Epson Oscillator結(jié)構(gòu)與相位噪聲信號(hào)源之間的聯(lián)系
來(lái)源：http://m.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2020年04月07
Epson Oscillator結(jié)構(gòu)與相位噪聲信號(hào)源之間的聯(lián)系
通信協(xié)議要求由高速通信傳輸網(wǎng)絡(luò)處理的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量性能,例如誤碼率(BER)(指的是通過(guò)將接收方在接收過(guò)程中接收到的數(shù)據(jù)中的誤碼位數(shù)除以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)).因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的任務(wù)是為ASIC,電路板布局和組件更改等創(chuàng)建設(shè)計(jì),而這些設(shè)計(jì)不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降.
參考信號(hào)源本身的噪聲和抖動(dòng)性能是影響維持高質(zhì)量信號(hào)能力的重要參數(shù).因此,先前的白皮書(shū)基于當(dāng)前市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)和特性,介紹了實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)所需信號(hào)質(zhì)量所必需的關(guān)鍵振蕩器規(guī)格,以及適用于通信設(shè)備的愛(ài)普生晶振產(chǎn)品.在本白皮書(shū)中,我們將仔細(xì)研究由市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)差異引起的相位噪聲特性.
[市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)/特性(參考信號(hào)源)]
市場(chǎng)上使用的振蕩器的結(jié)構(gòu)(類(lèi)型)如圖1所示,其各自的特性如表1所示.
.jpg "Epson Oscillator結(jié)構(gòu)與相位噪聲信號(hào)源之間的聯(lián)系")
圖1振蕩器結(jié)構(gòu)
如以上特性所示,可獲得的特性將根據(jù)進(jìn)口晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)而變化.本白皮書(shū)從噪聲和抖動(dòng)特性的角度詳細(xì)介紹了在基本諧波振蕩器,PLL振蕩器和LC振蕩器中出現(xiàn)的相位噪聲特性的特征和趨勢(shì),這會(huì)極大地影響通信系統(tǒng)中的信號(hào)質(zhì)量.
[相位噪聲特性斜率特性]
如圖2所示,相位噪聲特性由斜率圖像表示.這些斜坡主要分為五種類(lèi)型,每種斜坡都表現(xiàn)出以下類(lèi)型的特征.下面提供了對(duì)每個(gè)特征的簡(jiǎn)單說(shuō)明.
1)隨機(jī)步頻調(diào)制(RWFM)的斜率與偏移頻率的4次方成反比,并且主要指示振蕩源中頻率波動(dòng)的影響(將相位變化轉(zhuǎn)換為頻率變化).
2)閃爍頻率調(diào)制(FFM)的斜率與偏移頻率的3次方成反比,并且主要指示來(lái)自振蕩源的閃爍噪聲的影響.
3)白頻率調(diào)制(WFM)的斜率與偏移頻率的2次方成反比,主要表示電路側(cè)Q值的影響.
4)閃爍相位調(diào)制(FPM)具有與偏移頻率成反比的斜率,并且類(lèi)似于FFM,它指示了由物理振蕩側(cè)(電路側(cè))引起的噪聲影響.
5)白相調(diào)制(WPM)具有恒定的斜率,與偏移頻率無(wú)關(guān),主要表示電路噪聲(分量熱噪聲)和振蕩信號(hào)信噪比的影響,從中我們可以看到貼片振蕩器斜率圖像相位噪聲特性的大致可歸類(lèi)為RWFM和FFM受振蕩源的影響,而WFM,FPM和WPM受電路結(jié)構(gòu)的影響.
圖2相位噪聲特性斜率圖像
[基于相位噪聲特性計(jì)算相位抖動(dòng)]
正如技術(shù)說(shuō)明”抖動(dòng)和相位噪聲”中介紹的那樣,可以使用特定于相位噪聲特性的偏移頻率范圍的積分值來(lái)計(jì)算相位抖動(dòng).通信系統(tǒng)性能受通信環(huán)路帶寬內(nèi)相位抖動(dòng)量的影響.12k-20MHz的相位抖動(dòng)量(SONET/SDH標(biāo)準(zhǔn))是大多數(shù)通信系統(tǒng)中通信環(huán)路的等效帶寬,是目前相位抖動(dòng)的主要指標(biāo)之一.
