Epson Oscillator結構與相位噪聲信號源之間的聯系
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2020年04月07
Epson Oscillator結構與相位噪聲信號源之間的聯系
通信協議要求由高速通信傳輸網絡處理的信號來實現信號質量性能,例如誤碼率(BER)(指的是通過將接收方在接收過程中接收到的數據中的誤碼位數除以傳輸的數據位數).因此,系統設計師的任務是為ASIC,電路板布局和組件更改等創建設計,而這些設計不會導致信號質量下降.
參考信號源本身的噪聲和抖動性能是影響維持高質量信號能力的重要參數.因此,先前的白皮書基于當前市場上振蕩器的結構和特性,介紹了實現通信系統所需信號質量所必需的關鍵振蕩器規格,以及適用于通信設備的愛普生晶振產品.在本白皮書中,我們將仔細研究由市場上振蕩器的結構差異引起的相位噪聲特性.
[市場上振蕩器的結構/特性(參考信號源)]
市場上使用的振蕩器的結構(類型)如圖1所示,其各自的特性如表1所示.
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圖1振蕩器結構
如以上特性所示,可獲得的特性將根據進口晶體振蕩器的結構而變化.本白皮書從噪聲和抖動特性的角度詳細介紹了在基本諧波振蕩器,PLL振蕩器和LC振蕩器中出現的相位噪聲特性的特征和趨勢,這會極大地影響通信系統中的信號質量.
[相位噪聲特性斜率特性]
如圖2所示,相位噪聲特性由斜率圖像表示.這些斜坡主要分為五種類型,每種斜坡都表現出以下類型的特征.下面提供了對每個特征的簡單說明.
1)隨機步頻調制(RWFM)的斜率與偏移頻率的4次方成反比,并且主要指示振蕩源中頻率波動的影響(將相位變化轉換為頻率變化).
2)閃爍頻率調制(FFM)的斜率與偏移頻率的3次方成反比,并且主要指示來自振蕩源的閃爍噪聲的影響.
3)白頻率調制(WFM)的斜率與偏移頻率的2次方成反比,主要表示電路側Q值的影響.
4)閃爍相位調制(FPM)具有與偏移頻率成反比的斜率,并且類似于FFM,它指示了由物理振蕩側(電路側)引起的噪聲影響.
5)白相調制(WPM)具有恒定的斜率,與偏移頻率無關,主要表示電路噪聲(分量熱噪聲)和振蕩信號信噪比的影響,從中我們可以看到貼片振蕩器斜率圖像相位噪聲特性的大致可歸類為RWFM和FFM受振蕩源的影響,而WFM,FPM和WPM受電路結構的影響.
圖2相位噪聲特性斜率圖像
[基于相位噪聲特性計算相位抖動]
正如技術說明”抖動和相位噪聲”中介紹的那樣,可以使用特定于相位噪聲特性的偏移頻率范圍的積分值來計算相位抖動.通信系統性能受通信環路帶寬內相位抖動量的影響.12k-20MHz的相位抖動量(SONET/SDH標準)是大多數通信系統中通信環路的等效帶寬,是目前相位抖動的主要指標之一.
圖3顯示了相位噪聲特性與相位抖動之間的關系.總抖動(TJ)是確定性抖動(DJ)與隨機抖動(RJ)的總和.在具有如圖3所示的晶振相位噪聲特性的系統中,代表通信環路帶寬(RJ)(圖3中的藍色部分)的12k-20MHz范圍的積分值之和代表雜散的總抖動(DJ).
圖3相位噪聲特性與相位抖動之間的關系
[歸因于振蕩器結構差異的相位噪聲特性]
為了幫助讀者理解可歸因于振蕩器結構差異的相位噪聲特性的特性,圖1中介紹的結構用于解釋三種類型振蕩器的相位噪聲特性趨勢:基本諧波振蕩器,它使用晶體單元作為振蕩源.是使用PLL電路設計和Si諧振器作為振蕩源的Si-MEMS振蕩器,以及使用LC振蕩作為振蕩源的LC振蕩器.圖4分別顯示了晶體,Si諧振器和LC振蕩的每個振蕩源的相位噪聲特性圖像.
首先,在載波附近(低頻帶側)的斜率梯度的差異很大程度上取決于振蕩源的Q值.Q值特別高的晶體具有高達100kHz的偏移頻率的低相位噪聲特性,而LC振蕩的Q值不超過100的極低的LC振蕩特性在載波附近(低頻段)具有方面)趨于惡化.相反,無論振蕩源如何,斜率的高頻帶側都很大程度上受到電路發射噪聲的影響.這樣,當信號元素大于噪聲元素時,地板水平趨于降低.尤其是LC振蕩具有大的輸出幅度和顯著的信號強度,因此在高頻帶側相位噪聲趨于減小.相比之下,可施加到Si諧振器的功率有限制,導致輸出幅度小和信號強度弱,與諧振器或LC振蕩相比,它們在高頻段一側的理想度降低.當然,降低高頻帶側的相位噪聲的另一種方法將是增加功率消耗,從而增加信號強度并降低地板水平.這種方法在改善相位噪聲與保持低功耗之間產生了相互取舍.
