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來源：http://tqlwapf.cn 作者：康華爾電子 2020年07月20
MEMS TCXO振蕩器系列的5G無線基站方案挑戰(zhàn)
時(shí)序是任何電子系統(tǒng)的心跳,而5G網(wǎng)絡(luò)將特別取決于其時(shí)鐘源的準(zhǔn)確性,穩(wěn)定性和可靠性.4G網(wǎng)絡(luò)中使用的傳統(tǒng)石英計(jì)時(shí)設(shè)備面臨新的挑戰(zhàn),以支持即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)更高的帶寬和更窄的信道.MEMS技術(shù)解決了這些問題,滿足了所有時(shí)序要求,同時(shí)在動(dòng)態(tài)環(huán)境壓力(例如沖擊,振動(dòng)和溫度快速變化)的情況下,其性能明顯優(yōu)于石英晶振解決方案.此外,與石英相比,100％的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈固有地為MEMS解決方案提供了卓越的質(zhì)量和可靠性,這對于支持5G應(yīng)用計(jì)劃的服務(wù)質(zhì)量至關(guān)重要.
5GRRU時(shí)序的新興趨勢
從4G到5G網(wǎng)絡(luò)的過渡導(dǎo)致了兩個(gè)關(guān)鍵的新興趨勢:云化和致密化.需要在核心網(wǎng)絡(luò)中部署云技術(shù)或云化,以實(shí)現(xiàn)語音和視頻應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)處理.無線頭和基站之間的連接是4G中的點(diǎn)對點(diǎn)物理鏈路,它是使用云中維護(hù)的基于分組的網(wǎng)絡(luò)在5G中建立的.整個(gè)數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步要求采用新標(biāo)準(zhǔn),包括IEEE1588和演進(jìn)的通用公共無線電接口(eCPRI),這對定時(shí)性能和可靠性提出了新的挑戰(zhàn).
同時(shí),新的移動(dòng)服務(wù)有望增加寬帶蜂窩業(yè)務(wù).為了增加5G數(shù)據(jù)速率,基站和用戶終端之間的距離將減小,從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)數(shù)量相應(yīng)增加.無線電接入網(wǎng)絡(luò)的這種密集化是5G網(wǎng)絡(luò)帶來的根本性轉(zhuǎn)變,對于增加用戶高度集中的城域容量至關(guān)重要.蜂窩無線電將在整個(gè)5G城市景觀中變得無處不在,它們將被安裝在電線桿,燈柱,建筑物角落和路邊的市政電源柜上.這種致密化將使5G無線電設(shè)備遭受各種環(huán)境條件的影響,這些環(huán)境條件要求計(jì)時(shí)設(shè)備具有更高的性能水平.
數(shù)據(jù)包延遲變化
計(jì)劃提供新的實(shí)時(shí)5G應(yīng)用的服務(wù)運(yùn)營商需要時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò).IEEE1588和eCPRI技術(shù)可在分組網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)此時(shí)間同步.通過分組網(wǎng)絡(luò)將中央單元(CU)連接到遠(yuǎn)程無線電頭(RRH)的一個(gè)結(jié)果是,在鏈路的兩端之間傳播的分組的時(shí)間延遲變化.這種數(shù)據(jù)包延遲變化(PDV),也稱為網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)或數(shù)據(jù)包抖動(dòng),會(huì)將噪聲添加到源自網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間值中,從而降低實(shí)時(shí)服務(wù)的用戶體驗(yàn).PDV是由系統(tǒng)中的許多因素引起的.例如,任何處理數(shù)據(jù)包的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)元素(例如交換機(jī))都將承受變化的負(fù)載條件.此負(fù)載是要處理的數(shù)據(jù)包數(shù)量和處理復(fù)雜性的函數(shù),
可以通過增加其IEEE1588伺服環(huán)路內(nèi)使用的振蕩器的穩(wěn)定性來減少PDV對RRH的影響.該伺服環(huán)路充當(dāng)輸入PDV的低通濾波器,并充當(dāng)計(jì)時(shí)振蕩器注入的噪聲的高通濾波器.因此,振蕩器越安靜或更穩(wěn)定,可以調(diào)節(jié)的伺服環(huán)路帶寬就越低,以對輸入PDV進(jìn)行濾波并輸出忠實(shí)地重現(xiàn)鏈路另一端的時(shí)標(biāo)的時(shí)鐘.然后,使用該”干凈”的輸出時(shí)鐘來精確控制石英晶體振蕩器,并重復(fù)進(jìn)行反饋環(huán)路.
