通信系統(tǒng)所需信號品質與基準信號源（1）

基準信號源所需振蕩器的關鍵規(guī)格與產(chǎn)品介紹

【序文】

通信傳輸網(wǎng)絡的世界中，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（LAN/SAN）從上至下呈樹狀分布。每種網(wǎng)絡均設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，通信基礎設備亦不斷擴充。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)，對信號品質的影響極大。

本次，我們將說明基于通信設備所需的信號品質而要求振蕩器具備的關鍵規(guī)格，并介紹市場中銷售的振蕩器結構及特征，以及適于通信設備的愛普生產(chǎn)品。

【高速通信系統(tǒng)的構成】

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信號。通常，基準信號用低于數(shù)據(jù)傳輸率的頻率起振。所以，為了以基準信號生成串聯(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（Clock Data Recovery）復原基準信號，并用復原后的基準信號復原數(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信號復原數(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換與復原。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、如何設計最佳的傳輸線路專用集成電路是非常重要的課題。

【信號品質評估手法】

評估通信系統(tǒng)中信號本身的品質時，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。評估信號品質時，將每隔100微微秒重復出現(xiàn)的信號相重合后制成眼圖。假設基準信號很純正且傳輸線路的專用集成電路設計良好，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，如果基準信號中噪音和抖動較多、或因專用集成電路的設計而產(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，將導致接收方無法準確判斷信號數(shù)據(jù)，BER 變高?，F(xiàn)在幾乎所有通信系統(tǒng)均要求BER至少應達到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信號品質的各種信息。

【構成抖動的要素】

圖 3 表示通信系統(tǒng)中抖動的構成要素?？傮w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計、電磁感應或外界因素而產(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。作為基準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。作為基準信號源的振蕩器性能中，影響隨機抖動的正是基準信號源的抖動。

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擾、因電纜設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)設計人員需要通過改善專用集成電路的設計、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（基準信號源）的結構與特征】

首先，讀者應該已理解，要維持信號品質就必須選擇噪音和抖動影響少的基準信號源。在此，我們將說明現(xiàn)在市場中銷售的振蕩 器的結構（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，其結構如圖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。諧波起振的電路設計中所采用的方法是利用濾波電路減小基波的負電阻，以所需倍數(shù)（這里是 三次）的頻率產(chǎn)生負電阻。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。然而由于電路設計（調整）較為復雜，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，它的電路結構較為復雜致使耗電量增加，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 技術進行溫度補償。所以，它在控制信號噪音和抖動的品質指標方面十分不利。

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構，應當根據(jù)用途選擇適宜的產(chǎn)品。為了回應這些需求，愛普生向顧客提供已具備 了作為基準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。

【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，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，以滿足作為基準信號源的必備條件。