圖4振蕩源的相位噪聲特性圖
到目前為止,我們已經檢查了與振蕩源相關的相位噪聲特性的圖像.對于Si諧振器,由晶體的自然溫度特性引起的波動具有顯著影響,因此將Si諧振器構造為振蕩器需要補償該溫度依賴性以確保穩定性.因此,PLL在許多振蕩器中用作補償電路.下面,我們使用圖5解釋通過PLL電路的Si諧振器振蕩源的相位噪聲特性.
圖5基于振蕩器結構差異的PLL電路相位噪聲特性圖(左)和相位噪聲特性趨勢(右)
如圖5(左)所示,使用PLL電路的振蕩器往往會在部分相位噪聲曲線中出現驟降.這是包含一個PLL的設計結果,該PLL使用振蕩源來鎖定壓控振蕩器(VCO)并輸出倍頻.結果,使用PLL電路的振蕩器的相位噪聲特性受到兩個因素的影響:VCO和PLL.通常,這些特性之所以能夠體現出來,是因為VCO表現出的相位噪聲特性不如晶體振蕩源,并且在PLL電路中,VCO的相位噪聲特性出現在高頻段一側.此外,由于低頻帶側的相位噪聲電平根據乘法器的數量而變化,所以隨著乘法器數量的增加,相位噪聲特性趨于惡化,并且PLL和乘法器產生的雜散也會導致惡化.而且,由于高頻帶側的特性由電路輸出幅度決定,因此所有這些特性都是恒定的,而與振蕩源無關.
最后,對于三種類型的振蕩器,使用晶體單元作為振蕩源的基本諧波振蕩器,使用PLL電路設計和Si諧振器的Si-MEMS振蕩器,其相位噪聲特性相對于輸出的趨向圖5的右側顯示了作為振蕩源的LC振蕩器(使用LC振蕩作為振蕩源).
[基于相位噪聲特性的高速通信系統所需的振蕩器結構]
我們已經解釋了相位噪聲特性的趨勢會根據振蕩器的結構差異而變化.設計人員在設計系統時,將根據是將優先級放在載波附近(低頻帶側)噪聲特性(圖6左)還是等效相位抖動量(SONET/SDH中使用的通信環路帶寬(12k-20MHz)內的圖6(右).在設計高速通信系統時,可以相信,與具有重大風險的產品相比,使用具有低相位抖動特性和出色的頻率穩定性的基波諧波石英晶體振蕩器將具有更高的整體穩定性.諸如Si-MEMS振蕩器(PLL電路和寄生電路特有的相位噪聲曲線下降的風險)或LC振蕩器之類的元件,它們表現出較差的頻率穩定性.
圖6載具附近(低頻段側)特性(左)和地板水平(高頻段側)特性(右)的比較
愛普生基于晶體的振蕩器在從載波附近(低頻帶側)到基底電平(高頻帶側)的穩定相位噪聲特性方面獨樹一幟,并且我們的基本諧波振蕩采用簡單的電路結構,可實現低功耗.使用晶體作為振蕩源的基本諧波振蕩器將成為通信系統系統結構中的重要組成部分,它將繼續實現更高的速度性能.在愛普生,我們將繼續開發能夠達到客戶要求的性能水平的產品.
Epson Oscillator結構與相位噪聲信號源之間的聯系
通信協議要求由高速通信傳輸網絡處理的信號來實現信號質量性能,例如誤碼率(BER)(指的是通過將接收方在接收過程中接收到的數據中的誤碼位數除以傳輸的數據位數).因此,系統設計師的任務是為ASIC,電路板布局和組件更改等創建設計,而這些設計不會導致信號質量下降.
參考信號源本身的噪聲和抖動性能是影響維持高質量信號能力的重要參數.因此,先前的白皮書基于當前市場上振蕩器的結構和特性,介紹了實現通信系統所需信號質量所必需的關鍵振蕩器規格,以及適用于通信設備的愛普生晶振產品.在本白皮書中,我們將仔細研究由市場上振蕩器的結構差異引起的相位噪聲特性.
[市場上振蕩器的結構/特性(參考信號源)]
市場上使用的振蕩器的結構(類型)如圖1所示,其各自的特性如表1所示.
圖1振蕩器結構
表1-振蕩器結構差異導致的特性
| 振蕩器結構(類型) | 特點 |
| 基本諧波振蕩器 | 出色的抗噪聲,抖動和雜散性.電路結構簡單,功耗低. |
| 泛音振蕩器 | 優異的抗噪聲,抖動和雜散性,但電路設計(結構)復雜且困難,需要更高的功耗和容量比,這使得維護頻率可變寬度變得更加困難. |
| PLL振蕩器 | PLL允許輕松設置所需的頻率,但是電路結構復雜,因此功耗很大.這也會對噪聲和抖動性能產生負面影響. |
| LC振蕩器 | 用L和C輕松構造即可獲得較寬的輸出幅度,但由于材料的較差的頻率穩定性和時效性,因此功耗很大且噪聲很大. |
[相位噪聲特性斜率特性]
如圖2所示,相位噪聲特性由斜率圖像表示.這些斜坡主要分為五種類型,每種斜坡都表現出以下類型的特征.下面提供了對每個特征的簡單說明.
