MEMS晶振是5G設(shè)備重要的時(shí)序時(shí)鐘源
來源：http://cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2019年06月21
現(xiàn)在5G已經(jīng)是一個(gè)很熱門的關(guān)鍵詞了,但是你真的了解什么是5G嗎?簡單的說,5G就是第5代通信協(xié)議,它比我們現(xiàn)在用的4G網(wǎng)速要高很多倍,是造福全社會(huì)的技術(shù),目前中國的5G技術(shù)遙遙領(lǐng)先,是全球最大的5G基站及其他設(shè)備的出口國.相關(guān)的行業(yè)也在蠢蠢欲動(dòng),力求能拿到5G大單,帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì),MEMS晶振是一種可編程,靈活性高,性能好,品質(zhì)高,成本低的頻率元件,已經(jīng)被列入到5G方案中.
如果您參與了蜂窩技術(shù)的設(shè)計(jì),您就會(huì)知道復(fù)雜性是什么樣的.協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)像許多搖擺不定的構(gòu)建塊一樣堆疊在一起.它一起工作是對(duì)細(xì)致的規(guī)格,精心設(shè)計(jì)和細(xì)致時(shí)機(jī)的證明.今天,5G風(fēng)靡一時(shí),而這一次也沒有什么不同-實(shí)際上,它會(huì)變得更加強(qiáng)硬.與前幾代產(chǎn)品相比,5G有望成為更多應(yīng)用的首選解決方案.因此,期望很高-這意味著,為了實(shí)現(xiàn)5G的承諾,必須仔細(xì)規(guī)劃和實(shí)施規(guī)格,設(shè)計(jì)和時(shí)間安排.
5G全是關(guān)于更加強(qiáng)硬的時(shí)機(jī):
由于多種原因,5G技術(shù)將對(duì)時(shí)序解決方案施加的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過過去.
•更高的頻率意味著更短的時(shí)間-更多的工作必須在更短的時(shí)間內(nèi)完成.
•將更加謹(jǐn)慎地使用帶寬;渠道將更緊張.這意味著可以容忍更少的時(shí)間斜率.
•較高的晶振頻率意味著較短的距離和較少的轉(zhuǎn)彎能力.這意味著更多的無線電,每個(gè)無線電覆蓋更小的區(qū)域.對(duì)于每個(gè)當(dāng)前的4G無線電,預(yù)計(jì)大約10或20個(gè)5G無線電的數(shù)量級(jí).
問題是:130納秒的無線電對(duì)無線電延遲預(yù)算.這就分解成兩個(gè)無線電之間每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)10ns的預(yù)算.就透視而言,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定時(shí)精度為15納秒(99.7%的時(shí)間).這意味著更少的信道間干擾,有助于更好地使用帶寬.你可能認(rèn)為這沒什么大不了的——至少在名義條件下是這樣——但試著讓這個(gè)時(shí)機(jī)在所有條件下都保持不變.
保持所有這一切順利進(jìn)行所需的時(shí)間將給計(jì)時(shí)源帶來難以置信的負(fù)擔(dān).對(duì)于本地定時(shí),它需要MEMS時(shí)鐘的準(zhǔn)確性,穩(wěn)定性和可靠性.
網(wǎng)絡(luò)時(shí)間源:
5G系統(tǒng)中將有三個(gè)時(shí)序源.主要來源是網(wǎng)絡(luò)本身,使用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)接收定時(shí),以及通過以太網(wǎng)同步定時(shí)的SyncE頻率.但是,如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障,那么就無法從網(wǎng)絡(luò)中獲取時(shí)間.備份是GNSS,每秒提供一個(gè)脈沖.不是非常精確,但有用.但是如果你的設(shè)備沒有強(qiáng)大的GNSS信號(hào)呢？您需要留出時(shí)間,直到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)或您的設(shè)備也會(huì)停機(jī).
因此,一個(gè)非常重要的角色是保持時(shí)鐘：一個(gè)本地派生的時(shí)鐘,一直持續(xù)到主時(shí)鐘返回源.它就像一個(gè)飛輪,即使在沒有被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的情況下也能以恒定的速度旋轉(zhuǎn).這要求一個(gè)非常穩(wěn)定的時(shí)鐘源,沒有“活動(dòng)下降”和石英晶體振蕩器表現(xiàn)出突然的頻率跳躍.
