Epson Oscillator结构与相位噪声信号源之间的联系
　　通信协议要求由高速通信传输网络处理的信号来实现信号质量性能,例如误码率(BER)(指的是通过将接收方在接收过程中接收到的数据中的误码位数除以传输的数据位数).因此,系统设计师的任务是为ASIC,电路板布局和组件更改等创建设计,而这些设计不会导致信号质量下降.
　　参考信号源本身的噪声和抖动性能是影响维持高质量信号能力的重要参数.因此,先前的白皮书基于当前市场上振荡器的结构和特性,介绍了实现通信系统所需信号质量所必需的关键振荡器规格,以及适用于通信设备的爱普生晶振产品.在本白皮书中,我们将仔细研究由市场上振荡器的结构差异引起的相位噪声特性.
[市场上振荡器的结构/特性(参考信号源)]
　　市场上使用的振荡器的结构(类型)如图1所示,其各自的特性如表1所示.

图1振荡器结构

表1-振荡器结构差异导致的特性

振荡器结构(类型)	特点
基本谐波振荡器	出色的抗噪声,抖动和杂散性.电路结构简单,功耗低.
泛音振荡器	优异的抗噪声,抖动和杂散性,但电路设计(结构)复杂且困难,需要更高的功耗和容量比,这使得维护频率可变宽度变得更加困难.
PLL振荡器	PLL允许轻松设置所需的频率,但是电路结构复杂,因此功耗很大.这也会对噪声和抖动性能产生负面影响.
LC振荡器	用L和C轻松构造即可获得较宽的输出幅度,但由于材料的较差的频率稳定性和时效性,因此功耗很大且噪声很大.

　　如以上特性所示,可获得的特性将根据进口晶体振荡器的结构而变化.本白皮书从噪声和抖动特性的角度详细介绍了在基本谐波振荡器,PLL振荡器和LC振荡器中出现的相位噪声特性的特征和趋势,这会极大地影响通信系统中的信号质量.
[相位噪声特性斜率特性]
　　如图2所示,相位噪声特性由斜率图像表示.这些斜坡主要分为五种类型,每种斜坡都表现出以下类型的特征.下面提供了对每个特征的简单说明.
　　1)随机步频调制(RWFM)的斜率与偏移频率的4次方成反比,并且主要指示振荡源中频率波动的影响(将相位变化转换为频率变化).
　　2)闪烁频率调制(FFM)的斜率与偏移频率的3次方成反比,并且主要指示来自振荡源的闪烁噪声的影响.
　　3)白频率调制(WFM)的斜率与偏移频率的2次方成反比,主要表示电路侧Q值的影响.
　　4)闪烁相位调制(FPM)具有与偏移频率成反比的斜率,并且类似于FFM,它指示了由物理振荡侧(电路侧)引起的噪声影响.
　　5)白相调制(WPM)具有恒定的斜率,与偏移频率无关,主要表示电路噪声(分量热噪声)和振荡信号信噪比的影响,从中我们可以看到贴片振荡器斜率图像相位噪声特性的大致可归类为RWFM和FFM受振荡源的影响,而WFM,FPM和WPM受电路结构的影响.

图2相位噪声特性斜率图像

[基于相位噪声特性计算相位抖动]
　　正如技术说明”抖动和相位噪声”中介绍的那样,可以使用特定于相位噪声特性的偏移频率范围的积分值来计算相位抖动.通信系统性能受通信环路带宽内相位抖动量的影响.12k-20MHz的相位抖动量(SONET/SDH标准)是大多数通信系统中通信环路的等效带宽,是目前相位抖动的主要指标之一.
　　图3显示了相位噪声特性与相位抖动之间的关系.总抖动(TJ)是确定性抖动(DJ)与随机抖动(RJ)的总和.在具有如图3所示的晶振相位噪声特性的系统中,代表通信环路带宽(RJ)(图3中的蓝色部分)的12k-20MHz范围的积分值之和代表杂散的总抖动(DJ).

