现在世界已经进入到一个全新的智能化时代,通信与网络是构筑这个时代的桥梁,将人们的生活,日常与工作方方面面连接起来,即使足不出户也可以维持生存.通信和网络模块都需要接收和传输信号,那么是什么东西给网络提供所需的信号源呢?答案当然是晶振了,它可以分为有源晶振和无源晶振两大类,通信系统和网络设备都属于比较高端的产品,所以一般都是使用性能比较高的振荡器,来提供稳定的,质量高的信号和参考信号源.
通信网络的世界类似于树,从核心和城域网络扩展到移动回程,接入和企业网络(LAN/SAN).已经针对每种类型的通信概述了技术标准.近年来看到的高速通信设备和视频流的扩展导致沿着互联网骨干流量的流量持续增加.为了响应速度增加和数据量,我们看到了通信基础设施设备的升级和扩展.促进这种类型的高速数据通信的通信协议要求在传输信道中具有性能和误码率(‘BER’)(指通过在传输期间将接收器接收的数据中的错误位数除以计算的误码率.通过传输的数据位总数).特别是,BER值由信号的信号质量,噪声和抖动特性定义.
[高速通信系统的结构]
图1显示了典型的通信系统(传输通道),其中两个收发器之间的数据转发由多种协议(PCI,SATA,10GbE等)调解.在这种类型的系统中,贴片振荡器用于产生参考时钟.通常,数据在发送器侧由参考信号串行化,以说明参考信号以低于数据速率的频率振荡.因此,发送器的内部PLL(锁相环)用于将参考信号乘以所需频率,并传输数据.相反,在接收端,基于PLL的CDR(时钟数据恢复)用于从发送的数据流再生参考信号,然后再生的参考信号用于重建数据.在一些高端系统中,接收方端具有用于数据重建的嵌入式参考信号.通过这种数据传输,信号转换和再生是永久进行的,并且通过高速通信,接收方必须准确地将发送的数据识别为0和1.因此,如何限制实际信号的劣化水平(抖动,噪声),提高信号质量以及如何有效地设计传输信道ASIC成为至关重要的问题.

图1通信系统传输信道结构

[信号质量评估方法]
眼图通常用作评估通信系统中信号质量的方法.这些图使用示波器或类似的测量设备来获取高速数字信号波形的多个样本.然后将这些波形层叠在彼此之上以创建图形表示.名称’眼图’来自分层波形的视觉外观,类似于眼睛.
作为一个例子,我们将看10GbE何时用作传输信道通信协议.使用该系统,转发10Gbps信号所需的时间(长度)相当于每比特信号100psec.为了评估信号质量,每100psec重复一次信号以获得眼图.例如,如果我们假设参考信号是纯净的并且传输通道ASIC设计得很好,那么我们将观察到良好对齐的波形,如图2左侧所示.相反,在信号丢失的情况下,例如由具有显着噪声或抖动的参考信号或设计不良的ASIC引起的传输信道中的频带不足,信号波形不稳定,并且波形的分层导致“闭眼”的类型,如图2右侧所示.
将信号数据识别为0或1严重依赖于眼图开口的水平和垂直方向,从而实现足够的光圈.如果由于噪声或抖动导致眼图开口收缩,则接收方端信号数据识别是模糊的并且导致更高的BER.目前,几乎所有通信系统都要求BER至少为1x10-12.这意味着对于每个数据传输位,容许针对1012数据量的一个错误.如上所示,眼图提供了大量与信号质量相关的信息,例如噪声,抖动和频带不足.

图2使用眼图表示的信号质量

[抖动的结构要素]
通信系统中存在的抖动结构元素如图3所示.TJ(总抖动)代表DJ(确定性抖动)和RJ(随机抖动)的总和.DJ(确定性抖动)是指由电路设计引起的抖动,电磁感应和外部环境.DJ的特征包括均匀的宽度和对经过的时间的依赖性.

