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://zghybn.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(luò)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(luò)模塊都需要接收和傳輸信號,那么是什么東西給網(wǎng)絡(luò)提供所需的信號源呢?答案當(dāng)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(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,來提供穩(wěn)定的,質(zhì)量高的信號和參考信號源.
通信網(wǎng)絡(luò)的世界類似于樹,從核心和城域網(wǎng)絡(luò)擴展到移動回程,接入和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(LAN/SAN).已經(jīng)針對每種類型的通信概述了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).近年來看到的高速通信設(shè)備和視頻流的擴展導(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(fù))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(zhǔn)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(shè)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(shè)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(dāng)于每比特信號100psec.為了評估信號質(zhì)量,每100psec重復(fù)一次信號以獲得眼圖.例如,如果我們假設(shè)參考信號是純凈的并且傳輸通道ASIC設(shè)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(shè)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(dǎo)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(yán)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(dǎo)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(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(shè)計引起的抖動,電磁感應(yīng)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(yù)測的抖動元素,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?dāng)_和電纜設(shè)計的影響導(dǎo)致頻帶不足,而RJ歸因于ASIC噪聲.系統(tǒng)設(shè)計人員的任務(wù)是改進ASIC設(shè)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(yīng)用中提供高精度和高性能的特性.此外,基本振蕩器采用簡單的電路結(jié)構(gòu),導(dǎo)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(shè)計方法,該電路用于抑制基波的負(fù)電阻,以在所需頻率的一個階數(shù)(在這種情況下,第三個)產(chǎn)生負(fù)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(shè)計(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(dǎo)致復(fù)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(fù)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(rèn)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(biāo).
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(dǎo)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(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(yīng)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(dá)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(yīng)用中信號質(zhì)量的期望.
通信網(wǎng)絡(luò)的世界類似于樹,從核心和城域網(wǎng)絡(luò)擴展到移動回程,接入和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(LAN/SAN).已經(jīng)針對每種類型的通信概述了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).近年來看到的高速通信設(shè)備和視頻流的擴展導(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(fù))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(zhǔn)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(shè)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(shè)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(dāng)于每比特信號100psec.為了評估信號質(zhì)量,每100psec重復(fù)一次信號以獲得眼圖.例如,如果我們假設(shè)參考信號是純凈的并且傳輸通道ASIC設(shè)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(shè)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(dǎo)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(yán)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(dǎo)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(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(shè)計引起的抖動,電磁感應(yīng)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?fù)涫鞘褂肞LL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(dǎo)致復(fù)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(fù)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(rèn)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(biāo).
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(dǎo)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(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(yīng)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(dá)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(yīng)用中信號質(zhì)量的期望.
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