5G通信时序设计面临振动、温度变化等多种挑战

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为了加速SiTime MEMS硅晶振产品的应用普及，让中国电子工程师能快速体验MEMS硅晶振的高稳定性、高可靠性、超小封装、超低功耗、超低抖动等更多优势，SiTime公司联合本土半导体分销商北京晶圆电子有限公司共同建立SiTime样品中心，为用户提供免费样品申请，小批量试产、现货应急、特价申请、技术支持等便捷服务，更多信息请访问www.sitimechina.com，客户服务热线400-888-2483。

如果您参与了蜂窝技术的设计，那么您就会知道复杂性是什么样子。 协议和标准像许多摇摇欲坠的构建基块一样堆叠在一起。 所有这些一起工作证明了精心的规格，精心的设计和谨慎的时机。

如今，5G风靡一时，而这次并没有什么不同-实际上，它将变得更加艰难。 与前几代产品相比，5G有望成为更多应用的首选解决方案。 因此人们的期望很高，这意味着必须再次仔细规划和实施规格，设计和时序，才能实现5G的承诺。

5G的关键在于计时

5G技术将给时序解决方案带来的压力远超过过去，这有很多原因。

频率越高，周期越短–必须在更少的时间内完成更多的工作。

将更谨慎地使用带宽；渠道会更紧密。这意味着可以容忍更少的时序偏差。

频率越高，范围越短，转弯能力越差。这意味着更多的无线电，每个无线电覆盖较小的区域。预计每个当前的4G无线电约为10或20个5G无线电。

这就是问题所在：无线电对无线电延迟预算为130 ns。这分解为两个无线电之间的每个网络节点10 ns的预算。从角度来看，GNSS计时精度为15 ns（占时间的99.7％）。这意味着更少的通道间干扰，有助于更好地使用带宽。您可能会认为这不是什么大问题-至少在正常条件下无法实现-但请尝试在所有条件下都保持这一时机.

保持所有这些滴答声顺利进行所需的时序将给时序源带来难以置信的负担。 对于本地时序，将需要MEMS时钟的准确性，稳定性和可靠性。

网络时序的来源

5G系统中将有三个计时源。网络的主要来源是网络本身，它使用IEEE 1588标准来通过以太网接收定时以及同步定时的SyncE频率。但是，如果网络出现故障，那么您将无法把握时机来自网络。备份是GNSS，它提供每秒脉冲。不够精确，但很有用。但是，如果您的设备在GNSS信号不强的地方怎么办？您将需要花些时间直到网络恢复正常，否则设备也将出现故障。

图1.网络同步器选择了三个定时源之一，切换期间没有相位跳变。

因此，保持时钟的作用非常重要：保持本地时钟，该时钟一直持续到时序的主要返回源为止。就像飞轮一样，即使没有主动驱动，它也保持恒定速度旋转。这要求一个非常稳定的时钟源，而石英振荡器则不会出现“活动性下降”和突然的频率跳跃。

保持时钟必须持续多长时间取决于网络运营商；这没有标准。在边缘设备附近，保持时钟应在2或4个小时内漂移不超过1μs。同时，离后端越近，时钟不应漂移得更多在8或12或24小时内超过1μs。具体持续时间由网络运营商选择。例如，您可能会发现在印度，网络运营商需要更严格的规范-特别是因为基础架构的其他部分不够强大。

当然，您不能只是简单地在这些来源之间进行选择。 因为它们彼此完全独立，所以它们没有相位对齐。 如果您只是简单地从一个切换到另一个，则会出现相位跳变，这可能会导致明显的下游问题。 因此，网络同步器负责执行“隐藏”切换-选择输出时钟信号相位无中断的信号源。

是什么使时序变得艰难？

采取已经严格的4G时序，使其更紧密，然后将设备放在以前从未有过的严酷位置。 简而言之，就是5G，这对任何本地时钟源都提出了许多挑战。

振动

第一个问题是振动。 在更多地方（如路旁的电话杆上）安装更多无线电，您将在恶劣的环境中拥有更多设备。 想象一下，一辆重型卡车驶过并摇晃附近的一切。

定时源必须不受这种振动的影响。 石英振荡器很容易嘎嘎作响，而且只要振动持续下去，它们就有可能超出规格范围。 对于附近的长途货运火车来说，这可能是几分钟，或者在大风天，甚至可能更长。 相比之下，MEMS振荡器不会因振动而超出规格。

图2.石英TCXO对热，气流和快速温度变化敏感，表现出明显的频率变化，而MEMS TCXO在这些条件下非常稳定。

热量

5G设备将放置在任何可能的环境中。 这意味着某些设备会变得过热。 其他将在非常寒冷的条件下运行。 例如，明尼阿波利斯的相同设备在夏季和冬季可能必须应对极端温度。 而且，由于风扇容易出现故障，因此设计人员正试图将其排除在外，这意味着5G设备将不会内置散热装置。

在所有温度下保持定时准确都是非常困难的。 但是保持网络连接至关重要。 这意味着即使在极端温度条件下，网络也必须继续运行。 高性能MEMS振荡器可以在高达125°C的温度下清洁工作，并且具有很高的稳定性。

快速温度变化

好像还不足以在烈日和冰冷的条件下运行，您可以使温度急剧变化的条件变得更加困难。 举例来说，如果您去过西南地区，那里的锋面碰撞和流动的喷射流将冷热空气聚集在一起，则环境温度可能在几分钟内变化20°C。 这会给时钟源带来进一步的压力，因为随着温度的升高或降低，时钟源会暴露在尖锐的温度梯度下。

石英很难应付迅速的温度变化。 频率可能会跳升数百ppb（十亿分之一），超出规格范围，然后花费几分钟来恢复所需的频率。 相比之下，MEMS计时设备没有问题。

5G时序需要MEMS振荡器

借助5G设计，时间将比以往任何时候都重要。如果没有紧密而精确的时钟源，那么5G的承诺将只能保持如此大肆宣传。 MEMS振荡器的炒作变成了现实。这样，网络运营商才能确保自己的网络不会因计时功能而瘫痪。

SiTime公司的MEMS振荡器可以在5G设备所面临的各种条件下不受干扰地工作。与石英相比，MEMS振荡器：

额定温度高达125°C

具有十倍于石英的抗振性

没有微相位跳动，减少了掉话次数

具有100倍于石英的可靠性，最大程度地减少了卡车滚动（例如，SiTime在超过20亿个发货单元中出现了零现场故障）。

MEMS振荡器可以以五分之一的能量消耗来完成所有这些工作，这一事实意味着，与以往不同的是，这实际上并没有取舍。 MEMS有望成为计划在短短几年内投入使用的许多5G设计的时钟源。

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