因此,振蕩器的穩(wěn)定性直接影響5G網(wǎng)絡(luò)得出的定時(shí)精度.振蕩器最常見的穩(wěn)定性指標(biāo)是溫度的頻率穩(wěn)定性.通常,振蕩器是專門為此數(shù)字選擇的,通常被認(rèn)為是整體穩(wěn)定性的代名詞.但是,該規(guī)格書無法描述受到熱梯度影響時(shí)振蕩器的穩(wěn)定性.這里,頻率與溫度的斜率,也稱為dF/dT,可能是定時(shí)精度的重要因素.圖1和圖2說明了SiTime Elite Platform™TCXO與競爭性石英器件相比在不斷變化的熱環(huán)境中具有出色穩(wěn)定性的優(yōu)勢.
圖1:SiTime SiT5356 ±100ppb TCXO具有業(yè)界領(lǐng)先的低頻與溫度斜率(dF/dT),可改善PDV濾波,從而提高時(shí)序精度,這是部署成功的實(shí)時(shí)服務(wù)所必需的.
圖2:SiTime SiT5356 ±100ppb的基于MEMS的溫補(bǔ)晶振與一級±50ppb的石英TCXO相比,在快速熱梯度期間提供了卓越的穩(wěn)定性.SiT5356的性能通過專有的Dual MEMS™結(jié)構(gòu)和Turbo Compensation™溫度補(bǔ)償方案實(shí)現(xiàn).
5G無線電中的電子設(shè)備是對流冷卻的,因此要經(jīng)受多種熱條件.基于SiTime MEMS的設(shè)備不需要物理覆蓋層,也不需要專用的PCB保留區(qū)域,石英設(shè)備通常需要進(jìn)行熱保護(hù)以保持?jǐn)?shù)據(jù)表規(guī)格.
環(huán)境沖擊和振動(dòng)
5G網(wǎng)絡(luò)的致密化意味著無線電將被安裝在各種戶外物體上,這些物體會(huì)受到來自卡車,火車,汽車,風(fēng)和雷聲等多種來源的振動(dòng)的影響.這些無線電中部署的振蕩器需要在振動(dòng)過程中保持穩(wěn)定的性能,以防止鏈路掉線和相關(guān)的操作員罰款.圖3顯示了MEMS溫補(bǔ)晶振與quartz TCXO相比,在振動(dòng)下的堅(jiān)固性,在振動(dòng)過程中會(huì)退化,并且只要振動(dòng)持續(xù)下去就可能超出規(guī)格范圍.對于附近的長途貨運(yùn)火車,這可能是幾分鐘,或者在大風(fēng)天甚至更長.這種堅(jiān)固性是MEMS體系結(jié)構(gòu)所固有的,從而消除了石英設(shè)備通常所需的昂貴外殼或熱保護(hù)和機(jī)械保護(hù).
圖3:與石英設(shè)備相比,SiTime MEMS振蕩器提供了出色的沖擊和振動(dòng)性能,為5G網(wǎng)絡(luò)的致密化提供了更多選擇.顯示的數(shù)據(jù)是根據(jù)MIL-STD-883F(方法2026)的7.5gRMS得出的.
質(zhì)量與可靠性
致密化還要求更高水平的質(zhì)量和可靠性,以最大程度地減少廣泛部署5G無線電的服務(wù)要求.5GRRU中的Precision TCXO和OCXO晶振設(shè)備是4G中不存在的設(shè)備,它們?yōu)榫S修難以訪問的故障提供了新的位置.
SiTime MEMS振蕩器具有優(yōu)于石英器件的固有優(yōu)勢,這使它們在極端環(huán)境下的性能更加可靠.SiTime開發(fā)了MEMS FirstTM工藝,其中諧振器完全封裝在硅中并封裝在微真空腔中[2].諧振器的極小質(zhì)量及其堅(jiān)硬的硅晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合,使它們具有耐用性,并且極耐外部沖擊,例如沖擊和振動(dòng).與石英不同,全硅MEMS諧振器的老化可以忽略不計(jì).此外,集成到振蕩器電路中的優(yōu)化設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器可抑制電源噪聲,以在嘈雜的環(huán)境中保持穩(wěn)定性.與石英器件相比,這些特性可為SiTime MEMS振蕩器帶來更高的質(zhì)量和可靠性,以及更少的現(xiàn)場故障.
比較SiTime MEMS和Quartz器件
與用于5GRRU設(shè)備的傳統(tǒng)石英TCXO相比,SiTime Elite Platform TCXO的主要優(yōu)勢包括:
質(zhì)量提高50倍(DPPM)
可靠性提高30倍(MTBF)
抗機(jī)械沖擊性能提高20倍(MIL-STD-883方法2002)
在快速熱梯度的情況下,頻率穩(wěn)定性提高了10倍
抗隨機(jī)振動(dòng)性提高3倍(MIL-STD-883,Method2007)
沒有頻率跳躍或活動(dòng)下降
出色的電源噪聲抑制
由于這些好處,無論環(huán)境如何,在5GRRU設(shè)備中設(shè)計(jì)的Elite Platform TCXO都可以在全球范圍內(nèi)部署單個(gè)無線電設(shè)計(jì).這樣的設(shè)計(jì)節(jié)省了開發(fā)時(shí)間,加快了上市時(shí)間,并簡化了生產(chǎn).一旦在現(xiàn)場部署,這些無線電提供的強(qiáng)大定時(shí)功能將最大程度地減少對5G服務(wù)的干擾,并確保更好的用戶體驗(yàn).