保持時(shí)鐘必須保持多長時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商;沒有標(biāo)準(zhǔn).在邊緣設(shè)備附近,保持時(shí)鐘應(yīng)在2或4小時(shí)內(nèi)漂移不超過1μs.同時(shí),靠近后端,時(shí)鐘在8或12或24小時(shí)內(nèi)不應(yīng)漂移超過1μs.特定持續(xù)時(shí)間由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商選擇.例如,您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在印度,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要更嚴(yán)格的規(guī)范-特別是因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施的其他部分不夠強(qiáng)大.
圖1.網(wǎng)絡(luò)同步器選擇三個(gè)定時(shí)源之一,在切換期間沒有相位跳變.
當(dāng)然,你不能只有一個(gè)簡單的開關(guān)來選擇這些來源.因?yàn)樗鼈儽舜送耆?dú)立,所以它們不是相位對(duì)齊的.如果你只是從一個(gè)切換到另一個(gè),你會(huì)得到相位跳躍,可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的下游問題.因此,網(wǎng)絡(luò)同步器負(fù)責(zé)執(zhí)行“隱藏”切換-在輸出時(shí)鐘信號(hào)的相位中選擇沒有中斷的源.
是什么讓時(shí)機(jī)變得艱難？
采取已經(jīng)緊張的4G時(shí)序,使其更緊湊,然后將設(shè)備放置在以前沒有的苛刻地點(diǎn).簡而言之,這就是5G,它為任何本地時(shí)鐘源帶來了許多挑戰(zhàn).
振動(dòng):
第一個(gè)問題是振動(dòng).在更多的地方有更多的無線電-比如在公路旁邊的電線桿上-你將在惡劣的環(huán)境中擁有更多的設(shè)備.想象一下,當(dāng)一輛重型卡車駛過并晃動(dòng)附近的一切時(shí).定時(shí)源必須不受這種振動(dòng)的影響.有源晶振很容易發(fā)出嘎嘎聲,并且只要振動(dòng)持續(xù),它們就會(huì)超出規(guī)格.這可能是附近長貨運(yùn)列車的幾分鐘,或者在刮風(fēng)的日子甚至更長.相比之下,MEMS振蕩器不會(huì)因振動(dòng)而超出規(guī)格.
圖2.溫補(bǔ)晶振對(duì)熱,氣流和快速溫度變化敏感,表現(xiàn)出顯著的頻率變化,而MEMS TCXO在這些條件下非常穩(wěn)定.
快速溫度變化:
好像它不足以在熾熱的太陽和寒冷的條件下操作,你可以在發(fā)生快速溫度變化的情況下使條件變得更加困難.例如,如果你曾經(jīng)在西南地區(qū),那里碰撞的前鋒和一股移動(dòng)的噴射流將冷熱氣團(tuán)聚集在一起,環(huán)境溫度可以在幾分鐘內(nèi)改變20°C.這會(huì)對(duì)時(shí)鐘源造成進(jìn)一步的壓力,因?yàn)楫?dāng)溫度升高或降溫時(shí),它會(huì)暴露在急劇的溫度梯度中.Quartz很難處理快速的溫度變化.頻率可以跳過數(shù)百ppb(十億分之一),超出規(guī)格,然后花費(fèi)幾分鐘來恢復(fù)所需的頻率.相比之下,MEMS定時(shí)裝置可以保持穩(wěn)定.
5G時(shí)序需要MEMS振蕩器:
采用5G設(shè)計(jì),時(shí)序比以往任何時(shí)候都重要.如果沒有嚴(yán)密,精確的時(shí)鐘源,5G的承諾將只會(huì)如此大肆宣傳.MEMS振蕩器的炒作變?yōu)楝F(xiàn)實(shí);這是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商如何確保他們的網(wǎng)絡(luò)不會(huì)由于計(jì)時(shí)功能而下降的原因.來自SiTime晶振等公司的MEMS振蕩器可以在5G設(shè)備將要接觸的各種條件下不受干擾地運(yùn)行.與石英相比,MEMS振蕩器：
•溫度額定值高達(dá)125°C
•具有10倍的石英抗振性
•不會(huì)出現(xiàn)微相跳躍,減少掉線次數(shù)
•具有100倍的石英可靠性,最大限度地減少了卡車運(yùn)輸(例如,SiTime在超過10億個(gè)出貨單元中的現(xiàn)場故障為零).事實(shí)上,MEMS晶振能夠以五分之一的能耗來完成所有這一切,這意味著,不同尋常的是,確實(shí)沒有權(quán)衡取舍.MEMS很有可能成為計(jì)劃在短短幾年內(nèi)投入使用的眾多5G設(shè)計(jì)的首選時(shí)鐘源.