图3抖动的结构要素

杂散和子谐波是由石英晶体振荡器作为参考时钟源引起的DJ的元素.正如该术语所暗示的,RJ(随机抖动)指的是不可预测的抖动元素,并且可以基于设备本身的固有特性或由于热噪声等的影响而自然地引起.随着时间流逝,RJ特性正在变得越来越宽.参考信号源的实际抖动是由作为参考时钟源的振荡器引起的有助于RJ的元件.在其他系统中,DJ归因于板PSU噪声,串扰和电缆设计的影响导致频带不足,而RJ归因于ASIC噪声.系统设计人员的任务是改进ASIC设计或更改电路板布局和组件以减少TJ.
[市场上振荡器(参考信号源)的结构和特性]
从上一节可以看出,保持信号质量需要选择一个不受噪声或抖动影响很大的参考时钟源.接下来,我们将回顾目前市场上振荡器的结构(类型)和特性.

图4振荡器结构

目前市场上使用的振荡器类型可分为四大类.图4显示了每种类型的结构.第一种是基本振荡器,它是市场上最流行的振荡器类型.这些振荡器具有出色的抗噪声,抗抖性能,并且能够在所有应用中提供高精度和高性能的特性.此外,基本振荡器采用简单的电路结构,导致低功耗.第二个是使用第三个泛音的振荡器.泛音振荡在滤波器电路中采用电路设计方法,该电路用于抑制基波的负电阻,以在所需频率的一个阶数(在这种情况下,第三个)产生负电阻.这种类型的振荡实现了高频输出,这是基本谐波振荡难以实现的.而且,保持高Q值的能力提供了有利的相位噪声附近特性.然而,电路设计(调整)复杂,导致更高的功耗.此外,容量比使得维持频率可变宽度更加困难.
第三振荡拓扑是使用PLL的振荡器.这种类型的振荡器使用石英或Si-MEM谐振器作为参考信号源,因为输入信号使用PLL产生与该输入信号同步的信号,并输出所需的频率.因此,使用PLL电路技术的振荡器在它们实现高频率以及能够以所需频率产生输出信号的便利性方面是优越的.然而,这种类型的振荡器导致复杂的电路结构,显着的功耗并且可能对噪声和抖动性能产生负面影响.如前所述,使用Si-MEMS振荡器,补偿Si谐振器的粗糙温度特性,需要使用PLL电路技术(因为补偿范围太宽,无法进行模拟温度补偿).结果,这种类型被认为在控制噪声和抖动方面存在缺点,噪声和抖动是信号质量的指标.
最后,LC振荡器类似于PLL.这些产品提供了极大的便利此外,施加功率将导致更大的振幅和地板噪声,这可以保持最小.相反,它们在材料的低Q值方面存在问题,这导致差的频率稳定性和老化,以及载波频率附近的噪声问题.如上所述,市场上的各种振荡器包括各种结构,使得基于应用的产品选择很重要.在爱普生晶振公司,我们相信通过提供参考单源所需的振荡器性能(相位噪声,相位抖动和杂散特性),我们可以为客户保持信号质量.
[介绍用于通信系统的具有低相位抖动特性的Epson振荡器]爱普生将基波谐振器(类型1)定位为我们的主要产品之一,我们拥有产生了多种具有不同抖动特性的产品,用于高速通信系统.
通常,爱普生公司使用晶体单元作为振荡源.然而,AT切割晶体用于高达80MHz和80MHz以上的频率,我们提供采用反向台面AT切割(HFF:高频基础)技术(SG系列),VCXO晶振(VG系列)以及我们的SAW的振荡器(EG,XG系列)和VCSO振荡器(EV系列),采用SAW技术实现最佳抖动性能.我们还提供多种阵容来满足输出需求,包括基于CMOS,LVPECL,LVDS和HCSL输出格式的振荡器.爱普生公司所有的产品都保留了晶体的潜力,同时提供产品规格,以充分满足客户对各种应用中信号质量的期望.

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