luò)模塊都需要接收和傳輸信號(hào),那么是什么東西給網(wǎng)絡(luò)提供所需的信號(hào)源呢?答案當(dāng)然是晶振了,它可以分為有源晶振和無(wú)源晶振兩大類(lèi),通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都屬于比較高端的產(chǎn)品,所以一般都是使用性能比較高的振蕩器,來(lái)提供穩(wěn)定的,質(zhì)量高的信號(hào)和參考信號(hào)源.
通信網(wǎng)絡(luò)的世界類(lèi)似于樹(shù),從核心和城域網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到移動(dòng)回程,接入和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(LAN/SAN).已經(jīng)針對(duì)每種類(lèi)型的通信概述了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).近年來(lái)看到的高速通信設(shè)備和視頻流的擴(kuò)展導(dǎo)致沿著互聯(lián)網(wǎng)骨干流量的流量持續(xù)增加.為了響應(yīng)速度增加和數(shù)據(jù)量,我們看到了通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的升級(jí)和擴(kuò)展.促進(jìn)這種類(lèi)型的高速數(shù)據(jù)通信的通信協(xié)議要求在傳輸信道中具有性能和誤碼率(‘BER’)(指通過(guò)在傳輸期間將接收器接收的數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤位數(shù)除以計(jì)算的誤碼率.通過(guò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位總數(shù)).特別是,BER值由信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量,噪聲和抖動(dòng)特性定義.
[高速通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)]
圖1顯示了典型的通信系統(tǒng)(傳輸通道),其中兩個(gè)收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由多種協(xié)議(PCI,SATA,10GbE等)調(diào)解.在這種類(lèi)型的系統(tǒng)中,貼片振蕩器用于產(chǎn)生參考時(shí)鐘.通常,數(shù)據(jù)在發(fā)送器側(cè)由參考信號(hào)串行化,以說(shuō)明參考信號(hào)以低于數(shù)據(jù)速率的頻率振蕩.因此,發(fā)送器的內(nèi)部PLL(鎖相環(huán))用于將參考信號(hào)乘以所需頻率,并傳輸數(shù)據(jù).相反,在接收端,基于PLL的CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))用于從發(fā)送的數(shù)據(jù)流再生參考信號(hào),然后再生的參考信號(hào)用于重建數(shù)據(jù).在一些高端系統(tǒng)中,接收方端具有用于數(shù)據(jù)重建的嵌入式參考信號(hào).通過(guò)這種數(shù)據(jù)傳輸,信號(hào)轉(zhuǎn)換和再生是永久進(jìn)行的,并且通過(guò)高速通信,接收方必須準(zhǔn)確地將發(fā)送的數(shù)據(jù)識(shí)別為0和1.因此,如何限制實(shí)際信號(hào)的劣化水平(抖動(dòng),噪聲),提高信號(hào)質(zhì)量以及如何有效地設(shè)計(jì)傳輸信道ASIC成為至關(guān)重要的問(wèn)題.
圖1通信系統(tǒng)傳輸信道結(jié)構(gòu)
[信號(hào)質(zhì)量評(píng)估方法]
眼圖通常用作評(píng)估通信系統(tǒng)中信號(hào)質(zhì)量的方法.這些圖使用示波器或類(lèi)似的測(cè)量設(shè)備來(lái)獲取高速數(shù)字信號(hào)波形的多個(gè)樣本.然后將這些波形層疊在彼此之上以創(chuàng)建圖形表示.名稱(chēng)’眼圖’來(lái)自分層波形的視覺(jué)外觀,類(lèi)似于眼睛.
作為一個(gè)例子,我們將看10GbE何時(shí)用作傳輸信道通信協(xié)議.使用該系統(tǒng),轉(zhuǎn)發(fā)10Gbps信號(hào)所需的時(shí)間(長(zhǎng)度)相當(dāng)于每比特信號(hào)100psec.為了評(píng)估信號(hào)質(zhì)量,每100psec重復(fù)一次信號(hào)以獲得眼圖.例如,如果我們假設(shè)參考信號(hào)是純凈的并且傳輸通道ASIC設(shè)計(jì)得很好,那么我們將觀察到良好對(duì)齊的波形,如圖2左側(cè)所示.相反,在信號(hào)丟失的情況下,例如由具有顯著噪聲或抖動(dòng)的參考信號(hào)或設(shè)計(jì)不良的ASIC引起的傳輸信道中的頻帶不足,信號(hào)波形不穩(wěn)定,并且波形的分層導(dǎo)致“閉眼”的類(lèi)型,如圖2右側(cè)所示.