MEMS TCXO振蕩器系列的5G無線基站方案挑戰(zhàn)
時(shí)序是任何電子系統(tǒng)的心跳,而5G網(wǎng)絡(luò)將特別取決于其時(shí)鐘源的準(zhǔn)確性,穩(wěn)定性和可靠性.4G網(wǎng)絡(luò)中使用的傳統(tǒng)石英計(jì)時(shí)設(shè)備面臨新的挑戰(zhàn),以支持即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)更高的帶寬和更窄的信道.MEMS技術(shù)解決了這些問題,滿足了所有時(shí)序要求,同時(shí)在動(dòng)態(tài)環(huán)境壓力(例如沖擊,振動(dòng)和溫度快速變化)的情況下,其性能明顯優(yōu)于石英晶振解決方案.此外,與石英相比,100％的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈固有地為MEMS解決方案提供了卓越的質(zhì)量和可靠性,這對于支持5G應(yīng)用計(jì)劃的服務(wù)質(zhì)量至關(guān)重要.
5GRRU時(shí)序的新興趨勢
從4G到5G網(wǎng)絡(luò)的過渡導(dǎo)致了兩個(gè)關(guān)鍵的新興趨勢:云化和致密化.需要在核心網(wǎng)絡(luò)中部署云技術(shù)或云化,以實(shí)現(xiàn)語音和視頻應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)處理.無線頭和基站之間的連接是4G中的點(diǎn)對點(diǎn)物理鏈路,它是使用云中維護(hù)的基于分組的網(wǎng)絡(luò)在5G中建立的.整個(gè)數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步要求采用新標(biāo)準(zhǔn),包括IEEE1588和演進(jìn)的通用公共無線電接口(eCPRI),這對定時(shí)性能和可靠性提出了新的挑戰(zhàn).
同時(shí),新的移動(dòng)服務(wù)有望增加寬帶蜂窩業(yè)務(wù).為了增加5G數(shù)據(jù)速率,基站和用戶終端之間的距離將減小,從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)數(shù)量相應(yīng)增加.無線電接入網(wǎng)絡(luò)的這種密集化是5G網(wǎng)絡(luò)帶來的根本性轉(zhuǎn)變,對于增加用戶高度集中的城域容量至關(guān)重要.蜂窩無線電將在整個(gè)5G城市景觀中變得無處不在,它們將被安裝在電線桿,燈柱,建筑物角落和路邊的市政電源柜上.這種致密化將使5G無線電設(shè)備遭受各種環(huán)境條件的影響,這些環(huán)境條件要求計(jì)時(shí)設(shè)備具有更高的性能水平.
數(shù)據(jù)包延遲變化
計(jì)劃提供新的實(shí)時(shí)5G應(yīng)用的服務(wù)運(yùn)營商需要時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò).IEEE1588和eCPRI技術(shù)可在分組網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)此時(shí)間同步.通過分組網(wǎng)絡(luò)將中央單元(CU)連接到遠(yuǎn)程無線電頭(RRH)的一個(gè)結(jié)果是,在鏈路的兩端之間傳播的分組的時(shí)間延遲變化.這種數(shù)據(jù)包延遲變化(PDV),也稱為網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)或數(shù)據(jù)包抖動(dòng),會(huì)將噪聲添加到源自網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間值中,從而降低實(shí)時(shí)服務(wù)的用戶體驗(yàn).PDV是由系統(tǒng)中的許多因素引起的.例如,任何處理數(shù)據(jù)包的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)元素(例如交換機(jī))都將承受變化的負(fù)載條件.此負(fù)載是要處理的數(shù)據(jù)包數(shù)量和處理復(fù)雜性的函數(shù),
可以通過增加其IEEE1588伺服環(huán)路內(nèi)使用的振蕩器的穩(wěn)定性來減少PDV對RRH的影響.該伺服環(huán)路充當(dāng)輸入PDV的低通濾波器,并充當(dāng)計(jì)時(shí)振蕩器注入的噪聲的高通濾波器.因此,振蕩器越安靜或更穩(wěn)定,可以調(diào)節(jié)的伺服環(huán)路帶寬就越低,以對輸入PDV進(jìn)行濾波并輸出忠實(shí)地重現(xiàn)鏈路另一端的時(shí)標(biāo)的時(shí)鐘.然后,使用該”干凈”的輸出時(shí)鐘來精確控制石英晶體振蕩器,并重復(fù)進(jìn)行反饋環(huán)路.
