看晶振如何提供通信系統(tǒng)所需的信號質(zhì)量和參考信號源
來源：http://m.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年06月14
現(xiàn)在世界已經(jīng)進入到一個全新的智能化時代,通信與網(wǎng)絡是構(gòu)筑這個時代的橋梁,將人們的生活,日常與工作方方面面連接起來,即使足不出戶也可以維持生存.通信和網(wǎng)絡模塊都需要接收和傳輸信號,那么是什么東西給網(wǎng)絡提供所需的信號源呢?答案當然是晶振了,它可以分為有源晶振和無源晶振兩大類,通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡設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,來提供穩(wěn)定的,質(zhì)量高的信號和參考信號源.
通信網(wǎng)絡的世界類似于樹,從核心和城域網(wǎng)絡擴展到移動回程,接入和企業(yè)網(wǎng)絡(LAN/SAN).已經(jīng)針對每種類型的通信概述了技術(shù)標準.近年來看到的高速通信設備和視頻流的擴展導致沿著互聯(lián)網(wǎng)骨干流量的流量持續(xù)增加.為了響應速度增加和數(shù)據(jù)量,我們看到了通信基礎(chǔ)設施設備的升級和擴展.促進這種類型的高速數(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’)(指通過在傳輸期間將接收器接收的數(shù)據(jù)中的錯誤位數(shù)除以計算的誤碼率.通過傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位總數(shù)).特別是,BER值由信號的信號質(zhì)量,噪聲和抖動特性定義.
[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.在這種類型的系統(tǒng)中,貼片振蕩器用于產(chǎn)生參考時鐘.通常,數(shù)據(jù)在發(fā)送器側(cè)由參考信號串行化,以說明參考信號以低于數(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(時鐘數(shù)據(jù)恢復)用于從發(fā)送的數(shù)據(jù)流再生參考信號,然后再生的參考信號用于重建數(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.通過這種數(shù)據(jù)傳輸,信號轉(zhuǎn)換和再生是永久進行的,并且通過高速通信,接收方必須準確地將發(fā)送的數(shù)據(jù)識別為0和1.因此,如何限制實際信號的劣化水平(抖動,噪聲),提高信號質(zhì)量以及如何有效地設計傳輸信道ASIC成為至關(guān)重要的問題.
圖1通信系統(tǒng)傳輸信道結(jié)構(gòu)
[信號質(zhì)量評估方法]
眼圖通常用作評估通信系統(tǒng)中信號質(zhì)量的方法.這些圖使用示波器或類似的測量設備來獲取高速數(shù)字信號波形的多個樣本.然后將這些波形層疊在彼此之上以創(chuàng)建圖形表示.名稱’眼圖’來自分層波形的視覺外觀,類似于眼睛.
作為一個例子,我們將看10GbE何時用作傳輸信道通信協(xié)議.使用該系統(tǒng),轉(zhuǎn)發(fā)10Gbps信號所需的時間(長度)相當于每比特信號100psec.為了評估信號質(zhì)量,每100psec重復一次信號以獲得眼圖.例如,如果我們假設參考信號是純凈的并且傳輸通道ASIC設計得很好,那么我們將觀察到良好對齊的波形,如圖2左側(cè)所示.相反,在信號丟失的情況下,例如由具有顯著噪聲或抖動的參考信號或設計不良的ASIC引起的傳輸信道中的頻帶不足,信號波形不穩(wěn)定,并且波形的分層導致“閉眼”的類型,如圖2右側(cè)所示.
將信號數(shù)據(jù)識別為0或1嚴重依賴于眼圖開口的水平和垂直方向,從而實現(xiàn)足夠的光圈.如果由于噪聲或抖動導致眼圖開口收縮,則接收方端信號數(shù)據(jù)識別是模糊的并且導致更高的BER.目前,幾乎所有通信系統(tǒng)都要求BER至少為1x10-12.這意味著對于每個數(shù)據(jù)傳輸位,容許針對1012數(shù)據(jù)量的一個錯誤.如上所示,眼圖提供了大量與信號質(zhì)量相關(guān)的信息,例如噪聲,抖動和頻帶不足.
圖2使用眼圖表示的信號質(zhì)量
[抖動的結(jié)構(gòu)要素]
通信系統(tǒng)中存在的抖動結(jié)構(gòu)元素如圖3所示.TJ(總抖動)代表DJ(確定性抖動)和RJ(隨機抖動)的總和.DJ(確定性抖動)是指由電路設計引起的抖動,電磁感應和外部環(huán)境.DJ的特征包括均勻的寬度和對經(jīng)過的時間的依賴性.
圖3抖動的結(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鐘源引起的DJ的元素.正如該術(shù)語所暗示的,RJ(隨機抖動)指的是不可預測的抖動元素,并且可以基于設備本身的固有特性或由于熱噪聲等的影響而自然地引起.隨著時間流逝,RJ特性正在變得越來越寬.參考信號源的實際抖動是由作為參考時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,串擾和電纜設計的影響導致頻帶不足,而RJ歸因于ASIC噪聲.系統(tǒng)設計人員的任務是改進ASIC設計或更改電路板布局和組件以減少TJ.
