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通信系統(tǒng)基準(zhǔn)信號(hào)源所需石英晶體振蕩器的關(guān)鍵規(guī)格與產(chǎn)品介紹

來源：http://sanctuaryinlakeelmo.com 作者：億金電子 2018年06月30
           通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的世界中，核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、移動(dòng)回傳網(wǎng)、接入網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)（LAN/SAN）從上至下呈樹狀分布。每種網(wǎng)絡(luò)均設(shè)定了各自通信所需的獨(dú)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(jìn)展迅速，通信基礎(chǔ)設(shè)備亦不斷擴(kuò)充。
            進(jìn)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(jìn)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(cuò)誤率。尤其對(duì)于BER，信號(hào)所具有的噪音和抖動(dòng)是非常重要的參數(shù)，對(duì)信號(hào)品質(zhì)的影響極大。
          本次，我們將說明基于通信設(shè)備所需的信號(hào)品質(zhì)而要求石英晶體振蕩器,有源晶振具備的關(guān)鍵規(guī)格，并介紹市場(chǎng)中銷售的晶體石英振蕩器結(jié)構(gòu)及特征，以及適于通信設(shè)備的愛普生產(chǎn)品。
         【高速通信系統(tǒng)的構(gòu)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，使用晶振生成基準(zhǔn)信號(hào)。通常，有源晶振,石英晶體振蕩器基準(zhǔn)信號(hào)用低于數(shù)據(jù)傳輸率的頻率起振。所以，為了以基準(zhǔn)信號(hào)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(zhǔn)信號(hào)頻率倍增到需要的頻率后發(fā)送。與此相對(duì)，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(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（Clock Data Recovery）復(fù)原基準(zhǔn)信號(hào)，并用復(fù)原后的基準(zhǔn)信號(hào)復(fù)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(zhǔn)信號(hào)復(fù)原數(shù)據(jù)的方式。
          如上所示，在收發(fā)信的過程中隨時(shí)進(jìn)行著信號(hào)的轉(zhuǎn)換與復(fù)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(hào)自身的抖動(dòng)和噪音提高信號(hào)品質(zhì)、如何設(shè)計(jì)最佳的傳輸線路專用集成電路是非常重要的課題。
         【信號(hào)品質(zhì)評(píng)估手法】
         評(píng)估通信系統(tǒng)中信號(hào)本身的品質(zhì)時(shí)，經(jīng)常使用眼圖。眼圖是使用示波器等測(cè)試儀器收集大量高速數(shù)字信號(hào)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(shè)傳輸線路的通信協(xié)議為10GbE，該系統(tǒng)中傳輸10Gbps的信號(hào)所用時(shí)間（長度）為各字節(jié)100微微秒。評(píng)估信號(hào)品質(zhì)時(shí)，將每隔100微微秒重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)相重合后制成眼圖。假設(shè)基準(zhǔn)信號(hào)很純正且傳輸線路的專用集成電路設(shè)計(jì)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，如果愛普生晶振基準(zhǔn)信號(hào)中噪音和抖動(dòng)較多、或因?qū)Ｓ眉呻娐返脑O(shè)計(jì)而產(chǎn)生傳輸線路的頻帶不足等損失，信號(hào)波形則會(huì)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(hào)數(shù)據(jù)是0還是1時(shí)，重要的是開眼部的長寬足夠大。開眼部因噪音和抖動(dòng)而縮小，將導(dǎo)致接收方無法準(zhǔn)確判斷信號(hào)數(shù)據(jù)，BER變高。現(xiàn)在幾乎所有通信系統(tǒng)均要求BER至少應(yīng)達(dá)到1×10-12。這意味著每傳輸1012字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)允許出現(xiàn)1個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤。綜上所述，從眼圖中可以獲得石英晶體振蕩器噪音、抖動(dòng)或頻帶不足等有關(guān)信號(hào)品質(zhì)的各種信息。
         【構(gòu)成抖動(dòng)的要素】
          圖3表示通信系統(tǒng)中石英晶體振蕩器抖動(dòng)的構(gòu)成要素?？傮w抖動(dòng)TJ（Total Jitter）用確定性抖動(dòng)DJ（Deterministic Jitter）與隨機(jī)抖動(dòng)RJ（Random Jitter）之和來表示。確定性抖動(dòng)表示因電路設(shè)計(jì)、電磁感應(yīng)或外界因素而產(chǎn)生的抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)的特征是頻率擴(kuò)散保持一定，且與時(shí)間變化無關(guān)。作為基準(zhǔn)信號(hào)源的有源貼片晶振性能中影響確定性抖動(dòng)的是失真和分諧波。
         隨機(jī)抖動(dòng)名副其實(shí)表示無法預(yù)測(cè)的抖動(dòng)成份。它受石英晶振,石英晶體振蕩器元件自身的特性、熱噪音等因素的影響而自然產(chǎn)生。隨機(jī)抖動(dòng)的特征是隨時(shí)間而擴(kuò)散。作為基準(zhǔn)信號(hào)源的OSC石英晶振性能中，影響隨機(jī)抖動(dòng)的正是基準(zhǔn)信號(hào)源的抖動(dòng)。
         其它系統(tǒng)中的因素也被歸類為產(chǎn)生抖動(dòng)的要因，例如插件石英晶振的電源噪音與串?dāng)_、因電纜設(shè)計(jì)等影響而引起的頻帶不足是產(chǎn)生確定性抖動(dòng)的要因，而專用集成電路的噪音等則是產(chǎn)生隨時(shí)抖動(dòng)的要因。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要通過改善專用集成電路的設(shè)計(jì)、變更基板布局以及變更部品等減小總體抖動(dòng)。
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