通信系統(tǒng)所需信號品質(zhì)與基準(zhǔn)信號源（1）

基準(zhǔn)信號源所需振蕩器的關(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、大容量化進展迅速，通信基礎(chǔ)設(shè)備亦不斷擴充。進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（以下簡稱為“BER”）是指進行收發(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)得出的錯誤率。尤其對于BER，信號所具有的噪音和抖動是非常重要的參數(shù)，對信號品質(zhì)的影響極大。

本次，我們將說明基于通信設(shè)備所需的信號品質(zhì)而要求振蕩器具備的關(guān)鍵規(guī)格，并介紹市場中銷售的振蕩器結(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。通常，基準(zhǔn)信號用低于數(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)信號頻率倍增到需要的頻率后發(fā)送。與此相對，接收方使用收到的數(shù)據(jù)流中內(nèi)含鎖相環(huán)電路的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（Clock Data Recovery）復(fù)原基準(zhǔn)信號，并用復(fù)原后的基準(zhǔn)信號復(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)信的過程中隨時進行著信號的轉(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，如何抑制信號自身的抖動和噪音提高信號品質(zhì)、如何設(shè)計最佳的傳輸線路專用集成電路是非常重要的課題。

【信號品質(zhì)評估手法】

評估通信系統(tǒng)中信號本身的品質(zhì)時，經(jīng)常使用眼圖。眼圖是使用示波器等測試儀器收集大量高速數(shù)字信號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的信號所用時間（長度）為各字節(jié)100微微秒。評估信號品質(zhì)時，將每隔100微微秒重復(fù)出現(xiàn)的信號相重合后制成眼圖。假設(shè)基準(zhǔn)信號很純正且傳輸線路的專用集成電路設(shè)計良好，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)信號中噪音和抖動較多、或因?qū)Ｓ眉呻娐返脑O(shè)計而產(chǎn)生傳輸線路的頻帶不足等損失，信號波形則會變得不穩(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。

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

開眼部因噪音和抖動而縮小，將導(dǎo)致接收方無法準(zhǔn)確判斷信號數(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)時允許出現(xiàn)1個字節(jié)的錯誤。

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

【構(gòu)成抖動的要素】

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

隨機抖動名副其實表示無法預(yù)測的抖動成份。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。隨機抖動的特征是隨時間而擴散。作為基準(zhǔn)信號源的振蕩器性能中，影響隨機抖動的正是基準(zhǔn)信號源的抖動。

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

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

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

現(xiàn)在市場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 的電路組成也相對簡單，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（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。

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)信號源發(fā)出輸入信號，利用鎖相環(huán)電路生成輸入信號 的同步信號，輸出必要的頻率。因此，這種方法的優(yōu)點在于利用鎖相環(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，對噪音及抖動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，需要補償?shù)臏囟确秶蠖鵁o法進行模擬式的溫度補償，因此必須采用鎖相環(huán)電路 技術(shù)進行溫度補償。所以，它在控制信號噪音和抖動的品質(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)信號源所需相位噪音特性、相位抖動和失真特性的振蕩器產(chǎn)品，以此致力于維護顧客通信系統(tǒng)的信號品質(zhì)。

【適用于通信系統(tǒng)的低相位抖動的愛普生振蕩器產(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。

我們原則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，并擁有能夠充 分滿足各種用途的顧客要求的信號品質(zhì)的產(chǎn)品規(guī)格。

表1：愛普生振蕩器產(chǎn)品陣容與相位抖動實力數(shù)據(jù)

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

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