源于振蕩器結(jié)構(gòu)的相位噪音特性的解說(shuō)

【序文】

高速數(shù)據(jù)通信中處理的信號(hào)按照通信協(xié)議需要具備誤碼率等信號(hào)品質(zhì)性能。誤碼率（以下簡(jiǎn)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。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)專用集成電路的設(shè)計(jì)、基板布局的設(shè)計(jì)以及變更部品等防止信號(hào)品質(zhì)下降。為了使信號(hào)保持高品質(zhì)，基準(zhǔn)信號(hào)源自身所具有的噪音及抖動(dòng)性能是重要的參數(shù)。為此，我們?cè)谏洗蔚募夹g(shù)說(shuō)明中介紹了基于通信設(shè)備所需的信號(hào)品質(zhì)而要求振蕩器具備的關(guān)鍵規(guī)格，并介紹了根據(jù)市場(chǎng)中銷售的振蕩器結(jié)構(gòu)及特征而適用于通信設(shè)備的愛(ài)普生產(chǎn)品。本次將詳細(xì)解說(shuō)市場(chǎng)中銷售的振蕩器因結(jié)構(gòu)差異而產(chǎn)生的不同相位噪音特性。

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

圖 1 表示市場(chǎng)中銷售的振蕩器的結(jié)構(gòu)（類型），表 1 表示其特征。

表 1：振蕩器的結(jié)構(gòu)與特征

如特征欄所示，振蕩器的結(jié)構(gòu)不同造成其特性各有差異。本次從極大影響通信系統(tǒng)信號(hào)品質(zhì)的噪音和抖動(dòng)的角度，詳細(xì)說(shuō)明基波振蕩器、鎖相環(huán)振蕩器以及介質(zhì)等壓控振蕩器的相位噪音特征與傾向。

【相位噪音斜率的特征】

相位噪音呈現(xiàn)圖 2 所示的斜率特征。該斜率分為五大類，分別具有以下特征，在此簡(jiǎn)單說(shuō)明。

1)隨機(jī)游動(dòng)頻率調(diào)制（RWFM：Random Walk Frequency Modulation）噪音的斜率與偏移頻率的 4 次方呈反比，主要表示波源頻率變動(dòng)（相位變化轉(zhuǎn)換為頻率變化）的影響。

2)閃爍頻率調(diào)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(lái)自波源的閃爍噪音的影響。

3)白頻率調(diào)制（WFM：White Frequency Modulation）噪音的斜率與偏移頻率的 2 次方呈反比，主要表示電路側(cè) 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(lái)自發(fā)出振蕩側(cè)（電路側(cè)）的噪音影響。

5)白相位調(diào)制（(WPM：White Phase Modulation）噪音的斜率保持一定且與偏移頻率無(wú)關(guān)，主要表示來(lái)自電路的噪音部品的熱噪音類）和振蕩信號(hào)的 S/N 比的影響。

如上所述，相位噪音特性的斜率可分為兩大類：RWFM 和 FFM 噪音受波源影響；WFM、FPM 和 WPM 噪音受電路影響。

【根據(jù)相位噪音特性計(jì)算相位抖動(dòng)的方法】

在以前發(fā)表的技術(shù)說(shuō)明《抖動(dòng)與相位噪音》中亦曾介紹過(guò)，相位抖動(dòng)可通過(guò)相位噪音特性的特定偏移頻率范圍的積分求出。通信系統(tǒng)性能取決于通信環(huán)路帶寬中的相位抖動(dòng)量，現(xiàn)在已把許多通信系統(tǒng)通信環(huán)路帶寬中的 12k-20MHz 的相位抖動(dòng)量（SONET/SDH 的標(biāo)準(zhǔn)）作為相位抖動(dòng)的重要指標(biāo)之一。

圖 3 表示相位噪音特性與相位抖動(dòng)的關(guān)系。

總體抖動(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(lái)表示。具有類似圖 3 所示的相位噪音特性的系統(tǒng)中，相位抖動(dòng)總量相當(dāng)于通信環(huán)路帶寬中的 12k-20MHz 部分（圖 3 中灰蘭色部分）的積分值（RJ）與失真的積分值（DJ）的總和。

