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6G通信系統(tǒng)要求石英晶體振蕩器具備的關(guān)鍵規(guī)格X1G0042410001

返回列表 來源：金洛鑫 瀏覽：- 發(fā)布日期：2023-08-07 17:59:39【大 中 小】
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通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的世界中，核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、移動回傳網(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 于 BER，信號所具有的噪音和抖動是非常重要的參數(shù)，對信號品質(zhì)的影響極大。 本次，我們將說明基于通信設(shè)備所需的信號品質(zhì)而要求振蕩器具備的關(guān)鍵規(guī)格，并介紹市場中銷售的振蕩器結(jié)構(gòu)及特征，以及適 于通信設(shè)備的愛普生晶振產(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，使用振蕩器生成基準(zhǔn)信號。通常，基準(zhǔn)信號用低于數(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)信號頻率倍增到需要的頻率后發(fā)送。與此相對，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，并用復(fù)原后的基準(zhǔn)信號復(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，如何抑制信號自身的抖動和噪音提高信號品質(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。

1

【信號品質(zhì)評估手法】 

評估通信系統(tǒng)中信號本身的品質(zhì)時(shí)，經(jīng)常使用眼圖。眼圖是使用示波器等測試儀器收集大量高速數(shù)字信號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 的信號所用時(shí)間（長度）為各字節(jié) 100 微微秒。評估信號品質(zhì)時(shí)，將 每隔 100 微微秒重復(fù)出現(xiàn)的信號相重合后制成眼圖。假設(shè)基準(zhǔn)信號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，如果基準(zhǔn)信號中噪音和抖動較多、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，信號波形則會變得不穩(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而縮小，將導(dǎo)致接收方無法準(zhǔn)確判斷信號數(shù)據(jù)，BER 變高?，F(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，從眼圖中可以獲得噪音、抖動或頻帶不足等有關(guān)信號品質(zhì)的各種信息。

2

【構(gòu)成抖動的要素】 

圖 3 表示通信系統(tǒng)中抖動的構(gòu)成要素?？傮w抖動 TJ （Total Jitter）用確定性抖動 DJ（Deterministic Jitter） 與隨機(jī)抖動 RJ（Random Jitter）之和來表示。確定性 抖動表示因電路設(shè)計(jì)、電磁感應(yīng)或外界因素而產(chǎn)生的抖 動。確定性抖動的特征是頻率擴(kuò)散保持一定，且與時(shí)間 變化無關(guān)。作為基準(zhǔn)信號源的振蕩器性能中影響確定性 抖動的是失真和分諧波。

3

隨機(jī)抖動名副其實(shí)表示無法預(yù)測的抖動成份。它受元 器件自身的特性、熱噪音等因素的影響而自然產(chǎn)生。隨 機(jī)抖動的特征是隨時(shí)間而擴(kuò)散。作為基準(zhǔn)信號源的振蕩器性能中，影響隨機(jī)抖動的正是基準(zhǔn)信號源的抖動。 其它系統(tǒng)中的因素也被歸類為產(chǎn)生抖動的要因，例如插件的電源噪音與串?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 抖動的要因，而專用集成電路的噪音等則是產(chǎn)生隨時(shí)抖動的要因。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。

【市場中銷售的振蕩器（基準(zhǔn)信號源）的結(jié)構(gòu)與特征】 

首先，讀者應(yīng)該已理解，要維持信號品質(zhì)就必須選擇噪音和抖動影響少的基準(zhǔn)信號源。在此，我們將說明現(xiàn)在市場中銷售的振蕩 器的結(jié)構(gòu)（類型）及其特征。

4

現(xiàn)在市場中銷售的振蕩器大致可分為 4 種類型，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 

第一種是最為常見的基波起振的振蕩器。這種振蕩器的噪音、抖動及失真特性十分優(yōu)越，能提供高精度和高性能的所有特性。它 的電路組成也相對簡單，所以能夠把耗電量控制在較小程度。 

