未来将是5G产品的时代,这是大势所趋,我们的民族企业华为集团已经成功签订了几十个国家的5G基站订单,并且推出了5G网络的智能手机,各大运营商也在确定5G套餐.曾经以为5G还很遥远,因为4G网络已经足够日常生活的应用了,但是5G改变的将会是社会,提到5G不得不说的是其内部默默振动的那颗MEMS振荡器.很多人都知道晶振是网络设备时序时钟源里,最重要的一种电子组件,那么MEMS晶振就是频率元件里,高性能,高可靠性的代表之一.

如果您参与了蜂窝技术的设计,您就会知道复杂性是什么样的.协议和标准像许多摇摆不定的构建块一样堆叠在一起.这一切都在一起工作,这是对细节规格,精心设计和精心计时的证明.今天,5G风靡一时,而这次也没有什么不同-事实上,它会变得更加强硬.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,期望很高-这意味着,为了实现5G的承诺,必须仔细规划和实施规格,设计和时间安排.

5G是关于更艰难的时机:

5G技术对计时解决方案的压力将远远超过过去,原因有很多.石英晶体振荡器频率越高意味着周期越短——必须在更短的时间内完成更多的工作.带宽将得到更仔细的使用;频道会更紧.这意味着可以容忍更少的时序溢出.更高的频率意味着更短的范围和更少的转弯能力.这意味着更多的收音机,每台覆盖更小的区域.每台当前4G收音机的预期数量约为10或205G.

问题是:130纳秒的无线电对无线电延迟预算.这就分解成两个无线电之间每个网络节点10ns的预算.就透视而言,全球导航卫星系统定时精度为15纳秒(99.7%的时间).这意味着更少的信道间干扰,有助于更好地使用带宽.你可能认为这没什么大不了的,至少在标称条件下–但是尝试使计时在所有条件下都有效.保持这一切顺利进行所需的时间将给时间源带来难以置信的负担.对于本地时序,需要微机电系统时钟的精度、稳定性和可靠性.

网络时间源:

5G系统中将有三个时序源.主要来源是网络本身,使用IEEE1588标准接收定时,以及通过以太网同步定时的SyncE频率.但是,如果网络出现故障,那么就无法从网络中获取时间.备份是GNSS,每秒提供一个脉冲.不是非常精确,但有用.但是如果你的设备没有强大的GNSS信号呢?您需要留出时间,直到网络恢复或您的设备也会停机.

因此,一个非常重要的角色是保持时钟:一个本地派生的时钟,一直持续到主时钟返回源.它就像一个飞轮,即使在没有被主动驱动的情况下也能以恒定的速度旋转.这要求一个非常稳定的时钟源,没有”活动下降”和石英振荡器表现出突然的频率跳跃.

保持时钟必须保持多长时间取决于网络运营商;没有标准.在边缘设备附近,保持时钟应在2或4小时内漂移不超过1μs.同时,靠近后端,时钟在8或12或24小时内不应漂移超过1μs.特定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-特别是因为基础设施的其他部分不够强大.

图1.网络同步器选择三个定时源之一,在切换期间没有相位跳变.

当然,你不能只有一个简单的开关来选择这些来源.因为它们彼此完全独立,所以它们不是相位对齐的.如果你只是从一个切换到另一个,你会得到相位跳跃,可能会导致严重的下游问题.因此,网络同步器负责执行“隐藏”切换-在输出时钟信号的相位中选择没有中断的源.

是什么让时机变得艰难?

采取已经紧张的4G时序,使其更紧凑,然后将设备放置在以前没有的苛刻地点.简而言之,这就是5G,它为任何本地时钟源带来了许多挑战.第一个问题是振动.在更多的地方有更多的无线电-比如在公路旁边的电线杆上-你将在恶劣的环境中拥有更多的设备.想象一下,当一辆重型卡车驶过并晃动附近的一切时.定时源必须不受这种振动的影响.硅MEMS可编程晶振很容易发出嘎嘎声,并且只要振动持续,它们就会超出规格.这可能是附近长货运列车的几分钟,或者在刮风的日子甚至更长.相比之下,MEMS振荡器不会因振动而超出规格.

图2.石英TCXO晶振对热,气流和快速温度变化敏感,表现出显着的频率变化,而MEMSTCXO在这些条件下非常稳定.

5G设备将放置在每个可以想象的环境中.这意味着一些设备会变得非常热;其他人将在非常寒冷的条件下运作.明尼阿波利斯的相同设备可能需要在夏季和冬季处理极端温度.而且,由于风扇容易出现故障,设计人员正试图将它们排除在外,这意味着5G设备不会内置冷却功能.

在所有温度下保持计时准确是非常困难的.但保持网络发展至关重要.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振荡器可在高达125°C的温度下干净运行,具有极高的稳定性.

5G时序需要MEMS振荡器

采用5G设计,时序比以往任何时候都重要.如果没有严密,精确的时钟源,5G的承诺将只会如此大肆宣传.MEMS振荡器的炒作变为现实;这是网络运营商如何确保他们的网络不会由于计时功能而下降的原因.来自SiTime等公司的MEMS时钟晶体振荡器可以在5G设备将要接触的各种条件下不受干扰地运行.与石英相比,MEMS振荡器:

•温度额定值高达125°C

•具有10倍的石英抗振性

•不会出现微相跳跃,减少掉线次数

•具有100倍的石英可靠性,最大限度地减少了卡车运输

事实上,MEMS Oscillator能够以五分之一的能耗来完成所有这一切,这意味着,不同寻常的是,确实没有权衡取舍.MEMS很有可能成为计划在短短几年内投入使用的众多5G设计的首选时钟源.

快速温度变化:

好像它不足以在炽热的太阳和寒冷的条件下操作,你可以在发生快速温度变化的情况下使条件变得更加困难.例如,如果你曾经在西南地区,那里碰撞的前锋和一股移动的喷射流将冷热气团聚集在一起,环境温度可以在几分钟内改变20°C.这会对时钟源造成进一步的压力,因为当温度升高或降温时,它会暴露在急剧的温度梯度中.Quartz很难处理快速的温度变化.频率可以跳过数百ppb(十亿分之一),超出规格,然后花费几分钟来恢复所需的频率.相比之下,MEMS定时装置可以保持稳定.

MEMS振荡器的成本相比于普通的振荡器类型可能会高些,因此就有用户提出质疑,5G产业链为什么一定要用MEMS,最重要的原因除了MEMS系列的贴片晶振具有低相噪,低抖动,低电压,低损耗,低电平,高精度等常见优势,还因为MEMS是属于微机电系统的,拥有特殊的可编程功能.可以满足任意一种产品的需求,并具有一定的抗电磁波干扰和低等效串联电阻的作用.