圖3顯示了相位噪聲特性與相位抖動(dòng)之間的關(guān)系.總抖動(dòng)(TJ)是確定性抖動(dòng)(DJ)與隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)的總和.在具有如圖3所示的晶振相位噪聲特性的系統(tǒng)中,代表通信環(huán)路帶寬(RJ)(圖3中的藍(lán)色部分)的12k-20MHz范圍的積分值之和代表雜散的總抖動(dòng)(DJ).
圖3相位噪聲特性與相位抖動(dòng)之間的關(guān)系
[歸因于振蕩器結(jié)構(gòu)差異的相位噪聲特性]
為了幫助讀者理解可歸因于振蕩器結(jié)構(gòu)差異的相位噪聲特性的特性,圖1中介紹的結(jié)構(gòu)用于解釋三種類(lèi)型振蕩器的相位噪聲特性趨勢(shì):基本諧波振蕩器,它使用晶體單元作為振蕩源.是使用PLL電路設(shè)計(jì)和Si諧振器作為振蕩源的Si-MEMS振蕩器,以及使用LC振蕩作為振蕩源的LC振蕩器.圖4分別顯示了晶體,Si諧振器和LC振蕩的每個(gè)振蕩源的相位噪聲特性圖像.
首先,在載波附近(低頻帶側(cè))的斜率梯度的差異很大程度上取決于振蕩源的Q值.Q值特別高的晶體具有高達(dá)100kHz的偏移頻率的低相位噪聲特性,而LC振蕩的Q值不超過(guò)100的極低的LC振蕩特性在載波附近(低頻段)具有方面)趨于惡化.相反,無(wú)論振蕩源如何,斜率的高頻帶側(cè)都很大程度上受到電路發(fā)射噪聲的影響.這樣,當(dāng)信號(hào)元素大于噪聲元素時(shí),地板水平趨于降低.尤其是LC振蕩具有大的輸出幅度和顯著的信號(hào)強(qiáng)度,因此在高頻帶側(cè)相位噪聲趨于減小.相比之下,可施加到Si諧振器的功率有限制,導(dǎo)致輸出幅度小和信號(hào)強(qiáng)度弱,與諧振器或LC振蕩相比,它們?cè)诟哳l段一側(cè)的理想度降低.當(dāng)然,降低高頻帶側(cè)的相位噪聲的另一種方法將是增加功率消耗,從而增加信號(hào)強(qiáng)度并降低地板水平.這種方法在改善相位噪聲與保持低功耗之間產(chǎn)生了相互取舍.
圖4振蕩源的相位噪聲特性圖
到目前為止,我們已經(jīng)檢查了與振蕩源相關(guān)的相位噪聲特性的圖像.對(duì)于Si諧振器,由晶體的自然溫度特性引起的波動(dòng)具有顯著影響,因此將Si諧振器構(gòu)造為振蕩器需要補(bǔ)償該溫度依賴(lài)性以確保穩(wěn)定性.因此,PLL在許多振蕩器中用作補(bǔ)償電路.下面,我們使用圖5解釋通過(guò)PLL電路的Si諧振器振蕩源的相位噪聲特性.