因此,振蕩器的穩(wěn)定性直接影響5G網(wǎng)絡(luò)得出的定時(shí)精度.振蕩器最常見的穩(wěn)定性指標(biāo)是溫度的頻率穩(wěn)定性.通常,振蕩器是專門為此數(shù)字選擇的,通常被認(rèn)為是整體穩(wěn)定性的代名詞.但是,該規(guī)格書無法描述受到熱梯度影響時(shí)振蕩器的穩(wěn)定性.這里,頻率與溫度的斜率,也稱為dF/dT,可能是定時(shí)精度的重要因素.圖1和圖2說明了SiTime Elite Platform™TCXO與競爭性石英器件相比在不斷變化的熱環(huán)境中具有出色穩(wěn)定性的優(yōu)勢.
5G無線電中的電子設(shè)備是對流冷卻的,因此要經(jīng)受多種熱條件.基于SiTime MEMS的設(shè)備不需要物理覆蓋層,也不需要專用的PCB保留區(qū)域,石英設(shè)備通常需要進(jìn)行熱保護(hù)以保持?jǐn)?shù)據(jù)表規(guī)格.
環(huán)境沖擊和振動(dòng)
5G網(wǎng)絡(luò)的致密化意味著無線電將被安裝在各種戶外物體上,這些物體會(huì)受到來自卡車,火車,汽車,風(fēng)和雷聲等多種來源的振動(dòng)的影響.這些無線電中部署的振蕩器需要在振動(dòng)過程中保持穩(wěn)定的性能,以防止鏈路掉線和相關(guān)的操作員罰款.圖3顯示了MEMS溫補(bǔ)晶振與quartz TCXO相比,在振動(dòng)下的堅(jiān)固性,在振動(dòng)過程中會(huì)退化,并且只要振動(dòng)持續(xù)下去就可能超出規(guī)格范圍.對于附近的長途貨運(yùn)火車,這可能是幾分鐘,或者在大風(fēng)天甚至更長.這種堅(jiān)固性是MEMS體系結(jié)構(gòu)所固有的,從而消除了石英設(shè)備通常所需的昂貴外殼或熱保護(hù)和機(jī)械保護(hù).
質(zhì)量與可靠性
致密化還要求更高水平的質(zhì)量和可靠性,以最大程度地減少廣泛部署5G無線電的服務(wù)要求.5GRRU中的Precision TCXO和OCXO晶振設(shè)備是4G中不存在的設(shè)備,它們?yōu)榫S修難以訪問的故障提供了新的位置.
SiTime MEMS振蕩器具有優(yōu)于石英器件的固有優(yōu)勢,這使它們在極端環(huán)境下的性能更加可靠.SiTime開發(fā)了MEMS FirstTM工藝,其中諧振器完全封裝在硅中并封裝在微真空腔中[2].諧振器的極小質(zhì)量及其堅(jiān)硬的硅晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合,使它們具有耐用性,并且極耐外部沖擊,例如沖擊和振動(dòng).與石英不同,全硅MEMS諧振器的老化可以忽略不計(jì).此外,集成到振蕩器電路中的優(yōu)化設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器可抑制電源噪聲,以在嘈雜的環(huán)境中保持穩(wěn)定性.與石英器件相比,這些特性可為SiTime MEMS振蕩器帶來更高的質(zhì)量和可靠性,以及更少的現(xiàn)場故障.
比較SiTime MEMS和Quartz器件
與用于5GRRU設(shè)備的傳統(tǒng)石英TCXO相比,SiTime Elite Platform TCXO的主要優(yōu)勢包括:
質(zhì)量提高50倍(DPPM)
可靠性提高30倍(MTBF)
抗機(jī)械沖擊性能提高20倍(MIL-STD-883方法2002)
在快速熱梯度的情況下,頻率穩(wěn)定性提高了10倍
抗隨機(jī)振動(dòng)性提高3倍(MIL-STD-883,Method2007)
沒有頻率跳躍或活動(dòng)下降
出色的電源噪聲抑制
由于這些好處,無論環(huán)境如何,在5GRRU設(shè)備中設(shè)計(jì)的Elite Platform TCXO都可以在全球范圍內(nèi)部署單個(gè)無線電設(shè)計(jì).這樣的設(shè)計(jì)節(jié)省了開發(fā)時(shí)間,加快了上市時(shí)間,并簡化了生產(chǎn).一旦在現(xiàn)場部署,這些無線電提供的強(qiáng)大定時(shí)功能將最大程度地減少對5G服務(wù)的干擾,并確保更好的用戶體驗(yàn).
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