圖 3：相位噪音與相位抖動(dòng)的關(guān)系

【因振蕩器結(jié)構(gòu)而造成的不同相位噪音特性】

為了有助于理解因振蕩器結(jié)構(gòu)而造成的相位噪音特性差異，在此將以圖 1 中介紹的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，說(shuō)明三種振蕩器的相位噪音特性傾向，這三種振蕩器分別是以石英晶體單元為波源的基波振蕩器、以硅諧振器為波源使用鎖相環(huán)電路的 Si-MEMS 振蕩器及以 LC諧振單元為波源的介質(zhì)等壓控振蕩器。圖 4 表示作為波源的石英、硅諧振器和 LC 諧振單元各自所具有的相位噪音特性。首先載波周圍低頻側(cè)的曲線斜率不同的主要原因在于波源的 Q 值。特別是 Q 值高的石英在偏離頻率為約 100kHz 為止的范圍內(nèi)具有相位噪音低的特性；而 LC 諧振單元的 Q 值極低，只有幾十左右，在載波周圍低頻側(cè)的相位噪音特性呈惡化傾向。與此相對(duì)照，斜率的高頻側(cè)與波源無(wú)關(guān)，主要受電路所產(chǎn)生的噪音等的影響。因此，如果信號(hào)成分大于噪音成分，本底噪音則顯示出更低的傾向。尤其突出的是，LC 諧振單元的輸出振幅越大信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，所以在高頻側(cè)具有相位噪音變小的特點(diǎn)。與此相比，硅諧振器所受功率有限而導(dǎo)致輸出振幅小、信號(hào)強(qiáng)度弱，因此在高頻側(cè)與石英和 LC 諧振單元相比較為不利。當(dāng)然，也可以采用增大電流的方法提高信號(hào)強(qiáng)度并降低本底噪音，以此減少高頻側(cè)的相位噪音。這種情況下，需要在相位噪音的改良與維持低耗電量之間做出權(quán)衡。

圖 4：波源所具有的相位噪音示意圖

(右上方的振蕩器程序塊中用綠色、紅色和藍(lán)色圓圈圍起部分的相位噪音特性示意)

以上，我們說(shuō)明了有關(guān)波源的相位噪音特性。就其中的硅諧振器而言，硅晶體本身所具有的溫度特性的變化量大，構(gòu)成振蕩器時(shí)必須對(duì)其溫度依存性進(jìn)行補(bǔ)償以確保穩(wěn)定性。為此，經(jīng)常使用鎖相環(huán)電路作為補(bǔ)償電路。在此，用圖 5 說(shuō)明以硅諧振器為波源經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)電路后的相位噪音特性。

圖 5：鎖相環(huán)電路的相位噪音特性示意（左）與因振蕩器結(jié)構(gòu)而引起的相位噪音特性傾向（右）

如圖 5 左所示，使用鎖相環(huán)電路振蕩器的相位噪音曲線的一部分將變大。鎖相環(huán)電路原理是鎖定壓控振蕩器（以下稱為“VCO”）發(fā)出的波源后輸出倍頻，因此使用鎖相環(huán)電路的相位噪音特性受 VCO 和鎖相環(huán)電路的兩項(xiàng)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，并將顯示在鎖相環(huán)電路的高頻領(lǐng)域，所以出現(xiàn)上述特性。而且，頻率倍增數(shù)也將改變低頻的相位噪音水平，所以倍數(shù)越大相位噪音特性越差，因鎖相環(huán)電路和倍增而產(chǎn)生的失真亦將導(dǎo)致相位噪音特性的惡化。同時(shí),高頻側(cè)的特性取決于電路的輸出振幅，與波源無(wú)關(guān)均將保持一定。

最后，用圖 5 右匯總以石英晶體單元為波源的基波振蕩器、以硅諧振器為波源使用鎖相環(huán)電路的 Si-MEMS 振蕩器及以 LC 諧振單元為波源的介質(zhì)等壓控振蕩器所輸出的相位噪音特性傾向。

【從相位噪音特性得出的高速通信系統(tǒng)所需振蕩器結(jié)構(gòu)】

以上篇幅中說(shuō)明了相位噪音特性隨振蕩器結(jié)構(gòu)不同而變化。設(shè)計(jì)人員進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之際，在決定所使用的電子部件、基板布局和設(shè)計(jì)專用集成電路時(shí)，應(yīng)先決定是側(cè)重于載波周圍低頻側(cè)的噪音特性（圖 6 左），還是側(cè)重于 SONET/SDH 所示的通信環(huán)路帶寬中的 12k-20MHz 的相位抖動(dòng)量（圖 6 右）。由于 Si-MEMS 振蕩器具有的鎖相環(huán)電路致使相位噪音曲線的一部分變大以及產(chǎn)生失真的問(wèn)題，而介質(zhì)等壓控振蕩器有頻率不穩(wěn)定的問(wèn)題，因此我們認(rèn)為在高速通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中不應(yīng)當(dāng)使用這些風(fēng)險(xiǎn)較大的產(chǎn)品。以石英晶體單元為波源的基波振蕩器具有低相位抖動(dòng)特性且頻率穩(wěn)定，更適于在通信系統(tǒng)中使用。

圖 6：載波周圍低頻側(cè)特性（左）與高頻側(cè)（右）本底噪音特性的比較

愛(ài)普生的振蕩器產(chǎn)品以石英晶體單元為波源，在載波周圍低頻至本底噪音高頻的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的相位噪音特性，以基波起振的電路組成也相對(duì)簡(jiǎn)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統(tǒng)中，我們相信，以石英晶體單元為波源的基波振蕩器將成為通信系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵部件。愛(ài)普生今后亦將不斷開(kāi)發(fā)擁有顧客所追求的性能的產(chǎn)品，滿足顧客需求。