圖5基于振蕩器結(jié)構(gòu)差異的PLL電路相位噪聲特性圖(左)和相位噪聲特性趨勢(shì)(右)
如圖5(左)所示,使用PLL電路的振蕩器往往會(huì)在部分相位噪聲曲線(xiàn)中出現(xiàn)驟降.這是包含一個(gè)PLL的設(shè)計(jì)結(jié)果,該P(yáng)LL使用振蕩源來(lái)鎖定壓控振蕩器(VCO)并輸出倍頻.結(jié)果,使用PLL電路的振蕩器的相位噪聲特性受到兩個(gè)因素的影響:VCO和PLL.通常,這些特性之所以能夠體現(xiàn)出來(lái),是因?yàn)閂CO表現(xiàn)出的相位噪聲特性不如晶體振蕩源,并且在PLL電路中,VCO的相位噪聲特性出現(xiàn)在高頻段一側(cè).此外,由于低頻帶側(cè)的相位噪聲電平根據(jù)乘法器的數(shù)量而變化,所以隨著乘法器數(shù)量的增加,相位噪聲特性趨于惡化,并且PLL和乘法器產(chǎn)生的雜散也會(huì)導(dǎo)致惡化.而且,由于高頻帶側(cè)的特性由電路輸出幅度決定,因此所有這些特性都是恒定的,而與振蕩源無(wú)關(guān).
最后,對(duì)于三種類(lèi)型的振蕩器,使用晶體單元作為振蕩源的基本諧波振蕩器,使用PLL電路設(shè)計(jì)和Si諧振器的Si-MEMS振蕩器,其相位噪聲特性相對(duì)于輸出的趨向圖5的右側(cè)顯示了作為振蕩源的LC振蕩器(使用LC振蕩作為振蕩源).
[基于相位噪聲特性的高速通信系統(tǒng)所需的振蕩器結(jié)構(gòu)]
我們已經(jīng)解釋了相位噪聲特性的趨勢(shì)會(huì)根據(jù)振蕩器的結(jié)構(gòu)差異而變化.設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),將根據(jù)是將優(yōu)先級(jí)放在載波附近(低頻帶側(cè))噪聲特性(圖6左)還是等效相位抖動(dòng)量(SONET/SDH中使用的通信環(huán)路帶寬(12k-20MHz)內(nèi)的圖6(右).在設(shè)計(jì)高速通信系統(tǒng)時(shí),可以相信,與具有重大風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品相比,使用具有低相位抖動(dòng)特性和出色的頻率穩(wěn)定性的基波諧波石英晶體振蕩器將具有更高的整體穩(wěn)定性.諸如Si-MEMS振蕩器(PLL電路和寄生電路特有的相位噪聲曲線(xiàn)下降的風(fēng)險(xiǎn))或LC振蕩器之類(lèi)的元件,它們表現(xiàn)出較差的頻率穩(wěn)定性.
圖6載具附近(低頻段側(cè))特性(左)和地板水平(高頻段側(cè))特性(右)的比較
愛(ài)普生基于晶體的振蕩器在從載波附近(低頻帶側(cè))到基底電平(高頻帶側(cè))的穩(wěn)定相位噪聲特性方面獨(dú)樹(shù)一幟,并且我們的基本諧波振蕩采用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)低功耗.使用晶體作為振蕩源的基本諧波振蕩器將成為通信系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,它將繼續(xù)實(shí)現(xiàn)更高的速度性能.在愛(ài)普生,我們將繼續(xù)開(kāi)發(fā)能夠達(dá)到客戶(hù)要求的性能水平的產(chǎn)品.
Epson Oscillator結(jié)構(gòu)與相位噪聲信號(hào)源之間的聯(lián)系
通信協(xié)議要求由高速通信傳輸網(wǎng)絡(luò)處理的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量性能,例如誤碼率(BER)(指的是通過(guò)將接收方在接收過(guò)程中接收到的數(shù)據(jù)中的誤碼位數(shù)除以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)).因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的任務(wù)是為ASIC,電路板布局和組件更改等創(chuàng)建設(shè)計(jì),而這些設(shè)計(jì)不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降.
參考信號(hào)源本身的噪聲和抖動(dòng)性能是影響維持高質(zhì)量信號(hào)能力的重要參數(shù).因此,先前的白皮書(shū)基于當(dāng)前市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)和特性,介紹了實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)所需信號(hào)質(zhì)量所必需的關(guān)鍵振蕩器規(guī)格,以及適用于通信設(shè)備的愛(ài)普生晶振產(chǎn)品.在本白皮書(shū)中,我們將仔細(xì)研究由市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)差異引起的相位噪聲特性.
