愛普生 - 通信系统所需信號品質與標準訊號源介紹 - 下篇
通信系统所需信號品質與標準訊號源〔下篇〕
參考資料來源:
https://www.epson.com.cn/Apps/ed/Crystal/pdf/technology_13.pdf
Epson 技術文介紹 - AN0033 ( Jul, 2022 )
文: 邱秉毅，任職於台灣愛普生科技股份有限公司 電子零件事業部。
參考資料來源:
https://www.epson.com.cn/Apps/ed/Crystal/pdf/technology_13.pdf
Epson 技術文介紹 - AN0033 ( Jul, 2022 )
文: 邱秉毅，任職於台灣愛普生科技股份有限公司 電子零件事業部。
上篇連結請參考：愛普生 - 通信系统所需信號品質與標準訊號源介紹〔上篇〕
標準信號源振盪器結構的相位噪音特性說明
高速通信傳輸網路中，處理信號主要是透過通訊協定進行誤碼率評估其性能。誤碼率(以下簡 稱:BER)，表示進行數據的發送與接收訊號時，接收端接收到的數據資料中錯誤碼的數量除以發出的 數據總結數的錯誤率。因此，系統設計工程師需要透過專用積體電路設計、電路板佈局設計以及變 更局部來防止信號失真造成資料傳輸品質下降。為了保持高品質信號，標準訊號源本身具有的相位 噪聲及抖動特性將會是重要的參數。為此，本文中將介紹，基於通訊設備所需的信號品質而要求振盪器具備的重要規格，我們將說明振盪器相關架構及特性，適用於通信設備的愛普生零件，將更進一步說明結構差異而產生的不同等級相位噪聲特性。
【市場主要振盪器的架構與特性】
下圖一. 為目前市場上主要振盪器設計的種類: 1. 基本波振盪器、2. AT+PLL 振盪器、3. 三次諧 振波(3rd OverTone)振盪器、4. LC 振盪器。
圖一. 各種主要振盪器架構
表一. 振盪器的架構與種類
如上表特性所示，振盪器的架構不同造成的特性將會有所差異。對於影響通信系統信號品質的相位噪音與抖動偏移量，詳細說明各種架構對於相為噪音特性的影響。
【相位噪音斜率的特徵】
相位噪音將呈現下圖特徵，該斜率將分為五大類，分別俱有以下特徵，以下分別說明，
1. 隨機游動频率調制(RWFM:Random Walk Frequency Modulation):噪音斜率與偏移頻率4次方呈反比，主要表示波源频率變動 (相位變化轉換為頻率變化)的影響。
2. 閃爍频率調制(FFM:Flicker Frequency Modulation):白噪音的斜率與偏移頻率的3次方呈反比，主要表示來自波源的閃爍噪音的影響。
3. 白頻率調制(WFM:White Frequency Modulation):噪音的斜率與偏移频率的2次方呈反比，主要表示電路側Q值的影響。
4. 閃爍相位(FPM:Flicker Phase Modulation):噪音的斜率與偏移頻率呈反比，與閃爍噪音同樣表示來自發出振盪側的噪音影響。
5. 白相位調制(WPM:White Phase Modulation):噪音斜率保持一定且與偏移頻率無關，主要表示來自電路的噪音和振盪信號的S/N比的影響。
如上所述，相位噪音特性斜率將可分為兩大類:RWFM和FFM噪音受波源影響;WFM、FPM和 WPM噪音受電路影響。(參考圖二)
【依相位噪音特性計算相位抖動的方法】
根據先前發表技術文【抖動與相位噪音】中，曾經介绍過，相位抖動可通過相位噪音特性其特定 偏移頻率範圍的積分求出。通信系统性能取决於通信迴路頻寬中的相位抖動量，現在已把許多通信 系統通信迴路頻寬中的12k-20MHz相位抖動量(SONET/SDH標準)作為相位抖動的重要指標之一。
如圖三所示相位噪音特性與相位抖動的關係。總體抖動TJ (Total Jitter)用確定性抖動DJ (Deterministic Jitter)與隨機抖動RJ (Random Jitter)之總和來表示。具有類似圖三所示的相位噪音特性的系統中，相位抖動總量相當於通信迴路頻寬中的12k-20MHz部分的積分值(RJ)與失真的積分值(DJ) 的總和。
圖三. 相位噪音與相位抖動關係
【振盪器架構造成不同相位噪音特性】
為有助於理解振盪器架構造成的相位噪音特性差異，將以圖一中介紹的架構基礎，說明三種振盪 器的相位噪音特性傾向，這三種振盪器分為，以石英晶體單元為波源的基本波振盪器、矽材基板 (Silicon Substrate)再搭配鎖相迴路的Si-MEMS振盪器，和LC諧振為訊號源的介質等壓控振盪器。
圖四所示，作為訊號波的石英、矽材基板和LC諧振器各自具有的相位噪音特性。
圖四. 各類波源相位噪音示意圖