將信號(hào)數(shù)據(jù)識(shí)別為0或1嚴(yán)重依賴(lài)于眼圖開(kāi)口的水平和垂直方向,從而實(shí)現(xiàn)足夠的光圈.如果由于噪聲或抖動(dòng)導(dǎo)致眼圖開(kāi)口收縮,則接收方端信號(hào)數(shù)據(jù)識(shí)別是模糊的并且導(dǎo)致更高的BER.目前,幾乎所有通信系統(tǒng)都要求BER至少為1x10-12.這意味著對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸位,容許針對(duì)1012數(shù)據(jù)量的一個(gè)錯(cuò)誤.如上所示,眼圖提供了大量與信號(hào)質(zhì)量相關(guān)的信息,例如噪聲,抖動(dòng)和頻帶不足.
圖2使用眼圖表示的信號(hào)質(zhì)量
[抖動(dòng)的結(jié)構(gòu)要素]
通信系統(tǒng)中存在的抖動(dòng)結(jié)構(gòu)元素如圖3所示.TJ(總抖動(dòng))代表DJ(確定性抖動(dòng))和RJ(隨機(jī)抖動(dòng))的總和.DJ(確定性抖動(dòng))是指由電路設(shè)計(jì)引起的抖動(dòng),電磁感應(yīng)和外部環(huán)境.DJ的特征包括均勻的寬度和對(duì)經(jīng)過(guò)的時(shí)間的依賴(lài)性.
圖3抖動(dòng)的結(jié)構(gòu)要素
雜散和子諧波是由石英晶體振蕩器作為參考時(shí)鐘源引起的DJ的元素.正如該術(shù)語(yǔ)所暗示的,RJ(隨機(jī)抖動(dòng))指的是不可預(yù)測(cè)的抖動(dòng)元素,并且可以基于設(shè)備本身的固有特性或由于熱噪聲等的影響而自然地引起.隨著時(shí)間流逝,RJ特性正在變得越來(lái)越寬.參考信號(hào)源的實(shí)際抖動(dòng)是由作為參考時(shí)鐘源的振蕩器引起的有助于RJ的元件.在其他系統(tǒng)中,DJ歸因于板PSU噪聲,串?dāng)_和電纜設(shè)計(jì)的影響導(dǎo)致頻帶不足,而RJ歸因于ASIC噪聲.系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是改進(jìn)ASIC設(shè)計(jì)或更改電路板布局和組件以減少TJ.
[市場(chǎng)上振蕩器(參考信號(hào)源)的結(jié)構(gòu)和特性]
從上一節(jié)可以看出,保持信號(hào)質(zhì)量需要選擇一個(gè)不受噪聲或抖動(dòng)影響很大的參考時(shí)鐘源.接下來(lái),我們將回顧目前市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)(類(lèi)型)和特性.
圖4振蕩器結(jié)構(gòu)
目前市場(chǎng)上使用的振蕩器類(lèi)型可分為四大類(lèi).圖4顯示了每種類(lèi)型的結(jié)構(gòu).第一種是基本振蕩器,它是市場(chǎng)上最流行的振蕩器類(lèi)型.這些振蕩器具有出色的抗噪聲,抗抖性能,并且能夠在所有應(yīng)用中提供高精度和高性能的特性.此外,基本振蕩器采用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu),導(dǎo)致低功耗.第二個(gè)是使用第三個(gè)泛音的振蕩器.泛音振蕩在濾波器電路中采用電路設(shè)計(jì)方法,該電路用于抑制基波的負(fù)電阻,以在所需頻率的一個(gè)階數(shù)(在這種情況下,第三個(gè))產(chǎn)生負(fù)電阻.這種類(lèi)型的振蕩實(shí)現(xiàn)了高頻輸出,這是基本諧波振蕩難以實(shí)現(xiàn)的.而且,保持高Q值的能力提供了有利的相位噪聲附近特性.然而,電路設(shè)計(jì)(調(diào)整)復(fù)雜,導(dǎo)致更高的功耗.此外,容量比使得維持頻率可變寬度更加困難.
