Warum werden 25 MHz und deren Vielfache als Frequenzen für Netzwerkgeräte gewählt?

In Netzwerkgeräten wie Netzwerkkarten (NICs), Switches, Routern und Ethernet-Komponenten basiert die Auswahl der Quarzfrequenzen auf der Kernfunktionalität des Geräts, den Chip-Anforderungen und den Kommunikikationsprotokollstandards.
Die Verwendung von 25 MHz und deren Vielfachen ist vor allem darauf zurückzuführen, dass dieses Frequenzsystem eng mit Ethernet-Standards, Kommunikationsprotokollen und Chip-Architekturen abgestimmt ist, was zu vereinfachtem Design, geringeren Kosten und verbesserter Leistung führt. Im Folgenden wird dieses Thema detailliert erläutert:

 

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I. Warum wird 25 MHz als Basisfrequenz gewählt?

25 MHz ist kein willkürlich gewählter Wert. Diese Frequenz wird häufig verwendet, weil sie in einem ganzzahligen Verhältnis zu einigen Kernfrequenzen der Netzwerkommunikation steht, was ihre Verwendung für Frequenzvervielfachung oder -teilung erleichtert.

Erfüllung der Ethernet-Standardfrequenzanforderungen

·Fast Ethernet (100BASE-TX): Verwendet einen 25 MHz-Takt als Datenübertragungsfrequenz.

·Gigabit-Ethernet (1000BASE-T): Verwendet einen 125 MHz-Takt, also 25 MHz × 5.

·10GbE (10 Gigabit Ethernet) und höher: Obwohl die Haupttaktfrequenz höher ist (z. B. 156,25 MHz), kann sie in der Regel über einen PLL aus einem 25 MHz-Quarzoszillator abgeleitet werden.

Dies zeigt, dass 25 MHz als grundlegende Taktfrequenz die Betriebsfrequenzen der PHY-/MAC-Schichten für gängige Ethernet-Geschwindigkeiten direkt oder indirekt unterstützen kann.

 

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II. Vorteile bei der technischen Implementierung

1.Einfache Frequenzvervielfachung mit PLL

Netwerkchips (wie PHY, MAC und Switch-Chips) verwenden oft intern Phase-Locked Loop (PLL)-Schaltungen, um die benötigten Betriebstaktfrequenzen zu erzeugen. 25 MHz ist eine moderate Eingangsfrequenz, die effizient gängige Hochgeschwindigkeitsfrequenzen erzeugen kann, wie:

·25 MHz × 2 = 50 MHz

·25 MHz × 4 = 100 MHz

·25 MHz × 5 = 125 MHz

·25 MHz × 6,25 = 156,25 MHz (verwendet für 10GbE)

Da 25 MHz eine Basisfrequenz mit leicht berechenbaren niedrigen ganzzahligen Vielfachen ist, vereinfacht dies den PLL-Entwurf, ermöglicht eine schnellere Synchronisation und gewährleistet eine stabilere Ausgabe.

 

2.Kompatibilität mit Mainstream-Chip-Anforderungen

Die meisten Hersteller von Netzwerkgeräte-Chips (z. B. Broadcom, Realtek, Marvell, Intel) unterstützen ausdrücklich den 25 MHz-Quarzeingang in ihren PHY- oder MAC-Takteingangsanforderungen oder bieten Betriebsmodi, die mit einem 25 MHz-Eingang kompatibel sind.

 

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III. Vorteile bei EMC, Schaltungsdesign und Kosten

1.Bessere EMI-Kontrolle und Signalintegrität

Im Vergleich zu Quarzoszillatoren mit höheren Frequenzen (z. B. 50 MHz, 100 MHz, 125 MHz, 150 MHz und 200 MHz) bietet 25 MHz erhebliche Vorteile bei der Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI):

·Eine niedrigere Grundfrequenz führt zu geringerer harmonischer Störung.

·Die PCB-Leiterführung erfüllt leichter die EMI-Designspezifikationen.

·Geringere Anforderungen an Gehäuse- und Stromintegrität erleichtern die Systemintegration.

 

2.Ausgereifte, stabile und kostengünstige Quarzoszillatoren

25 MHz-Quarzoszillatoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Frequenzen in der Elektronikindustrie und bieten folgende Vorteile:

·Zahlreiche verfügbare Standardprodukte in großer Vielfalt.

·Geringe Herstellungskosten und erschwingliche Beschaffungspreise.

·Ausgereifte Lieferkette, kurze Lieferzeiten und stabile Qualität.

Dies ist besonders attraktiv für Hersteller von Netzwerkgeräten in der Großserienproduktion.

 

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IV. Anwendungsbeispiele aus der Praxis

Am Beispiel eines Gigabit-Ethernet-Switches:

·Der Hauptsteuerungschip benötigt eine 125 MHz-Betriebsfrequenzeingabe.

·Im Design kann ein 25 MHz-Quarz verwendet werden, der über den internen PLL des Chips auf 125 MHz vervielfacht wird.

·Gleichzeitig kann der 25 MHz-Takt über einen Taktbaum an andere Module wie PHY, MAC oder Taktsynchronisationsmodule verteilt werden.

·So wird eine einheitliche Taktquelle erreicht, die Taktarchitektur vereinfacht und Systemkomplexität und Kosten reduziert.

 

 

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Zusammenfassung

Die Verwendung von 25 MHz und deren Vielfachen in Netzwerkgeräten lässt sich auf folgende Gründe zurückführen:

Kategorie	Spezifische Erklärung
Protokollkompatibilität	Erfüllt die für Ethernet-Standards (100M / 1G / 10G) erforderlichen Frequenzvielfachen.
Design-Vorteile	Ermöglicht einfache Erzeugung von Hochgeschwindigkeitstakten über PLL, vereinfacht Schaltungsdesign.
Signalintegrität	Geringe EMI, erleichtert die Einhaltung der电磁兼容性 (EMV)-Anforderungen.
Kosteneffizienz	Ausgereifte Lieferkette, niedrige Kosten und stabile Leistung.
Chip-Kompatibilität	Die meisten PHY/MAC-Chips unterstützen 25 MHz-Quarzeingang.

 

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