熱:
5G設(shè)備將放置在每個(gè)可以想象的環(huán)境中.這意味著一些設(shè)備會(huì)變得非常熱;其他人將在非常寒冷的條件下運(yùn)作.明尼阿波利斯的相同設(shè)備可能需要在夏季和冬季處理極端溫度.而且,由于風(fēng)扇容易出現(xiàn)故障,設(shè)計(jì)人員正試圖將它們排除在外,這意味著5G設(shè)備不會(huì)內(nèi)置冷卻功能.在所有溫度下保持計(jì)時(shí)準(zhǔn)確是非常困難的.但保持網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至關(guān)重要.這意味著即使在極端溫度條件下,網(wǎng)絡(luò)也必須繼續(xù)運(yùn)行.高性能MEMS晶振可在高達(dá)125°C的溫度下干凈運(yùn)行,具有極高的穩(wěn)定性.
如果您參與了蜂窩技術(shù)的設(shè)計(jì),您就會(huì)知道復(fù)雜性是什么樣的.協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)像許多搖擺不定的構(gòu)建塊一樣堆疊在一起.它一起工作是對(duì)細(xì)致的規(guī)格,精心設(shè)計(jì)和細(xì)致時(shí)機(jī)的證明.今天,5G風(fēng)靡一時(shí),而這一次也沒有什么不同-實(shí)際上,它會(huì)變得更加強(qiáng)硬.與前幾代產(chǎn)品相比,5G有望成為更多應(yīng)用的首選解決方案.因此,期望很高-這意味著,為了實(shí)現(xiàn)5G的承諾,必須仔細(xì)規(guī)劃和實(shí)施規(guī)格,設(shè)計(jì)和時(shí)間安排.
由于多種原因,5G技術(shù)將對(duì)時(shí)序解決方案施加的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過過去.
•更高的頻率意味著更短的時(shí)間-更多的工作必須在更短的時(shí)間內(nèi)完成.
•將更加謹(jǐn)慎地使用帶寬;渠道將更緊張.這意味著可以容忍更少的時(shí)間斜率.
•較高的晶振頻率意味著較短的距離和較少的轉(zhuǎn)彎能力.這意味著更多的無線電,每個(gè)無線電覆蓋更小的區(qū)域.對(duì)于每個(gè)當(dāng)前的4G無線電,預(yù)計(jì)大約10或20個(gè)5G無線電的數(shù)量級(jí).
問題是:130納秒的無線電對(duì)無線電延遲預(yù)算.這就分解成兩個(gè)無線電之間每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)10ns的預(yù)算.就透視而言,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定時(shí)精度為15納秒(99.7%的時(shí)間).這意味著更少的信道間干擾,有助于更好地使用帶寬.你可能認(rèn)為這沒什么大不了的——至少在名義條件下是這樣——但試著讓這個(gè)時(shí)機(jī)在所有條件下都保持不變.
保持所有這一切順利進(jìn)行所需的時(shí)間將給計(jì)時(shí)源帶來難以置信的負(fù)擔(dān).對(duì)于本地定時(shí),它需要MEMS時(shí)鐘的準(zhǔn)確性,穩(wěn)定性和可靠性.
網(wǎng)絡(luò)時(shí)間源:
5G系統(tǒng)中將有三個(gè)時(shí)序源.主要來源是網(wǎng)絡(luò)本身,使用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)接收定時(shí),以及通過以太網(wǎng)同步定時(shí)的SyncE頻率.但是,如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障,那么就無法從網(wǎng)絡(luò)中獲取時(shí)間.備份是GNSS,每秒提供一個(gè)脈沖.不是非常精確,但有用.但是如果你的設(shè)備沒有強(qiáng)大的GNSS信號(hào)呢？您需要留出時(shí)間,直到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)或您的設(shè)備也會(huì)停機(jī).
因此,一個(gè)非常重要的角色是保持時(shí)鐘：一個(gè)本地派生的時(shí)鐘,一直持續(xù)到主時(shí)鐘返回源.它就像一個(gè)飛輪,即使在沒有被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的情況下也能以恒定的速度旋轉(zhuǎn).這要求一個(gè)非常穩(wěn)定的時(shí)鐘源,沒有“活動(dòng)下降”和石英晶體振蕩器表現(xiàn)出突然的頻率跳躍.
保持時(shí)鐘必須保持多長時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商;沒有標(biāo)準(zhǔn).在邊緣設(shè)備附近,保持時(shí)鐘應(yīng)在2或4小時(shí)內(nèi)漂移不超過1μs.同時(shí),靠近后端,時(shí)鐘在8或12或24小時(shí)內(nèi)不應(yīng)漂移超過1μs.特定持續(xù)時(shí)間由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商選擇.例如,您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在印度,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要更嚴(yán)格的規(guī)范-特別是因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施的其他部分不夠強(qiáng)大.