第二種是利用三次諧波的振蕩器。諧波起振的電路設(shè)計(jì)中所采用的方法是利用濾波電路減小基波的負(fù)電阻，以所需倍數(shù)（這里是 三次）的頻率產(chǎn)生負(fù)電阻。這種方法可以獲得基波起振的情況下難以獲得的高頻輸出，并且可以保持較高的 Q 值，從而能夠獲得 良好的低接近載波相位噪音性。然而由于電路設(shè)計(jì)（調(diào)整）較為復(fù)雜，這種方法也存在著耗電量增加，以及電容比增大而使頻率可 變幅度變小的缺點(diǎn)。 

第三種是利用鎖相環(huán)電路的石英振蕩器。這種振蕩器把石英或硅諧振器作為基準(zhǔn)信號源發(fā)出輸入信號，利用鎖相環(huán)電路生成輸入信號 的同步信號，輸出必要的頻率。因此，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于利用鎖相環(huán)電路技術(shù)獲得任意頻率的便利性以及能夠提供高頻之處。但 是，它的電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜致使耗電量增加，對噪音及抖動性能也帶來了不良影響。我們以前也曾經(jīng)介紹過，在使用硅諧振器的情 況下，由于硅諧振單元所具有的溫度特性不佳，需要補(bǔ)償?shù)臏囟确秶蠖鵁o法進(jìn)行模擬式的溫度補(bǔ)償，因此必須采用鎖相環(huán)電路 技術(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。所以，它在控制信號噪音和抖動的品質(zhì)指標(biāo)方面十分不利。 

最后是 LC 振蕩器。這種振蕩器與鎖相環(huán)電路一樣極為方便，施加功率后輸出較大的振幅，且本底噪音也較低。與此相反，由于 材料本身所具有的 Q 值較低，所以頻率穩(wěn)定度和老化特征較差，低接近載波相位噪音性也存在著問題。 

如上所示，市場中銷售的振蕩器有著不同的結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)用途選擇適宜的產(chǎn)品。為了回應(yīng)這些需求，愛普生向顧客提供已具備 了作為基準(zhǔn)信號源所需相位噪音特性、相位抖動和失真特性的振蕩器產(chǎn)品，以此致力于維護(hù)顧客通信系統(tǒng)的信號品質(zhì)。

【適用于通信系統(tǒng)的低相位抖動的愛普生振蕩器產(chǎn)品介紹】

 愛普生將基波振蕩器（類型 1）定為主力產(chǎn)品，已形成了具備高速通信系統(tǒng)所需抖動性能的不同的產(chǎn)品陣容。表 1 表示其中具有 代表性的產(chǎn)品。 

我們原則使用石英晶體單元作為波源。頻率不到 80MHz 的振蕩器使用 AT 型石英晶體，80MHz 以上則使用了采用反向臺形 AT 型 石英晶體的高頻基波模式（High Frequency Fundamental，HFF）技術(shù)，提供 SG 系列振蕩器以及 VG 系列壓控晶體振蕩器。我們 還提供使用表面聲波（SAW）技術(shù)并具有最佳抖動性能的 EG、XG 系列 SAW 振蕩器，以及 EV 系列壓控型 SAW 振蕩器（VCSO）。 而且，我們準(zhǔn)備了 CMOS、LV-PECL、LVDS、HCSL 等各種輸出，全部產(chǎn)品均保持了石英本身所具有的出色優(yōu)點(diǎn)，并擁有能夠充 分滿足各種用途的顧客要求的信號品質(zhì)的產(chǎn)品規(guī)格。

表 1：愛普生振蕩器產(chǎn)品陣容與相位抖動實(shí)力數(shù)據(jù)

