| ---數(shù)字時(shí)鐘性能最重要的技術(shù)指標(biāo)之一就是準(zhǔn)確度,它通常以 PPM（×10-6） 為標(biāo)準(zhǔn)來衡量。準(zhǔn)確度在通信系統(tǒng)中至關(guān)重要,而不同的通信技術(shù)則要求其時(shí)鐘源具備不同級(jí)別的準(zhǔn)確度。計(jì)時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度不僅取決于時(shí)鐘源晶體特性,而且還取決于從源參考生成頻率的數(shù)字 PLL 時(shí)鐘發(fā)生器的配置與技術(shù)。目前可用的時(shí)鐘發(fā)生器技術(shù)很多,可提供不同級(jí)別的準(zhǔn)確度以滿足幾乎所有應(yīng)用的需要。高效使用上述技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確度,并減少所需的高準(zhǔn)確度與精確晶體的數(shù)量。 準(zhǔn)確度 (Accuracy) 與精確度 (Precision)
 ---時(shí)鐘準(zhǔn)確度的定義為：時(shí)鐘頻率與理想時(shí)鐘頻率的吻合度。這與精確度不同,精確度的定義為時(shí)鐘頻率在各單元之間、各年度之間以及不同溫度范圍上的一致性如何。如圖 1 所示,這兩個(gè)概念是不相關(guān)的,箭頭平均位置到靶中心的距離衡量的是準(zhǔn)確度;箭頭之間的平均距離衡量的是精確度。如果我們的目標(biāo)是盡量射中靶心,那么就應(yīng)做到既準(zhǔn)確又精確。精確度要求測量多個(gè)單位,而準(zhǔn)確度只要求測量一個(gè)單位。因此,我們可用準(zhǔn)確度方便地判斷其是否達(dá)標(biāo)。
---如果系統(tǒng)某元素需要與外部世界的某元素相對(duì)應(yīng),那么準(zhǔn)確度就是最重要的,最好的例子就是串行通信。準(zhǔn)確度在串行通信中至關(guān)重要,因?yàn)橄到y(tǒng)要求輸入在一定的速率范圍內(nèi)的位流,如果位計(jì)時(shí)超出了這個(gè)范圍,那么接收電路可能將無法鎖定輸入流,這就會(huì)導(dǎo)致通信誤差。管理數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)緩沖也需要準(zhǔn)確度,如果數(shù)據(jù)到達(dá)的速度快于系統(tǒng)可處理的速度,那么就必須進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖;經(jīng)過一定時(shí)間,如果數(shù)據(jù)流恒定而且速率不匹配一直繼續(xù),那么緩沖區(qū)就會(huì)填滿,從而造成緩沖區(qū)溢出與數(shù)據(jù)丟失。接收機(jī)必須通過數(shù)據(jù)流控制（向發(fā)送器發(fā)出信號(hào)要求其減速）或占用數(shù)據(jù)流中的所有空余空間（如以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)包之間的間隙或光纖通道與 DVD-ASI 中的逗號(hào)字符）進(jìn)行補(bǔ)償。如果輸入速率低于預(yù)期速率而接收機(jī)需要恒定的數(shù)據(jù)流的話,那么也會(huì)出現(xiàn)緩沖區(qū)不足的情況。這就會(huì)使數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)間隙,從而使音頻流與視頻流等應(yīng)用出現(xiàn)問題。
---準(zhǔn)確度與抖動(dòng)
 ---抖動(dòng)與準(zhǔn)確度常常彼此混淆,不過它們是完全不同的計(jì)時(shí)系統(tǒng)特性。抖動(dòng)是指時(shí)鐘平均周期與測量得出的各個(gè)時(shí)鐘周期間的差異。盡管每個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)由于抖動(dòng)而有所變化,但抖動(dòng)的時(shí)鐘仍趨近于其平均周期。從圖 1 給出的箭靶例子中,平均周期就好比是箭頭的平均位置。我們用平均周期來與理想的系統(tǒng)周期進(jìn)行對(duì)比以測量準(zhǔn)確度。因此,準(zhǔn)確度計(jì)算與抖動(dòng)分析無關(guān)。圖 2 是一個(gè)直方圖,顯示了如何評(píng)估發(fā)生高斯隨機(jī)抖動(dòng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確度。
---晶體特性