圖1.網(wǎng)絡(luò)同步器選擇三個(gè)定時(shí)源之一,在切換期間沒有相位跳變.
是什么讓時(shí)機(jī)變得艱難？
采取已經(jīng)緊張的4G時(shí)序,使其更緊湊,然后將設(shè)備放置在以前沒有的苛刻地點(diǎn).簡而言之,這就是5G,它為任何本地時(shí)鐘源帶來了許多挑戰(zhàn).
振動(dòng):
第一個(gè)問題是振動(dòng).在更多的地方有更多的無線電-比如在公路旁邊的電線桿上-你將在惡劣的環(huán)境中擁有更多的設(shè)備.想象一下,當(dāng)一輛重型卡車駛過并晃動(dòng)附近的一切時(shí).定時(shí)源必須不受這種振動(dòng)的影響.有源晶振很容易發(fā)出嘎嘎聲,并且只要振動(dòng)持續(xù),它們就會(huì)超出規(guī)格.這可能是附近長貨運(yùn)列車的幾分鐘,或者在刮風(fēng)的日子甚至更長.相比之下,MEMS振蕩器不會(huì)因振動(dòng)而超出規(guī)格.
快速溫度變化:
好像它不足以在熾熱的太陽和寒冷的條件下操作,你可以在發(fā)生快速溫度變化的情況下使條件變得更加困難.例如,如果你曾經(jīng)在西南地區(qū),那里碰撞的前鋒和一股移動(dòng)的噴射流將冷熱氣團(tuán)聚集在一起,環(huán)境溫度可以在幾分鐘內(nèi)改變20°C.這會(huì)對(duì)時(shí)鐘源造成進(jìn)一步的壓力,因?yàn)楫?dāng)溫度升高或降溫時(shí),它會(huì)暴露在急劇的溫度梯度中.Quartz很難處理快速的溫度變化.頻率可以跳過數(shù)百ppb(十億分之一),超出規(guī)格,然后花費(fèi)幾分鐘來恢復(fù)所需的頻率.相比之下,MEMS定時(shí)裝置可以保持穩(wěn)定.
5G時(shí)序需要MEMS振蕩器:
采用5G設(shè)計(jì),時(shí)序比以往任何時(shí)候都重要.如果沒有嚴(yán)密,精確的時(shí)鐘源,5G的承諾將只會(huì)如此大肆宣傳.MEMS振蕩器的炒作變?yōu)楝F(xiàn)實(shí);這是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商如何確保他們的網(wǎng)絡(luò)不會(huì)由于計(jì)時(shí)功能而下降的原因.來自SiTime晶振等公司的MEMS振蕩器可以在5G設(shè)備將要接觸的各種條件下不受干擾地運(yùn)行.與石英相比,MEMS振蕩器：
•溫度額定值高達(dá)125°C
•具有10倍的石英抗振性
•不會(huì)出現(xiàn)微相跳躍,減少掉線次數(shù)
•具有100倍的石英可靠性,最大限度地減少了卡車運(yùn)輸(例如,SiTime在超過10億個(gè)出貨單元中的現(xiàn)場故障為零).事實(shí)上,MEMS晶振能夠以五分之一的能耗來完成所有這一切,這意味著,不同尋常的是,確實(shí)沒有權(quán)衡取舍.MEMS很有可能成為計(jì)劃在短短幾年內(nèi)投入使用的眾多5G設(shè)計(jì)的首選時(shí)鐘源.
熱:
5G設(shè)備將放置在每個(gè)可以想象的環(huán)境中.這意味著一些設(shè)備會(huì)變得非常熱;其他人將在非常寒冷的條件下運(yùn)作.明尼阿波利斯的相同設(shè)備可能需要在夏季和冬季處理極端溫度.而且,由于風(fēng)扇容易出現(xiàn)故障,設(shè)計(jì)人員正試圖將它們排除在外,這意味著5G設(shè)備不會(huì)內(nèi)置冷卻功能.在所有溫度下保持計(jì)時(shí)準(zhǔn)確是非常困難的.但保持網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至關(guān)重要.這意味著即使在極端溫度條件下,網(wǎng)絡(luò)也必須繼續(xù)運(yùn)行.高性能MEMS晶振可在高達(dá)125°C的溫度下干凈運(yùn)行,具有極高的穩(wěn)定性.
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