5G通信時(shí)序設(shè)計(jì)面臨振動(dòng)、溫度變化等多種挑戰(zhàn)

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為了加速SiTime MEMS硅晶振產(chǎn)品的應(yīng)用普及，讓中國電子工程師能快速體驗(yàn)MEMS硅晶振的高穩(wěn)定性、高可靠性、超小封裝、超低功耗、超低抖動(dòng)等更多優(yōu)勢(shì)，SiTime公司聯(lián)合本土半導(dǎo)體分銷商北京晶圓電子有限公司共同建立SiTime樣品中心，為用戶提供免費(fèi)樣品申請(qǐng)，小批量試產(chǎn)、現(xiàn)貨應(yīng)急、特價(jià)申請(qǐng)、技術(shù)支持等便捷服務(wù)，更多信息請(qǐng)?jiān)L問www.sitimechina.com，客戶服務(wù)熱線400-888-2483。

如果您參與了蜂窩技術(shù)的設(shè)計(jì)，那么您就會(huì)知道復(fù)雜性是什么樣子。 協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)像許多搖搖欲墜的構(gòu)建基塊一樣堆疊在一起。 所有這些一起工作證明了精心的規(guī)格，精心的設(shè)計(jì)和謹(jǐn)慎的時(shí)機(jī)。

如今，5G風(fēng)靡一時(shí)，而這次并沒有什么不同-實(shí)際上，它將變得更加艱難。 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。 因此人們的期望很高，這意味著必須再次仔細(xì)規(guī)劃和實(shí)施規(guī)格，設(shè)計(jì)和時(shí)序，才能實(shí)現(xiàn)5G的承諾。

5G的關(guān)鍵在于計(jì)時(shí)

5G技術(shù)將給時(shí)序解決方案帶來的壓力遠(yuǎn)超過過去，這有很多原因。

頻率越高，周期越短–必須在更少的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作。

將更謹(jǐn)慎地使用帶寬；渠道會(huì)更緊密。這意味著可以容忍更少的時(shí)序偏差。

頻率越高，范圍越短，轉(zhuǎn)彎能力越差。這意味著更多的無線電，每個(gè)無線電覆蓋較小的區(qū)域。預(yù)計(jì)每個(gè)當(dāng)前的4G無線電約為10或20個(gè)5G無線電。

這就是問題所在：無線電對(duì)無線電延遲預(yù)算為130 ns。這分解為兩個(gè)無線電之間的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)10 ns的預(yù)算。從角度來看，GNSS計(jì)時(shí)精度為15 ns（占時(shí)間的99.7％）。這意味著更少的通道間干擾，有助于更好地使用帶寬。您可能會(huì)認(rèn)為這不是什么大問題-至少在正常條件下無法實(shí)現(xiàn)-但請(qǐng)嘗試在所有條件下都保持這一時(shí)機(jī).

保持所有這些滴答聲順利進(jìn)行所需的時(shí)序?qū)⒔o時(shí)序源帶來難以置信的負(fù)擔(dān)。 對(duì)于本地時(shí)序，將需要MEMS時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性和可靠性。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)序的來源

5G系統(tǒng)中將有三個(gè)計(jì)時(shí)源。網(wǎng)絡(luò)的主要來源是網(wǎng)絡(luò)本身，它使用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)來通過以太網(wǎng)接收定時(shí)以及同步定時(shí)的SyncE頻率。但是，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，那么您將無法把握時(shí)機(jī)來自網(wǎng)絡(luò)。備份是GNSS，它提供每秒脈沖。不夠精確，但很有用。但是，如果您的設(shè)備在GNSS信號(hào)不強(qiáng)的地方怎么辦？您將需要花些時(shí)間直到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常，否則設(shè)備也將出現(xiàn)故障。

圖1.網(wǎng)絡(luò)同步器選擇了三個(gè)定時(shí)源之一，切換期間沒有相位跳變。

因此，保持時(shí)鐘的作用非常重要：保持本地時(shí)鐘，該時(shí)鐘一直持續(xù)到時(shí)序的主要返回源為止。就像飛輪一樣，即使沒有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，它也保持恒定速度旋轉(zhuǎn)。這要求一個(gè)非常穩(wěn)定的時(shí)鐘源，而石英振蕩器則不會(huì)出現(xiàn)“活動(dòng)性下降”和突然的頻率跳躍。

保持時(shí)鐘必須持續(xù)多長時(shí)間取決于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商；這沒有標(biāo)準(zhǔn)。在邊緣設(shè)備附近，保持時(shí)鐘應(yīng)在2或4個(gè)小時(shí)內(nèi)漂移不超過1μs。同時(shí)，離后端越近，時(shí)鐘不應(yīng)漂移得更多在8或12或24小時(shí)內(nèi)超過1μs。具體持續(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)架構(gòu)的其他部分不夠強(qiáng)大。