[市場(chǎng)上振蕩器的結(jié)構(gòu)/特性(參考信號(hào)源)]
市場(chǎng)上使用的振蕩器的結(jié)構(gòu)(類(lèi)型)如圖1所示,其各自的特性如表1所示.
圖1振蕩器結(jié)構(gòu)
表1-振蕩器結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的特性
| 振蕩器結(jié)構(gòu)(類(lèi)型) | 特點(diǎn) |
| 基本諧波振蕩器 | 出色的抗噪聲,抖動(dòng)和雜散性.電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功耗低. |
| 泛音振蕩器 | 優(yōu)異的抗噪聲,抖動(dòng)和雜散性,但電路設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu))復(fù)雜且困難,需要更高的功耗和容量比,這使得維護(hù)頻率可變寬度變得更加困難. |
| PLL振蕩器 | PLL允許輕松設(shè)置所需的頻率,但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因此功耗很大.這也會(huì)對(duì)噪聲和抖動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響. |
| LC振蕩器 | 用L和C輕松構(gòu)造即可獲得較寬的輸出幅度,但由于材料的較差的頻率穩(wěn)定性和時(shí)效性,因此功耗很大且噪聲很大. |
[相位噪聲特性斜率特性]
如圖2所示,相位噪聲特性由斜率圖像表示.這些斜坡主要分為五種類(lèi)型,每種斜坡都表現(xiàn)出以下類(lèi)型的特征.下面提供了對(duì)每個(gè)特征的簡(jiǎn)單說(shuō)明.
1)隨機(jī)步頻調(diào)制(RWFM)的斜率與偏移頻率的4次方成反比,并且主要指示振蕩源中頻率波動(dòng)的影響(將相位變化轉(zhuǎn)換為頻率變化).
2)閃爍頻率調(diào)制(FFM)的斜率與偏移頻率的3次方成反比,并且主要指示來(lái)自振蕩源的閃爍噪聲的影響.
3)白頻率調(diào)制(WFM)的斜率與偏移頻率的2次方成反比,主要表示電路側(cè)Q值的影響.
4)閃爍相位調(diào)制(FPM)具有與偏移頻率成反比的斜率,并且類(lèi)似于FFM,它指示了由物理振蕩側(cè)(電路側(cè))引起的噪聲影響.
5)白相調(diào)制(WPM)具有恒定的斜率,與偏移頻率無(wú)關(guān),主要表示電路噪聲(分量熱噪聲)和振蕩信號(hào)信噪比的影響,從中我們可以看到貼片振蕩器斜率圖像相位噪聲特性的大致可歸類(lèi)為RWFM和FFM受振蕩源的影響,而WFM,FPM和WPM受電路結(jié)構(gòu)的影響.
圖2相位噪聲特性斜率圖像
正如技術(shù)說(shuō)明”抖動(dòng)和相位噪聲”中介紹的那樣,可以使用特定于相位噪聲特性的偏移頻率范圍的積分值來(lái)計(jì)算相位抖動(dòng).通信系統(tǒng)性能受通信環(huán)路帶寬內(nèi)相位抖動(dòng)量的影響.12k-20MHz的相位抖動(dòng)量(SONET/SDH標(biāo)準(zhǔn))是大多數(shù)通信系統(tǒng)中通信環(huán)路的等效帶寬,是目前相位抖動(dòng)的主要指標(biāo)之一.
圖3顯示了相位噪聲特性與相位抖動(dòng)之間的關(guān)系.總抖動(dòng)(TJ)是確定性抖動(dòng)(DJ)與隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)的總和.在具有如圖3所示的晶振相位噪聲特性的系統(tǒng)中,代表通信環(huán)路帶寬(RJ)(圖3中的藍(lán)色部分)的12k-20MHz范圍的積分值之和代表雜散的總抖動(dòng)(DJ).
