源于振蕩器結構的相位噪音特性的解說

【序文】

高速數據通信中處理的信號按照通信協議需要具備誤碼率等信號品質性能。誤碼率（以下簡稱為“BER”）是指進行收發信之際，收信方接收數據中的誤碼數除以發出的數據總字節數得出的錯誤率。因此，系統設計人員需要通過專用集成電路的設計、基板布局的設計以及變更部品等防止信號品質下降。為了使信號保持高品質，基準信號源自身所具有的噪音及抖動性能是重要的參數。為此，我們在上次的技術說明中介紹了基于通信設備所需的信號品質而要求振蕩器具備的關鍵規格，并介紹了根據市場中銷售的振蕩器結構及特征而適用于通信設備的愛普生產品。本次將詳細解說市場中銷售的振蕩器因結構差異而產生的不同相位噪音特性。

【市場中銷售的振蕩器（基準信號源）的結構與特征】

圖 1 表示市場中銷售的振蕩器的結構（類型），表 1 表示其特征。

表 1：振蕩器的結構與特征

如特征欄所示，振蕩器的結構不同造成其特性各有差異。本次從極大影響通信系統信號品質的噪音和抖動的角度，詳細說明基波振蕩器、鎖相環振蕩器以及介質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，在此簡單說明。

1)隨機游動頻率調制（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（相位變化轉換為頻率變化）的影響。

2)閃爍頻率調制（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）噪音的斜率與偏移頻率的 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蕩側（電路側）的噪音影響。

5)白相位調制（(WPM：White Phase Modulation）噪音的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部品的熱噪音類）和振蕩信號的 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。

【根據相位噪音特性計算相位抖動的方法】

在以前發表的技術說明《抖動與相位噪音》中亦曾介紹過，相位抖動可通過相位噪音特性的特定偏移頻率范圍的積分求出。通信系統性能取決于通信環路帶寬中的相位抖動量，現在已把許多通信系統通信環路帶寬中的 12k-20MHz 的相位抖動量（SONET/SDH 的標準）作為相位抖動的重要指標之一。

圖 3 表示相位噪音特性與相位抖動的關系。

總體抖動 TJ（Total Jitter）用確定性抖動 DJ（Deterministic Jitter）與隨機抖動 RJ（Random Jitter）之和來表示。具有類似圖 3 所示的相位噪音特性的系統中，相位抖動總量相當于通信環路帶寬中的 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的關系

【因振蕩器結構而造成的不同相位噪音特性】

為了有助于理解因振蕩器結構而造成的相位噪音特性差異，在此將以圖 1 中介紹的結構為基礎，說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電路的 Si-MEMS 振蕩器及以 LC諧振單元為波源的介質等壓控振蕩器。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，硅諧振器所受功率有限而導致輸出振幅小、信號強度弱，因此在高頻側與石英和 LC 諧振單元相比較為不利。當然，也可以采用增大電流的方法提高信號強度并降低本底噪音，以此減少高頻側的相位噪音。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、紅色和藍色圓圈圍起部分的相位噪音特性示意)

以上，我們說明了有關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，構成振蕩器時必須對其溫度依存性進行補償以確保穩定性。為此，經常使用鎖相環電路作為補償電路。在此，用圖 5 說明以硅諧振器為波源經過鎖相環電路后的相位噪音特性。

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

如圖 5 左所示，使用鎖相環電路振蕩器的相位噪音曲線的一部分將變大。鎖相環電路原理是鎖定壓控振蕩器（以下稱為“VCO”）發出的波源后輸出倍頻，因此使用鎖相環電路的相位噪音特性受 VCO 和鎖相環電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，并將顯示在鎖相環電路的高頻領域，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，因鎖相環電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,高頻側的特性取決于電路的輸出振幅，與波源無關均將保持一定。

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電路的 Si-MEMS 振蕩器及以 LC 諧振單元為波源的介質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所需振蕩器結構】

以上篇幅中說明了相位噪音特性隨振蕩器結構不同而變化。設計人員進行系統設計之際，在決定所使用的電子部件、基板布局和設計專用集成電路時，應先決定是側重于載波周圍低頻側的噪音特性（圖 6 左），還是側重于 SONET/SDH 所示的通信環路帶寬中的 12k-20MHz 的相位抖動量（圖 6 右）。由于 Si-MEMS 振蕩器具有的鎖相環電路致使相位噪音曲線的一部分變大以及產生失真的問題，而介質等壓控振蕩器有頻率不穩定的問題，因此我們認為在高速通信系統的設計中不應當使用這些風險較大的產品。以石英晶體單元為波源的基波振蕩器具有低相位抖動特性且頻率穩定，更適于在通信系統中使用。

圖 6：載波周圍低頻側特性（左）與高頻側（右）本底噪音特性的比較

愛普生的振蕩器產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保持穩定的相位噪音特性，以基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統中，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中不可或缺的關鍵部件。愛普生今后亦將不斷開發擁有顧客所追求的性能的產品，滿足顧客需求。