第三振蕩拓?fù)涫鞘褂肞LL的振蕩器.這種類(lèi)型的振蕩器使用石英或Si-MEM諧振器作為參考信號(hào)源,因?yàn)檩斎胄盘?hào)使用PLL產(chǎn)生與該輸入信號(hào)同步的信號(hào),并輸出所需的頻率.因此,使用PLL電路技術(shù)的振蕩器在它們實(shí)現(xiàn)高頻率以及能夠以所需頻率產(chǎn)生輸出信號(hào)的便利性方面是優(yōu)越的.然而,這種類(lèi)型的振蕩器導(dǎo)致復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu),顯著的功耗并且可能對(duì)噪聲和抖動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響.如前所述,使用Si-MEMS振蕩器,補(bǔ)償Si諧振器的粗糙溫度特性,需要使用PLL電路技術(shù)(因?yàn)檠a(bǔ)償范圍太寬,無(wú)法進(jìn)行模擬溫度補(bǔ)償).結(jié)果,這種類(lèi)型被認(rèn)為在控制噪聲和抖動(dòng)方面存在缺點(diǎn),噪聲和抖動(dòng)是信號(hào)質(zhì)量的指標(biāo).
最后,LC振蕩器類(lèi)似于PLL.這些產(chǎn)品提供了極大的便利此外,施加功率將導(dǎo)致更大的振幅和地板噪聲,這可以保持最小.相反,它們?cè)诓牧系牡蚎值方面存在問(wèn)題,這導(dǎo)致差的頻率穩(wěn)定性和老化,以及載波頻率附近的噪聲問(wèn)題.如上所述,市場(chǎng)上的各種振蕩器包括各種結(jié)構(gòu),使得基于應(yīng)用的產(chǎn)品選擇很重要.在愛(ài)普生晶振公司,我們相信通過(guò)提供參考單源所需的振蕩器性能(相位噪聲,相位抖動(dòng)和雜散特性),我們可以為客戶(hù)保持信號(hào)質(zhì)量.
[介紹用于通信系統(tǒng)的具有低相位抖動(dòng)特性的Epson振蕩器]愛(ài)普生將基波諧振器(類(lèi)型1)定位為我們的主要產(chǎn)品之一,我們擁有產(chǎn)生了多種具有不同抖動(dòng)特性的產(chǎn)品,用于高速通信系統(tǒng).
通常,愛(ài)普生公司使用晶體單元作為振蕩源.然而,AT切割晶體用于高達(dá)80MHz和80MHz以上的頻率,我們提供采用反向臺(tái)面AT切割(HFF:高頻基礎(chǔ))技術(shù)(SG系列),VCXO晶振(VG系列)以及我們的SAW的振蕩器(EG,XG系列)和VCSO振蕩器(EV系列),采用SAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳抖動(dòng)性能.我們還提供多種陣容來(lái)滿(mǎn)足輸出需求,包括基于CMOS,LVPECL,LVDS和HCSL輸出格式的振蕩器.愛(ài)普生公司所有的產(chǎn)品都保留了晶體的潛力,同時(shí)提供產(chǎn)品規(guī)格,以充分滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)各種應(yīng)用中信號(hào)質(zhì)量的期望.
通信網(wǎng)絡(luò)的世界類(lèi)似于樹(shù),從核心和城域網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到移動(dòng)回程,接入和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(LAN/SAN).已經(jīng)針對(duì)每種類(lèi)型的通信概述了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).近年來(lái)看到的高速通信設(shè)備和視頻流的擴(kuò)展導(dǎo)致沿著互聯(lián)網(wǎng)骨干流量的流量持續(xù)增加.為了響應(yīng)速度增加和數(shù)據(jù)量,我們看到了通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的升級(jí)和擴(kuò)展.促進(jìn)這種類(lèi)型的高速數(shù)據(jù)通信的通信協(xié)議要求在傳輸信道中具有性能和誤碼率(‘BER’)(指通過(guò)在傳輸期間將接收器接收的數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤位數(shù)除以計(jì)算的誤碼率.通過(guò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位總數(shù)).特別是,BER值由信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量,噪聲和抖動(dòng)特性定義.