---晶體特性既影響準(zhǔn)確度,又影響精確度,晶體影響準(zhǔn)確度與精確度的三個(gè)主要參數(shù)為容差、老化與溫度。容差衡量的是不同生產(chǎn)批量間晶體理想頻率與晶體實(shí)際頻率之間的最大差值。經(jīng)過一定時(shí)間后,其他條件保持不變的情況下,晶體的頻率會(huì)發(fā)生改變--這稱為老化。晶體頻率也會(huì)隨溫度變化而略微改變。上述因素綜合決定著某個(gè)晶體與其理想頻率值或其他晶體頻率的偏移程度。 時(shí)鐘發(fā)生器與準(zhǔn)確度
 ---帶有數(shù)字 PLL 的時(shí)鐘發(fā)生器是從參考晶體生成時(shí)鐘的方便方法。這此器件可從單晶體生成數(shù)個(gè)不同的時(shí)鐘頻率,或從容易獲得的標(biāo)準(zhǔn)晶體生成“獨(dú)特的”或非標(biāo)準(zhǔn)頻率。在所有情況下,這些器件都會(huì)用反饋閉環(huán)路與一些分壓器跟蹤輸入?yún)⒖?如圖 3 所示。參考輸入頻率除以一個(gè)值 Q,這就得到一個(gè)信號(hào),它與壓控振蕩器 (VCO) 輸出除以P值所得的結(jié)果進(jìn)行比較。P 與 Q 的設(shè)置使得鑒相器從兩個(gè)分壓器看到的頻率相同 (FREF/Q = FVCO/P)。鑒相器調(diào)節(jié) VCO 的輸入電壓,直到兩個(gè)分壓器輸出達(dá)到相位與頻率匹配,并使其保持匹配。
---由于 VCO 輸出跟蹤參考輸入,因此輸出的精確度與參考輸入的精確度相同。這就是說,如果參考輸入隨溫度或時(shí)間發(fā)生變化,那么時(shí)鐘發(fā)生器的輸出也會(huì)隨之變化。這種屬性具有一個(gè)重要的好處,如果設(shè)計(jì)中最精確的參考用作時(shí)鐘發(fā)生器的輸入,那么時(shí)鐘發(fā)生器的所有其他輸出無需額外成本就都能獲得精確參考的精確度！不過,時(shí)鐘發(fā)生器可能會(huì)添加一個(gè)固定的準(zhǔn)確度誤差,這取決于 P 與 Q 計(jì)數(shù)的數(shù)字寬度以及參考輸入頻率與 VCO 頻率之間的關(guān)系。大多數(shù)時(shí)間內(nèi),時(shí)鐘發(fā)生器都能生成準(zhǔn)確率誤差為零的輸出,但有時(shí)則會(huì)添加少量的誤差。
---例如,對(duì)于 7 位 Q 分壓器與 8 位 P 分壓器而言,為了以 13.5 MHz 的輸入獲得 83.3330 MHz 的輸出,最好的做法就是讓 P = 179、Q = 29。由于 FREF/Q = FVCO/P（鑒相器頻率）,因此 FVCO 的計(jì)算方程式為 FVCO = P/Q × FREF。這里,FVCO = (179/29) 13.5 MHz = 83.327586 MHz。這就是說,VCO 頻率將為 5.414 kHz,比理想的頻率低 65 PPM。這對(duì)用作時(shí)鐘源的晶體的容差、溫度與老化而言會(huì)增加誤差。
---如果我們將P分壓器的精度 (resolution) 增加為 9 位,那么會(huì)發(fā)生什么情況呢？這使我們能夠使用更好的解決方案,這時(shí) P = 500、Q = 81�，F(xiàn)在,FVCO = 500/81 × 13.5 MHz = 83.333333 MHz,這樣就得到333 Hz,比理想頻率高出4×10-6,比此前情況下的-65 PPM 準(zhǔn)確度要高得多。
---那么,我們?nèi)绾斡?jì)算特定晶體時(shí)鐘發(fā)生器輸出的最大與最小頻率呢？如果時(shí)鐘發(fā)生器準(zhǔn)確度誤差為+4×10-6,那么需要增加晶體容差、老化以及溫度特性。例如,晶體容差為+/- 30×10-6,隨溫度變化的改變幅度在 +/- 50×10-6 之內(nèi),每年最大偏移在 +/- 5×10-6 之內(nèi)。這樣,這種晶體三年之后時(shí)鐘發(fā)生器的輸出頻率就會(huì)高達(dá) + 4 + 30 + 50 + 3×5 = +99×10-6或低至 + 4- 30- 50 -3×5=-91×10-6。因此,如果我們要求變化保持在 +/- 100 ×10-6之內(nèi)的話,那么這種時(shí)鐘發(fā)生器配置的晶體比較合理的設(shè)計(jì)使用壽命就是三年。 分?jǐn)?shù) N