[市場上振蕩器(參考信號源)的結(jié)構(gòu)和特性]
從上一節(jié)可以看出,保持信號質(zhì)量需要選擇一個不受噪聲或抖動影響很大的參考時鐘源.接下來,我們將回顧目前市場上振蕩器的結(jié)構(gòu)(類型)和特性.
圖4振蕩器結(jié)構(gòu)
目前市場上使用的振蕩器類型可分為四大類.圖4顯示了每種類型的結(jié)構(gòu).第一種是基本振蕩器,它是市場上最流行的振蕩器類型.這些振蕩器具有出色的抗噪聲,抗抖性能,并且能夠在所有應用中提供高精度和高性能的特性.此外,基本振蕩器采用簡單的電路結(jié)構(gòu),導致低功耗.第二個是使用第三個泛音的振蕩器.泛音振蕩在濾波器電路中采用電路設計方法,該電路用于抑制基波的負電阻,以在所需頻率的一個階數(shù)(在這種情況下,第三個)產(chǎn)生負電阻.這種類型的振蕩實現(xiàn)了高頻輸出,這是基本諧波振蕩難以實現(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,電路設計(調(diào)整)復雜,導致更高的功耗.此外,容量比使得維持頻率可變寬度更加困難.
第三振蕩拓撲是使用PLL的振蕩器.這種類型的振蕩器使用石英或Si-MEM諧振器作為參考信號源,因為輸入信號使用PLL產(chǎn)生與該輸入信號同步的信號,并輸出所需的頻率.因此,使用PLL電路技術(shù)的振蕩器在它們實現(xiàn)高頻率以及能夠以所需頻率產(chǎn)生輸出信號的便利性方面是優(yōu)越的.然而,這種類型的振蕩器導致復雜的電路結(jié)構(gòu),顯著的功耗并且可能對噪聲和抖動性能產(chǎn)生負面影響.如前所述,使用Si-MEMS振蕩器,補償Si諧振器的粗糙溫度特性,需要使用PLL電路技術(shù)(因為補償范圍太寬,無法進行模擬溫度補償).結(jié)果,這種類型被認為在控制噪聲和抖動方面存在缺點,噪聲和抖動是信號質(zhì)量的指標.
最后,LC振蕩器類似于PLL.這些產(chǎn)品提供了極大的便利此外,施加功率將導致更大的振幅和地板噪聲,這可以保持最小.相反,它們在材料的低Q值方面存在問題,這導致差的頻率穩(wěn)定性和老化,以及載波頻率附近的噪聲問題.如上所述,市場上的各種振蕩器包括各種結(jié)構(gòu),使得基于應用的產(chǎn)品選擇很重要.在愛普生晶振公司,我們相信通過提供參考單源所需的振蕩器性能(相位噪聲,相位抖動和雜散特性),我們可以為客戶保持信號質(zhì)量.
[介紹用于通信系統(tǒng)的具有低相位抖動特性的Epson振蕩器]愛普生將基波諧振器(類型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特性的產(chǎn)品,用于高速通信系統(tǒng).
通常,愛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80MHz和80MHz以上的頻率,我們提供采用反向臺面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)實現(xiàn)最佳抖動性能.我們還提供多種陣容來滿足輸出需求,包括基于CMOS,LVPECL,LVDS和HCSL輸出格式的振蕩器.愛普生公司所有的產(chǎn)品都保留了晶體的潛力,同時提供產(chǎn)品規(guī)格,以充分滿足客戶對各種應用中信號質(zhì)量的期望.
通信網(wǎng)絡的世界類似于樹,從核心和城域網(wǎng)絡擴展到移動回程,接入和企業(yè)網(wǎng)絡(LAN/SAN).已經(jīng)針對每種類型的通信概述了技術(shù)標準.近年來看到的高速通信設備和視頻流的擴展導致沿著互聯(lián)網(wǎng)骨干流量的流量持續(xù)增加.為了響應速度增加和數(shù)據(jù)量,我們看到了通信基礎(chǔ)設施設備的升級和擴展.促進這種類型的高速數(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’)(指通過在傳輸期間將接收器接收的數(shù)據(jù)中的錯誤位數(shù)除以計算的誤碼率.通過傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位總數(shù)).特別是,BER值由信號的信號質(zhì)量,噪聲和抖動特性定義.
[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.在這種類型的系統(tǒng)中,貼片振蕩器用于產(chǎn)生參考時鐘.通常,數(shù)據(jù)在發(fā)送器側(cè)由參考信號串行化,以說明參考信號以低于數(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(時鐘數(shù)據(jù)恢復)用于從發(fā)送的數(shù)據(jù)流再生參考信號,然后再生的參考信號用于重建數(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.通過這種數(shù)據(jù)傳輸,信號轉(zhuǎn)換和再生是永久進行的,并且通過高速通信,接收方必須準確地將發(fā)送的數(shù)據(jù)識別為0和1.因此,如何限制實際信號的劣化水平(抖動,噪聲),提高信號質(zhì)量以及如何有效地設計傳輸信道ASIC成為至關(guān)重要的問題.