[高速通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)]
圖1顯示了典型的通信系統(tǒng)(傳輸通道),其中兩個(gè)收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由多種協(xié)議(PCI,SATA,10GbE等)調(diào)解.在這種類(lèi)型的系統(tǒng)中,貼片振蕩器用于產(chǎn)生參考時(shí)鐘.通常,數(shù)據(jù)在發(fā)送器側(cè)由參考信號(hào)串行化,以說(shuō)明參考信號(hào)以低于數(shù)據(jù)速率的頻率振蕩.因此,發(fā)送器的內(nèi)部PLL(鎖相環(huán))用于將參考信號(hào)乘以所需頻率,并傳輸數(shù)據(jù).相反,在接收端,基于PLL的CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))用于從發(fā)送的數(shù)據(jù)流再生參考信號(hào),然后再生的參考信號(hào)用于重建數(shù)據(jù).在一些高端系統(tǒng)中,接收方端具有用于數(shù)據(jù)重建的嵌入式參考信號(hào).通過(guò)這種數(shù)據(jù)傳輸,信號(hào)轉(zhuǎn)換和再生是永久進(jìn)行的,并且通過(guò)高速通信,接收方必須準(zhǔn)確地將發(fā)送的數(shù)據(jù)識(shí)別為0和1.因此,如何限制實(shí)際信號(hào)的劣化水平(抖動(dòng),噪聲),提高信號(hào)質(zhì)量以及如何有效地設(shè)計(jì)傳輸信道ASIC成為至關(guān)重要的問(wèn)題.
圖1通信系統(tǒng)傳輸信道結(jié)構(gòu)
眼圖通常用作評(píng)估通信系統(tǒng)中信號(hào)質(zhì)量的方法.這些圖使用示波器或類(lèi)似的測(cè)量設(shè)備來(lái)獲取高速數(shù)字信號(hào)波形的多個(gè)樣本.然后將這些波形層疊在彼此之上以創(chuàng)建圖形表示.名稱(chēng)’眼圖’來(lái)自分層波形的視覺(jué)外觀,類(lèi)似于眼睛.
作為一個(gè)例子,我們將看10GbE何時(shí)用作傳輸信道通信協(xié)議.使用該系統(tǒng),轉(zhuǎn)發(fā)10Gbps信號(hào)所需的時(shí)間(長(zhǎng)度)相當(dāng)于每比特信號(hào)100psec.為了評(píng)估信號(hào)質(zhì)量,每100psec重復(fù)一次信號(hào)以獲得眼圖.例如,如果我們假設(shè)參考信號(hào)是純凈的并且傳輸通道ASIC設(shè)計(jì)得很好,那么我們將觀察到良好對(duì)齊的波形,如圖2左側(cè)所示.相反,在信號(hào)丟失的情況下,例如由具有顯著噪聲或抖動(dòng)的參考信號(hào)或設(shè)計(jì)不良的ASIC引起的傳輸信道中的頻帶不足,信號(hào)波形不穩(wěn)定,并且波形的分層導(dǎo)致“閉眼”的類(lèi)型,如圖2右側(cè)所示.
將信號(hào)數(shù)據(jù)識(shí)別為0或1嚴(yán)重依賴(lài)于眼圖開(kāi)口的水平和垂直方向,從而實(shí)現(xiàn)足夠的光圈.如果由于噪聲或抖動(dòng)導(dǎo)致眼圖開(kāi)口收縮,則接收方端信號(hào)數(shù)據(jù)識(shí)別是模糊的并且導(dǎo)致更高的BER.目前,幾乎所有通信系統(tǒng)都要求BER至少為1x10-12.這意味著對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸位,容許針對(duì)1012數(shù)據(jù)量的一個(gè)錯(cuò)誤.如上所示,眼圖提供了大量與信號(hào)質(zhì)量相關(guān)的信息,例如噪聲,抖動(dòng)和頻帶不足.