---有一種時(shí)鐘發(fā)生器技術(shù)稱作分?jǐn)?shù) N,它可進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度。上一節(jié)中我們提到的一種計(jì)算 P 與 Q 的解決方案產(chǎn)生負(fù)值頻率誤差 (-65×10-6),另一種方案又會(huì)產(chǎn)生正值誤差 (+4×10-6)。如果對(duì) P 與 Q 的值進(jìn)行動(dòng)態(tài)更改,那么就能有效創(chuàng)建分?jǐn)?shù)形式的 P 與 Q,這就使我們能夠幾乎無限地提高準(zhǔn)確度。更改必須很快,這樣 PLL 環(huán)路濾波器才能得出兩個(gè)輸出頻率的平均值。通過使用此前兩種解決方案,我們可以找到這樣一種占空比,我們可以在一定百分比的時(shí)間中采用-65×10-6的配置,而在其他時(shí)間采用 4×10-6的配置,這樣平均值就接近于 0×10-6。f(4)+(1-f)(-65)=0,則f=0.942,因此,如果 94% 的時(shí)間中采用 +4×10-6的值,而 6% 的時(shí)間中采用-65×10-6 的值,那么準(zhǔn)確度的誤差就可降至極低的-0.14×10-6。如果提高占空比的精度（即取 942‰,而不是 94%）,那么還可進(jìn)一步降低準(zhǔn)確度誤差。 VCXO
 ---影響通信系統(tǒng)時(shí)鐘準(zhǔn)確度的另一種技術(shù)是壓控晶體振蕩器 (VCXO)。這種方法是通過改變晶體振蕩器電路的電容將晶體的振蕩頻率在正向或負(fù)向上拉動(dòng)幾百 PPM,這種拉動(dòng)通常采用 VCXO 上的模擬控制電壓輸入完成,但也可通過一些時(shí)鐘發(fā)生器的串行接口以數(shù)字形式完成。在基于 VCXO 的時(shí)鐘系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)在外部實(shí)施了一個(gè)控制環(huán)路,檢測所接收時(shí)鐘與本地時(shí)鐘之間的頻率與/或相位差,并用 VCXO 調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘,直到頻率與相位匹配為止。這會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜一些,但對(duì)準(zhǔn)確度與精確度都至關(guān)重要的某些應(yīng)用而言是必需的。由于 VCXO 可跟蹤數(shù)據(jù)流而不會(huì)發(fā)生準(zhǔn)確度誤差,因此使用 VCXO 可避免緩沖區(qū)溢出或欠載運(yùn)行的情況,這就不再需要數(shù)據(jù)流間隙和/或數(shù)據(jù)流控制的開銷。圖 4 顯示了通信系統(tǒng)中 VCXO 的連接方式。
---由于 VCXO 的輸出時(shí)鐘鎖定于用于生成傳輸數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程時(shí)鐘,因此輸出時(shí)鐘采用遠(yuǎn)程時(shí)鐘的準(zhǔn)確度與精確度特性�；� VCXO 的時(shí)鐘發(fā)生器可包括數(shù)字 PLL,其可用鎖定的晶體頻率為參考生成其他不相關(guān)的頻率。因此,電路板上的所有時(shí)鐘都可生成,以匹配遠(yuǎn)程發(fā)送器的容差、溫度和老化特性。在無線電、線纜與衛(wèi)星等廣播類型應(yīng)用中,接收機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于發(fā)送器,那么我們就可在發(fā)送器處使用高度準(zhǔn)確、精確而較昂貴的晶體,這就為所有接收機(jī)設(shè)備提供了一個(gè)與發(fā)送器時(shí)鐘的高精確度與準(zhǔn)確度相匹配的時(shí)鐘源,而接收端只需要便宜的晶體作為參考即可。 結(jié)論
---時(shí)鐘準(zhǔn)確度對(duì)各種通信系統(tǒng)的性能都至關(guān)重要。數(shù)字 PLL、分?jǐn)?shù) N 以及 VCXO 等時(shí)鐘發(fā)生器技術(shù)可配合晶體發(fā)揮作用,提供創(chuàng)建可靠的通信連接所必需的準(zhǔn)確度。如果我們?cè)谙到y(tǒng)中使用最準(zhǔn)確的晶體或使用鎖定的 VCXO 作為系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的參考,那么就能提高系統(tǒng)其他部分的精確度與準(zhǔn)確度,同時(shí)還能降低額外的高準(zhǔn)確度、高精確度晶體的數(shù)量與成本。如果我們了解了晶體與時(shí)鐘發(fā)生器如何配合工作實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度與精確度,那么對(duì)開發(fā)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理計(jì)時(shí)解決方案就會(huì)大有裨益。 |