圖1通信系統(tǒng)傳輸信道結(jié)構(gòu)
眼圖通常用作評估通信系統(tǒng)中信號質(zhì)量的方法.這些圖使用示波器或類似的測量設備來獲取高速數(shù)字信號波形的多個樣本.然后將這些波形層疊在彼此之上以創(chuàng)建圖形表示.名稱’眼圖’來自分層波形的視覺外觀,類似于眼睛.
作為一個例子,我們將看10GbE何時用作傳輸信道通信協(xié)議.使用該系統(tǒng),轉(zhuǎn)發(fā)10Gbps信號所需的時間(長度)相當于每比特信號100psec.為了評估信號質(zhì)量,每100psec重復一次信號以獲得眼圖.例如,如果我們假設參考信號是純凈的并且傳輸通道ASIC設計得很好,那么我們將觀察到良好對齊的波形,如圖2左側(cè)所示.相反,在信號丟失的情況下,例如由具有顯著噪聲或抖動的參考信號或設計不良的ASIC引起的傳輸信道中的頻帶不足,信號波形不穩(wěn)定,并且波形的分層導致“閉眼”的類型,如圖2右側(cè)所示.
將信號數(shù)據(jù)識別為0或1嚴重依賴于眼圖開口的水平和垂直方向,從而實現(xiàn)足夠的光圈.如果由于噪聲或抖動導致眼圖開口收縮,則接收方端信號數(shù)據(jù)識別是模糊的并且導致更高的BER.目前,幾乎所有通信系統(tǒng)都要求BER至少為1x10-12.這意味著對于每個數(shù)據(jù)傳輸位,容許針對1012數(shù)據(jù)量的一個錯誤.如上所示,眼圖提供了大量與信號質(zhì)量相關(guān)的信息,例如噪聲,抖動和頻帶不足.
圖2使用眼圖表示的信號質(zhì)量
通信系統(tǒng)中存在的抖動結(jié)構(gòu)元素如圖3所示.TJ(總抖動)代表DJ(確定性抖動)和RJ(隨機抖動)的總和.DJ(確定性抖動)是指由電路設計引起的抖動,電磁感應和外部環(huán)境.DJ的特征包括均勻的寬度和對經(jīng)過的時間的依賴性.
圖3抖動的結(jié)構(gòu)要素
[市場上振蕩器(參考信號源)的結(jié)構(gòu)和特性]
從上一節(jié)可以看出,保持信號質(zhì)量需要選擇一個不受噪聲或抖動影響很大的參考時鐘源.接下來,我們將回顧目前市場上振蕩器的結(jié)構(gòu)(類型)和特性.
圖4振蕩器結(jié)構(gòu)
第三振蕩拓撲是使用PLL的振蕩器.這種類型的振蕩器使用石英或Si-MEM諧振器作為參考信號源,因為輸入信號使用PLL產(chǎn)生與該輸入信號同步的信號,并輸出所需的頻率.因此,使用PLL電路技術(shù)的振蕩器在它們實現(xiàn)高頻率以及能夠以所需頻率產(chǎn)生輸出信號的便利性方面是優(yōu)越的.然而,這種類型的振蕩器導致復雜的電路結(jié)構(gòu),顯著的功耗并且可能對噪聲和抖動性能產(chǎn)生負面影響.如前所述,使用Si-MEMS振蕩器,補償Si諧振器的粗糙溫度特性,需要使用PLL電路技術(shù)(因為補償范圍太寬,無法進行模擬溫度補償).結(jié)果,這種類型被認為在控制噪聲和抖動方面存在缺點,噪聲和抖動是信號質(zhì)量的指標.
最后,LC振蕩器類似于PLL.這些產(chǎn)品提供了極大的便利此外,施加功率將導致更大的振幅和地板噪聲,這可以保持最小.相反,它們在材料的低Q值方面存在問題,這導致差的頻率穩(wěn)定性和老化,以及載波頻率附近的噪聲問題.如上所述,市場上的各種振蕩器包括各種結(jié)構(gòu),使得基于應用的產(chǎn)品選擇很重要.在愛普生晶振公司,我們相信通過提供參考單源所需的振蕩器性能(相位噪聲,相位抖動和雜散特性),我們可以為客戶保持信號質(zhì)量.
[介紹用于通信系統(tǒng)的具有低相位抖動特性的Epson振蕩器]愛普生將基波諧振器(類型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特性的產(chǎn)品,用于高速通信系統(tǒng).
通常,愛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80MHz和80MHz以上的頻率,我們提供采用反向臺面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)實現(xiàn)最佳抖動性能.我們還提供多種陣容來滿足輸出需求,包括基于CMOS,LVPECL,LVDS和HCSL輸出格式的振蕩器.愛普生公司所有的產(chǎn)品都保留了晶體的潛力,同時提供產(chǎn)品規(guī)格,以充分滿足客戶對各種應用中信號質(zhì)量的期望.
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