首先載波周圍的低頻側的曲線斜率不同的主要原因在於訊號波的Q值。特别是Q值高的石英晶體當偏離頻率約100kHz為止的範圍內，具有相位噪音低的特性;而LC諧振器的Q值極低，只有幾十左右，在載波周圍低頻側的相位噪音特性呈惡化傾向。與此相對照，斜率的高頻側與波源無關，主要受電路所產生的噪音等的影響。因此，如果信號成分大於噪音成分，本底噪音則顯示出更低的傾向。尤其突出的是，LC諧振器的输輸出振幅越大訊號強度越強，所以在高頻側具有相位噪音變小的 特點。與此相比，矽基板諧振器所受功率有限而導致輸出振幅小、訊號強度弱，因此在高頻側與石 英和LC 諧振器相比較不利。當然，也可以採用增大電流的方法提高訊號強度並降低本底噪音，以此减少高頻側的相位噪音。這種况下，需要在相位噪音的改良與維持低耗電量之間做出權衡。
以上，我們說明了有關訊號波的相位噪音特性。其中的矽材基板諧振器而言，矽材基板本身所具有的溫度特性的變化量大，構成振盪器時必須對其溫度依存性進行補償以確保穩定性。為此，經常使用鎖相迴路作為補償電路。在此，用圖五說明以矽材基板諧振器為訊號源，經過鎖相迴路後的相位噪音特性。
圖五. 鎖相迴路相位噪音特性示意(左)因振盪器結構造成相位噪音特性傾向(右)
如圖五(左)所示，使用鎖相迴路振盪器的相位噪音曲線的一部分將變大。鎖相迴路原理是鎖定電壓控製振盪器(稱為VCO)發出的波源後輸出倍頻，因此使用鎖相迴路的相位噪音特性受VCO和鎖相 迴路的兩項因素的影響。通常，以VCO為波源的相位噪音特性比石英波源差，並將反應在鎖相迴路 的高頻領域，所以出現上述特性。而且，頻率倍增數也將改變低頻的相位噪音水平，所以倍數越大 相位噪音特性越差，因鎖相迴路和倍增而產生的失真亦將導致相位噪音特性的惡化。同時，高頻側 的特性取决於電路的輸出振幅，與訊號波無關均將保持一定。
最後，圖五(右)為整合以石英晶体為波源的基本波振盪器、矽材基板使用鎖相迴路的Si-MEMS諧振器及以LC諧振器的介質等壓控振盪器所輸出的相位噪音特性傾向。
【相位噪音特性與高速通信系統所需振盪結構】
以上篇幅中，說明了相位噪音特性隨振盪器架構不同而變化。設計工程師進行系統設計之際，在 决定所使用的電子零件、基板佈局和設計專用積體電路時，應先决定是著重於載波周圍低頻側的噪音特性(圖六左)，還是著重於SONET/SDH所示通信迴路頻寬的12k-20MHz的相位抖動量(圖六右)。
由於Si-MEMS振盪器具有的鎖相迴路，造成相位噪音曲線的一部分變大以及產生失真的問题，而 介質等壓控振盪器則有頻率不穩定的問题，因此我們認為在高速通信系统的設計中不應該使用這先 風險較大的產品。以石英晶體單元為波源的基本波振盪器具有低相位抖動特性，且其頻率穩定，更適用合在通信系統中使用。
圖六. 載波周圍低頻特性示意圖(左)與 高頻側噪音特性(右)的比較
愛普生的振盪器產品以搭載石英晶體為主，在載波周圍低頻至本底噪音高頻的範圍内保持穩定的 相位噪音特性，以基本波起振的電路組成也相對簡單，能夠把耗電量控制在較小程度。在通信速度 不斷提高的通信系统中，我們相信，採用以石英晶體基本波的振盪器，將成為通信系统中不可或缺的關鍵零件，滿足客戶需求。
如果您有任何產品規格與設計問題時，可洽詢台灣愛普生公司各授權電子零件代理商，或是與我們聯絡。
資訊參考來源：
https://www.epson.com.cn/Apps/ed/Crystal/pdf/technology_13.pdf
更多有關Epson石英振盪器產品資訊，請參考：
https://www5.epsondevice.com/en/products/crystal_oscillator/#sub02
更多有關Epson石英元件產品相關影片，請參考：
https://www5.epsondevice.com/en/information/technical_info/video/others.html
有關精工愛普生公司介紹相關連結 : global.epson.com/
瑞澤電子是EPSON電子零件代理商，如有興趣，歡迎聯絡我們
瑞澤電子是EPSON電子零件代理商，如有興趣，歡迎聯絡我們
#台灣愛普生 #電子零件事業部 #石英振盪器 #石英元件 #differential SPXO #SG3225EEN #SG3225VEN #SG3225HBN #SG2520VHN #SG2520EHN #SG2520VGN #SG2520EGNCXO #VG3225VFN #VG5032VFN #VG7050VFN #VG3225EFN #VG5032EFN #VG7050EFN
社群連結：YouTube | Facebook | Twitter