當(dāng)然，您不能只是簡單地在這些來源之間進(jìn)行選擇。 因?yàn)樗鼈儽舜送耆?dú)立，所以它們沒有相位對(duì)齊。 如果您只是簡單地從一個(gè)切換到另一個(gè)，則會(huì)出現(xiàn)相位跳變，這可能會(huì)導(dǎo)致明顯的下游問題。 因此，網(wǎng)絡(luò)同步器負(fù)責(zé)執(zhí)行“隱藏”切換-選擇輸出時(shí)鐘信號(hào)相位無中斷的信號(hào)源。

是什么使時(shí)序變得艱難？

采取已經(jīng)嚴(yán)格的4G時(shí)序，使其更緊密，然后將設(shè)備放在以前從未有過的嚴(yán)酷位置。 簡而言之，就是5G，這對(duì)任何本地時(shí)鐘源都提出了許多挑戰(zhàn)。

振動(dòng)

第一個(gè)問題是振動(dòng)。 在更多地方（如路旁的電話桿上）安裝更多無線電，您將在惡劣的環(huán)境中擁有更多設(shè)備。 想象一下，一輛重型卡車駛過并搖晃附近的一切。

定時(shí)源必須不受這種振動(dòng)的影響。 石英振蕩器很容易嘎嘎作響，而且只要振動(dòng)持續(xù)下去，它們就有可能超出規(guī)格范圍。 對(duì)于附近的長途貨運(yùn)火車來說，這可能是幾分鐘，或者在大風(fēng)天，甚至可能更長。 相比之下，MEMS振蕩器不會(huì)因振動(dòng)而超出規(guī)格。

圖2.石英TCXO對(duì)熱，氣流和快速溫度變化敏感，表現(xiàn)出明顯的頻率變化，而MEMS TCXO在這些條件下非常穩(wěn)定。

熱量

5G設(shè)備將放置在任何可能的環(huán)境中。 這意味著某些設(shè)備會(huì)變得過熱。 其他將在非常寒冷的條件下運(yùn)行。 例如，明尼阿波利斯的相同設(shè)備在夏季和冬季可能必須應(yīng)對(duì)極端溫度。 而且，由于風(fēng)扇容易出現(xiàn)故障，因此設(shè)計(jì)人員正試圖將其排除在外，這意味著5G設(shè)備將不會(huì)內(nèi)置散熱裝置。

在所有溫度下保持定時(shí)準(zhǔn)確都是非常困難的。 但是保持網(wǎng)絡(luò)連接至關(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振蕩器可以在高達(dá)125°C的溫度下清潔工作，并且具有很高的穩(wěn)定性。

快速溫度變化

好像還不足以在烈日和冰冷的條件下運(yùn)行，您可以使溫度急劇變化的條件變得更加困難。 舉例來說，如果您去過西南地區(qū)，那里的鋒面碰撞和流動(dòng)的噴射流將冷熱空氣聚集在一起，則環(huán)境溫度可能在幾分鐘內(nèi)變化20°C。 這會(huì)給時(shí)鐘源帶來進(jìn)一步的壓力，因?yàn)殡S著溫度的升高或降低，時(shí)鐘源會(huì)暴露在尖銳的溫度梯度下。

石英很難應(yīng)付迅速的溫度變化。 頻率可能會(huì)跳升數(shù)百ppb（十億分之一），超出規(guī)格范圍，然后花費(fèi)幾分鐘來恢復(fù)所需的頻率。 相比之下，MEMS計(jì)時(shí)設(shè)備沒有問題。

5G時(shí)序需要MEMS振蕩器

借助5G設(shè)計(jì)，時(shí)間將比以往任何時(shí)候都重要。如果沒有緊密而精確的時(shí)鐘源，那么5G的承諾將只能保持如此大肆宣傳。 MEMS振蕩器的炒作變成了現(xiàn)實(shí)。這樣，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商才能確保自己的網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因計(jì)時(shí)功能而癱瘓。

SiTime公司的MEMS振蕩器可以在5G設(shè)備所面臨的各種條件下不受干擾地工作。與石英相比，MEMS振蕩器：

額定溫度高達(dá)125°C

具有十倍于石英的抗振性

沒有微相位跳動(dòng)，減少了掉話次數(shù)

具有100倍于石英的可靠性，最大程度地減少了卡車滾動(dòng)（例如，SiTime在超過20億個(gè)發(fā)貨單元中出現(xiàn)了零現(xiàn)場(chǎng)故障）。

MEMS振蕩器可以以五分之一的能量消耗來完成所有這些工作，這一事實(shí)意味著，與以往不同的是，這實(shí)際上并沒有取舍。 MEMS有望成為計(jì)劃在短短幾年內(nèi)投入使用的許多5G設(shè)計(jì)的時(shí)鐘源。

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