圖3相位噪聲特性與相位抖動(dòng)之間的關(guān)系
為了幫助讀者理解可歸因于振蕩器結(jié)構(gòu)差異的相位噪聲特性的特性,圖1中介紹的結(jié)構(gòu)用于解釋三種類(lèi)型振蕩器的相位噪聲特性趨勢(shì):基本諧波振蕩器,它使用晶體單元作為振蕩源.是使用PLL電路設(shè)計(jì)和Si諧振器作為振蕩源的Si-MEMS振蕩器,以及使用LC振蕩作為振蕩源的LC振蕩器.圖4分別顯示了晶體,Si諧振器和LC振蕩的每個(gè)振蕩源的相位噪聲特性圖像.
首先,在載波附近(低頻帶側(cè))的斜率梯度的差異很大程度上取決于振蕩源的Q值.Q值特別高的晶體具有高達(dá)100kHz的偏移頻率的低相位噪聲特性,而LC振蕩的Q值不超過(guò)100的極低的LC振蕩特性在載波附近(低頻段)具有方面)趨于惡化.相反,無(wú)論振蕩源如何,斜率的高頻帶側(cè)都很大程度上受到電路發(fā)射噪聲的影響.這樣,當(dāng)信號(hào)元素大于噪聲元素時(shí),地板水平趨于降低.尤其是LC振蕩具有大的輸出幅度和顯著的信號(hào)強(qiáng)度,因此在高頻帶側(cè)相位噪聲趨于減小.相比之下,可施加到Si諧振器的功率有限制,導(dǎo)致輸出幅度小和信號(hào)強(qiáng)度弱,與諧振器或LC振蕩相比,它們?cè)诟哳l段一側(cè)的理想度降低.當(dāng)然,降低高頻帶側(cè)的相位噪聲的另一種方法將是增加功率消耗,從而增加信號(hào)強(qiáng)度并降低地板水平.這種方法在改善相位噪聲與保持低功耗之間產(chǎn)生了相互取舍.
圖4振蕩源的相位噪聲特性圖
圖5基于振蕩器結(jié)構(gòu)差異的PLL電路相位噪聲特性圖(左)和相位噪聲特性趨勢(shì)(右)
最后,對(duì)于三種類(lèi)型的振蕩器,使用晶體單元作為振蕩源的基本諧波振蕩器,使用PLL電路設(shè)計(jì)和Si諧振器的Si-MEMS振蕩器,其相位噪聲特性相對(duì)于輸出的趨向圖5的右側(cè)顯示了作為振蕩源的LC振蕩器(使用LC振蕩作為振蕩源).
[基于相位噪聲特性的高速通信系統(tǒng)所需的振蕩器結(jié)構(gòu)]
我們已經(jīng)解釋了相位噪聲特性的趨勢(shì)會(huì)根據(jù)振蕩器的結(jié)構(gòu)差異而變化.設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),將根據(jù)是將優(yōu)先級(jí)放在載波附近(低頻帶側(cè))噪聲特性(圖6左)還是等效相位抖動(dòng)量(SONET/SDH中使用的通信環(huán)路帶寬(12k-20MHz)內(nèi)的圖6(右).在設(shè)計(jì)高速通信系統(tǒng)時(shí),可以相信,與具有重大風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品相比,使用具有低相位抖動(dòng)特性和出色的頻率穩(wěn)定性的基波諧波石英晶體振蕩器將具有更高的整體穩(wěn)定性.諸如Si-MEMS振蕩器(PLL電路和寄生電路特有的相位噪聲曲線(xiàn)下降的風(fēng)險(xiǎn))或LC振蕩器之類(lèi)的元件,它們表現(xiàn)出較差的頻率穩(wěn)定性.
圖6載具附近(低頻段側(cè))特性(左)和地板水平(高頻段側(cè))特性(右)的比較
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