不同等級的晶振產(chǎn)品對TD-SCDMA系統(tǒng)時鐘保持模式的影響

　　引言：對時鐘同步的保持模式如何達(dá)到一個更高的性價比是通信設(shè)備廠商遇到的一個普遍難題，為了能更清楚地解釋這些問題，筆者撰文分析了各種不同等級的晶振產(chǎn)品對時鐘保持模式的影響。

　　TD-SCDMA系統(tǒng)時鐘指標(biāo)

　　TD-SCDMA基站的時間同步需求描述見技術(shù)規(guī)范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理層(碼、幀、時隙)同步，保證所有NodeB同時發(fā)送同時接收，相位精度為<1.5μs;如果時間同步超過3μS將出現(xiàn)小區(qū)同步失敗，導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。

　　影響時鐘保持指標(biāo)關(guān)鍵器件——晶振的重要指標(biāo)

　　保持模式下的漂移= 晶振的日老化+晶振日波動+晶振溫度漂移+電源特性漂移

　　其中晶振日波動漂移是由于環(huán)境溫度在24小時存在大約±2度的變化導(dǎo)致晶振溫度補(bǔ)償超前或滯后帶來的頻率變化，主要取決于晶振的溫度特性。

　　另外晶振供電電源如果采取波動較小的LDO供電，且電源特性漂移相比日老化及溫度漂移要小很多，可以忽略。

　　所以保持模式下漂移的主要影響因素 = 晶振的日老化+ 晶振溫度漂移

　　兩種晶振指標(biāo)在時鐘板上的保持指標(biāo)

　　第一種2B晶振： 溫度穩(wěn)定度3E-9(-30~70℃) 年老化3E-8日老化3E-10

　　第二種3E晶振： 溫度穩(wěn)定度5E-8(-30~70℃) 年老化1E-7日老化1E-9

　　不做算法優(yōu)化

　　一般在有空調(diào)的密閉環(huán)境下，24小時的環(huán)境溫度變化大約為±2度， 5小時的環(huán)境溫度變化大約為1度。

　　對于2B晶振

　　溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10

　　5小時老化漂移= (3E-10/24)*5=0.63E-10

　　所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5μS的小時=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.63)=4.5H

　　即：使用2B晶振在不做算法優(yōu)化下，時鐘只能保持4.5個小時漂移在1.5μS以內(nèi)。

　　對于3E晶振

　　溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10

　　5小時老化漂移= (1E-9/24)*5=2.1E-10

　　所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5μS的小時=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+2.1)=0.6H

　　即：使用3E晶振在不做算法優(yōu)化下，時鐘只能保持0.6個小時漂移在1.5μS以內(nèi)。

　　做算法優(yōu)化

　　算法優(yōu)化分為溫度特性優(yōu)化以及老化率優(yōu)化。

　　晶振的溫度特性漂移速度以及漂移量取決于晶振所處的環(huán)境溫度點(diǎn)、環(huán)境的溫變速度、設(shè)備機(jī)箱的溫度傳遞速度以及晶體的遲滯特性， 晶振頻率漂移與溫度變化的關(guān)系類似于一個加速阻尼振蕩，是個5次函數(shù)關(guān)系，而溫度傳感器對于溫度變化的響應(yīng)速度是非?？斓?，如要簡單依賴溫度傳感器對晶振的溫度特性做優(yōu)化，會帶來溫度補(bǔ)償超前或滯后，導(dǎo)致頻率晃動加上，短穩(wěn)、抖動指標(biāo)都將惡化，而且優(yōu)化系統(tǒng)很難預(yù)知其他溫度點(diǎn)晶振的漂移值。

　　在晶振通電穩(wěn)定后，晶體的老化漂移呈現(xiàn)非常有規(guī)律且重復(fù)性非常好的類拋物曲線，采取簡單的線性補(bǔ)償就可以提升1~2個數(shù)量級。如要對晶振老化漂移優(yōu)化，需要得到晶振在上級時鐘良好、時鐘板處于鎖定狀態(tài)下的漂移，通過讀取鎖定電壓值即可。 需要特別注意的是，這個鎖定值會在晶振老化漂移的基礎(chǔ)上疊加晶振溫度特性的影響，如果晶振溫度漂移特性超過老化漂移時，即便采取平滑手段也很難得到老化真正的漂移特性，或者得到的不夠準(zhǔn)確，也會帶來晶振老化優(yōu)化提升不足。

　　總之，晶振良好的溫度特性不僅可以極大減小晶振受溫度影響的漂移量，也可以實(shí)現(xiàn)晶振老化優(yōu)化2個數(shù)量級。

　　同樣，一般在有空調(diào)的密閉環(huán)境下，24小時的環(huán)境溫度變化大約為±2度， 5小時的環(huán)境溫度變化大約為1度。

　　對于2B晶振

　　溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10

　　12小時老化漂移= (3E-10/24)*12/100=0.02E-10

　　所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5μS的小時=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.015)=13.2H

　　即：使用2B晶振在做算法優(yōu)化的前提下，時鐘可以保持13.2個小時漂移在1.5μS以內(nèi)。

　　對于3E晶振(由于溫度特性過于差，導(dǎo)致老化優(yōu)化只能大約提升1個數(shù)量級)

　　溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10

　　5小時老化漂移= (1E-9/24)*5/10=0.21E-10

　　所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5μS的小時=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+0.21)=0.8H

　　即：使用3E晶振在做算法優(yōu)化的前提下，時鐘只能保持0.8個小時漂移在1.5μS以內(nèi)。

　　本文小結(jié)

　　從上述計(jì)算結(jié)果可以看出不論是否采取時鐘優(yōu)化手段，晶振良好的溫度穩(wěn)定度對時鐘保持指標(biāo)其到至關(guān)重要的作用。此外，晶振的溫度特性取決于晶振的控溫/補(bǔ)償精度，所占晶振的成本大約10%，基本上取決于晶振廠家的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。

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