圖2使用眼圖表示的信號(hào)質(zhì)量
通信系統(tǒng)中存在的抖動(dòng)結(jié)構(gòu)元素如圖3所示.TJ(總抖動(dòng))代表DJ(確定性抖動(dòng))和RJ(隨機(jī)抖動(dòng))的總和.DJ(確定性抖動(dòng))是指由電路設(shè)計(jì)引起的抖動(dòng),電磁感應(yīng)和外部環(huán)境.DJ的特征包括均勻的寬度和對(duì)經(jīng)過(guò)的時(shí)間的依賴(lài)性.
圖3抖動(dòng)的結(jié)構(gòu)要素
[市場(chǎng)上振蕩器(參考信號(hào)源)的結(jié)構(gòu)和特性]
從上一節(jié)可以看出,保持信號(hào)質(zhì)量需要選擇一個(gè)不受噪聲或抖動(dòng)影響很大的參考時(shí)鐘源.接下來(lái),我們將回顧目前市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)(類(lèi)型)和特性.
圖4振蕩器結(jié)構(gòu)
第三振蕩拓?fù)涫鞘褂肞LL的振蕩器.這種類(lèi)型的振蕩器使用石英或Si-MEM諧振器作為參考信號(hào)源,因?yàn)檩斎胄盘?hào)使用PLL產(chǎn)生與該輸入信號(hào)同步的信號(hào),并輸出所需的頻率.因此,使用PLL電路技術(shù)的振蕩器在它們實(shí)現(xiàn)高頻率以及能夠以所需頻率產(chǎn)生輸出信號(hào)的便利性方面是優(yōu)越的.然而,這種類(lèi)型的振蕩器導(dǎo)致復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu),顯著的功耗并且可能對(duì)噪聲和抖動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響.如前所述,使用Si-MEMS振蕩器,補(bǔ)償Si諧振器的粗糙溫度特性,需要使用PLL電路技術(shù)(因?yàn)檠a(bǔ)償范圍太寬,無(wú)法進(jìn)行模擬溫度補(bǔ)償).結(jié)果,這種類(lèi)型被認(rèn)為在控制噪聲和抖動(dòng)方面存在缺點(diǎn),噪聲和抖動(dòng)是信號(hào)質(zhì)量的指標(biāo).
最后,LC振蕩器類(lèi)似于PLL.這些產(chǎn)品提供了極大的便利此外,施加功率將導(dǎo)致更大的振幅和地板噪聲,這可以保持最小.相反,它們?cè)诓牧系牡蚎值方面存在問(wèn)題,這導(dǎo)致差的頻率穩(wěn)定性和老化,以及載波頻率附近的噪聲問(wèn)題.如上所述,市場(chǎng)上的各種振蕩器包括各種結(jié)構(gòu),使得基于應(yīng)用的產(chǎn)品選擇很重要.在愛(ài)普生晶振公司,我們相信通過(guò)提供參考單源所需的振蕩器性能(相位噪聲,相位抖動(dòng)和雜散特性),我們可以為客戶(hù)保持信號(hào)質(zhì)量.
[介紹用于通信系統(tǒng)的具有低相位抖動(dòng)特性的Epson振蕩器]愛(ài)普生將基波諧振器(類(lèi)型1)定位為我們的主要產(chǎn)品之一,我們擁有產(chǎn)生了多種具有不同抖動(dòng)特性的產(chǎn)品,用于高速通信系統(tǒng).
通常,愛(ài)普生公司使用晶體單元作為振蕩源.然而,AT切割晶體用于高達(dá)80MHz和80MHz以上的頻率,我們提供采用反向臺(tái)面AT切割(HFF:高頻基礎(chǔ))技術(shù)(SG系列),VCXO晶振(VG系列)以及我們的SAW的振蕩器(EG,XG系列)和VCSO振蕩器(EV系列),采用SAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳抖動(dòng)性能.我們還提供多種陣容來(lái)滿(mǎn)足輸出需求,包括基于CMOS,LVPECL,LVDS和HCSL輸出格式的振蕩器.愛(ài)普生公司所有的產(chǎn)品都保留了晶體的潛力,同時(shí)提供產(chǎn)品規(guī)格,以充分滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)各種應(yīng)用中信號(hào)質(zhì)量的期望.
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