輸出形式 波源（技術(shù)） 代表型號 外形尺寸（mm） 頻帶[MHz] 相位抖動[ps] Typ.*1 條件
CMOS AT SG-210SCB 2.5 x 2.0 x 0.8 2 to 60 0.3 26MHz
AT(HFF) SG-210SCH 2.5 x 2.0 x 0.8 80 to 170 0.24 125MHz
VG-4501CA 7.0 x 5.0 x 1.6 80 to 170 0.08 122.88MHz
SAW EG-2001CA 7.0 x 5.0 x 1.2 62.5 to 250 0.08 106.25MHz
0.07 125MHz
0.06 150MHz
0.06 156.25MHz

Differential

(LV-PECL/LVDS/HCSL)

AT(HFF) VG-4513CB 5.0 x 3.2 x 1.3 100 to 500

0.05

0.15

491.52MHz (LV-PECL)

100MHz (HCSL)

SAW

EG-2102CB

XG-2102CA

EG-4101CA

5.0 x 3.2 x 1.4
7.0 x 5.0 x 1.2
7.0 x 5.0 x 1.2
100 to 700

0.14 / 0.15

0.12

0.12 / 0.14

0.10 / 0.12

0.10

0.05

125MHz (LV-PECL/LVDS)

150MHz (LV-PECL)

156.25MHz (LV-PECL/LVDS)

212.5MHz (LV-PECL/LVDS)

312.5MHz (LV-PECL)

644.53125MHz (LVDS)

XG5032HAN 5.0 x 3.2 x 1.4 100 to 200 0.12 156.25MHz (HCSL)
EV-9100JG 13.9 x 9.8 x 4.7 800 to 2500 0.02 1986.819MHz (LV-PECL)
EV1409EAN 14.0 x 9.0 x 2.6 1000 to 3000

今后，愛普生將擴(kuò)充帶差分輸出的 SG 系列，并將增添應(yīng)對多種輸出的 SAW 振蕩器等新陣容，不斷提供擁有抖動及噪音的優(yōu)秀性 能的產(chǎn)品，以滿足作為基準(zhǔn)信號源的必備條件。

編碼 型號 頻率 尺寸 輸出方式 電源電壓 工作溫度 頻率偏差
X1G0042410001 SG3225VAN 125.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410002 SG3225VAN 125.006250 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410004 SG3225VAN 100.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410005 SG3225VAN 200.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410006 SG3225VAN 400.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410007 SG3225VAN 106.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410008 SG3225VAN 212.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410009 SG3225VAN 74.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410010 SG3225VAN 148.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410011 SG3225VAN 75.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410012 SG3225VAN 150.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410014 SG3225VAN 156.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410015 SG3225VAN 312.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410016 SG3225VAN 312.515625 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410017 SG3225VAN 161.132800 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-50 ppm
X1G0042410020 SG3225VAN 125.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410021 SG3225VAN 125.006250 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410023 SG3225VAN 100.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410024 SG3225VAN 200.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410025 SG3225VAN 400.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410026 SG3225VAN 106.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410027 SG3225VAN 212.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410028 SG3225VAN 74.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410029 SG3225VAN 148.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410030 SG3225VAN 75.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410031 SG3225VAN 150.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410033 SG3225VAN 156.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410034 SG3225VAN 312.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410035 SG3225VAN 312.515625 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410036 SG3225VAN 161.132800 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -40 to 85 °C +/-30 ppm
X1G0042410039 SG3225VAN 125.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410040 SG3225VAN 125.006250 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410042 SG3225VAN 100.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410043 SG3225VAN 200.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410044 SG3225VAN 400.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410045 SG3225VAN 106.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410046 SG3225VAN 212.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410047 SG3225VAN 74.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410048 SG3225VAN 148.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410049 SG3225VAN 75.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410050 SG3225VAN 150.000000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410052 SG3225VAN 156.250000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410053 SG3225VAN 312.500000 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410054 SG3225VAN 312.515625 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
X1G0042410055 SG3225VAN 161.132800 MHz 3.20 x 2.50 x 1.20 mm LVDS 2.250 to 3.630 V -20 to 70 °C +/-50 ppm
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