图3相位噪声特性与相位抖动之间的关系

[归因于振荡器结构差异的相位噪声特性]
　　为了帮助读者理解可归因于振荡器结构差异的相位噪声特性的特性,图1中介绍的结构用于解释三种类型振荡器的相位噪声特性趋势:基本谐波振荡器,它使用晶体单元作为振荡源.是使用PLL电路设计和Si谐振器作为振荡源的Si-MEMS振荡器,以及使用LC振荡作为振荡源的LC振荡器.图4分别显示了晶体,Si谐振器和LC振荡的每个振荡源的相位噪声特性图像.
　　首先,在载波附近(低频带侧)的斜率梯度的差异很大程度上取决于振荡源的Q值.Q值特别高的晶体具有高达100kHz的偏移频率的低相位噪声特性,而LC振荡的Q值不超过100的极低的LC振荡特性在载波附近(低频段)具有方面)趋于恶化.相反,无论振荡源如何,斜率的高频带侧都很大程度上受到电路发射噪声的影响.这样,当信号元素大于噪声元素时,地板水平趋于降低.尤其是LC振荡具有大的输出幅度和显着的信号强度,因此在高频带侧相位噪声趋于减小.相比之下,可施加到Si谐振器的功率有限制,导致输出幅度小和信号强度弱,与谐振器或LC振荡相比,它们在高频段一侧的理想度降低.当然,降低高频带侧的相位噪声的另一种方法将是增加功率消耗,从而增加信号强度并降低地板水平.这种方法在改善相位噪声与保持低功耗之间产生了相互取舍.

图4振荡源的相位噪声特性图

　　到目前为止,我们已经检查了与振荡源相关的相位噪声特性的图像.对于Si谐振器,由晶体的自然温度特性引起的波动具有显着影响,因此将Si谐振器构造为振荡器需要补偿该温度依赖性以确保稳定性.因此,PLL在许多振荡器中用作补偿电路.下面,我们使用图5解释通过PLL电路的Si谐振器振荡源的相位噪声特性.

图5基于振荡器结构差异的PLL电路相位噪声特性图(左)和相位噪声特性趋势(右)

　　如图5(左)所示,使用PLL电路的振荡器往往会在部分相位噪声曲线中出现骤降.这是包含一个PLL的设计结果,该PLL使用振荡源来锁定压控振荡器(VCO)并输出倍频.结果,使用PLL电路的振荡器的相位噪声特性受到两个因素的影响:VCO和PLL.通常,这些特性之所以能够体现出来,是因为VCO表现出的相位噪声特性不如晶体振荡源,并且在PLL电路中,VCO的相位噪声特性出现在高频段一侧.此外,由于低频带侧的相位噪声电平根据乘法器的数量而变化,所以随着乘法器数量的增加,相位噪声特性趋于恶化,并且PLL和乘法器产生的杂散也会导致恶化.而且,由于高频带侧的特性由电路输出幅度决定,因此所有这些特性都是恒定的,而与振荡源无关.
　　最后,对于三种类型的振荡器,使用晶体单元作为振荡源的基本谐波振荡器,使用PLL电路设计和Si谐振器的Si-MEMS振荡器,其相位噪声特性相对于输出的趋向图5的右侧显示了作为振荡源的LC振荡器(使用LC振荡作为振荡源).
[基于相位噪声特性的高速通信系统所需的振荡器结构]
　　我们已经解释了相位噪声特性的趋势会根据振荡器的结构差异而变化.设计人员在设计系统时,将根据是将优先级放在载波附近(低频带侧)噪声特性(图6左)还是等效相位抖动量(SONET/SDH中使用的通信环路带宽(12k-20MHz)内的图6(右).在设计高速通信系统时,可以相信,与具有重大风险的产品相比,使用具有低相位抖动特性和出色的频率稳定性的基波谐波石英晶体振荡器将具有更高的整体稳定性.诸如Si-MEMS振荡器(PLL电路和寄生电路特有的相位噪声曲线下降的风险)或LC振荡器之类的元件,它们表现出较差的频率稳定性.

图6载具附近(低频段侧)特性(左)和地板水平(高频段侧)特性(右)的比较

　　爱普生基于晶体的振荡器在从载波附近(低频带侧)到基底电平(高频带侧)的稳定相位噪声特性方面独树一帜,并且我们的基本谐波振荡采用简单的电路结构,可实现低功耗.使用晶体作为振荡源的基本谐波振荡器将成为通信系统系统结构中的重要组成部分,它将继续实现更高的速度性能.在爱普生,我们将继续开发能够达到客户要求的性能水平的产品.
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