1)隨機步頻調制(RWFM)的斜率與偏移頻率的4次方成反比,并且主要指示振蕩源中頻率波動的影響(將相位變化轉換為頻率變化).
2)閃爍頻率調制(FFM)的斜率與偏移頻率的3次方成反比,并且主要指示來自振蕩源的閃爍噪聲的影響.
3)白頻率調制(WFM)的斜率與偏移頻率的2次方成反比,主要表示電路側Q值的影響.
4)閃爍相位調制(FPM)具有與偏移頻率成反比的斜率,并且類似于FFM,它指示了由物理振蕩側(電路側)引起的噪聲影響.
5)白相調制(WPM)具有恒定的斜率,與偏移頻率無關,主要表示電路噪聲(分量熱噪聲)和振蕩信號信噪比的影響,從中我們可以看到貼片振蕩器斜率圖像相位噪聲特性的大致可歸類為RWFM和FFM受振蕩源的影響,而WFM,FPM和WPM受電路結構的影響.
圖2相位噪聲特性斜率圖像
正如技術說明”抖動和相位噪聲”中介紹的那樣,可以使用特定于相位噪聲特性的偏移頻率范圍的積分值來計算相位抖動.通信系統性能受通信環路帶寬內相位抖動量的影響.12k-20MHz的相位抖動量(SONET/SDH標準)是大多數通信系統中通信環路的等效帶寬,是目前相位抖動的主要指標之一.
圖3顯示了相位噪聲特性與相位抖動之間的關系.總抖動(TJ)是確定性抖動(DJ)與隨機抖動(RJ)的總和.在具有如圖3所示的晶振相位噪聲特性的系統中,代表通信環路帶寬(RJ)(圖3中的藍色部分)的12k-20MHz范圍的積分值之和代表雜散的總抖動(DJ).
圖3相位噪聲特性與相位抖動之間的關系
為了幫助讀者理解可歸因于振蕩器結構差異的相位噪聲特性的特性,圖1中介紹的結構用于解釋三種類型振蕩器的相位噪聲特性趨勢:基本諧波振蕩器,它使用晶體單元作為振蕩源.是使用PLL電路設計和Si諧振器作為振蕩源的Si-MEMS振蕩器,以及使用LC振蕩作為振蕩源的LC振蕩器.圖4分別顯示了晶體,Si諧振器和LC振蕩的每個振蕩源的相位噪聲特性圖像.
首先,在載波附近(低頻帶側)的斜率梯度的差異很大程度上取決于振蕩源的Q值.Q值特別高的晶體具有高達100kHz的偏移頻率的低相位噪聲特性,而LC振蕩的Q值不超過100的極低的LC振蕩特性在載波附近(低頻段)具有方面)趨于惡化.相反,無論振蕩源如何,斜率的高頻帶側都很大程度上受到電路發射噪聲的影響.這樣,當信號元素大于噪聲元素時,地板水平趨于降低.尤其是LC振蕩具有大的輸出幅度和顯著的信號強度,因此在高頻帶側相位噪聲趨于減小.相比之下,可施加到Si諧振器的功率有限制,導致輸出幅度小和信號強度弱,與諧振器或LC振蕩相比,它們在高頻段一側的理想度降低.當然,降低高頻帶側的相位噪聲的另一種方法將是增加功率消耗,從而增加信號強度并降低地板水平.這種方法在改善相位噪聲與保持低功耗之間產生了相互取舍.
圖4振蕩源的相位噪聲特性圖
圖5基于振蕩器結構差異的PLL電路相位噪聲特性圖(左)和相位噪聲特性趨勢(右)
最后,對于三種類型的振蕩器,使用晶體單元作為振蕩源的基本諧波振蕩器,使用PLL電路設計和Si諧振器的Si-MEMS振蕩器,其相位噪聲特性相對于輸出的趨向圖5的右側顯示了作為振蕩源的LC振蕩器(使用LC振蕩作為振蕩源).
[基于相位噪聲特性的高速通信系統所需的振蕩器結構]
我們已經解釋了相位噪聲特性的趨勢會根據振蕩器的結構差異而變化.設計人員在設計系統時,將根據是將優先級放在載波附近(低頻帶側)噪聲特性(圖6左)還是等效相位抖動量(SONET/SDH中使用的通信環路帶寬(12k-20MHz)內的圖6(右).在設計高速通信系統時,可以相信,與具有重大風險的產品相比,使用具有低相位抖動特性和出色的頻率穩定性的基波諧波石英晶體振蕩器將具有更高的整體穩定性.諸如Si-MEMS振蕩器(PLL電路和寄生電路特有的相位噪聲曲線下降的風險)或LC振蕩器之類的元件,它們表現出較差的頻率穩定性.
圖6載具附近(低頻段側)特性(左)和地板水平(高頻段側)特性(右)的比較
Epson Oscillator結構與相位噪聲信號源之間的聯系
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