MEMS TCXO振荡器系列的5G无线基站方案挑战
　　时序是任何电子系统的心跳,而5G网络将特别取决于其时钟源的准确性,稳定性和可靠性.4G网络中使用的传统石英计时设备面临新的挑战,以支持即将到来的5G网络更高的带宽和更窄的信道.MEMS技术解决了这些问题,满足了所有时序要求,同时在动态环境压力(例如冲击,振动和温度快速变化)的情况下,其性能明显优于石英晶振解决方案.此外,与石英相比,100％的半导体供应链固有地为MEMS解决方案提供了卓越的质量和可靠性,这对于支持5G应用计划的服务质量至关重要.
5GRRU时序的新兴趋势
　　从4G到5G网络的过渡导致了两个关键的新兴趋势:云化和致密化.需要在核心网络中部署云技术或云化,以实现语音和视频应用程序的实时处理.无线头和基站之间的连接是4G中的点对点物理链路,它是使用云中维护的基于分组的网络在5G中建立的.整个数据包网络中的时间同步要求采用新标准,包括IEEE1588和演进的通用公共无线电接口(eCPRI),这对定时性能和可靠性提出了新的挑战.
　　同时,新的移动服务有望增加宽带蜂窝业务.为了增加5G数据速率,基站和用户终端之间的距离将减小,从而导致网络中的站点和节点数量相应增加.无线电接入网络的这种密集化是5G网络带来的根本性转变,对于增加用户高度集中的城域容量至关重要.蜂窝无线电将在整个5G城市景观中变得无处不在,它们将被安装在电线杆,灯柱,建筑物角落和路边的市政电源柜上.这种致密化将使5G无线电设备遭受各种环境条件的影响,这些环境条件要求计时设备具有更高的性能水平.
数据包延迟变化
　　计划提供新的实时5G应用的服务运营商需要时间同步网络.IEEE1588和eCPRI技术可在分组网络上实现此时间同步.通过分组网络将中央单元(CU)连接到远程无线电头(RRH)的一个结果是,在链路的两端之间传播的分组的时间延迟变化.这种数据包延迟变化(PDV),也称为网络抖动或数据包抖动,会将噪声添加到源自网络的时间值中,从而降低实时服务的用户体验.PDV是由系统中的许多因素引起的.例如,任何处理数据包的活动网络元素(例如交换机)都将承受变化的负载条件.此负载是要处理的数据包数量和处理复杂性的函数,
　　可以通过增加其IEEE1588伺服环路内使用的振荡器的稳定性来减少PDV对RRH的影响.该伺服环路充当输入PDV的低通滤波器,并充当计时振荡器注入的噪声的高通滤波器.因此,振荡器越安静或更稳定,可以调节的伺服环路带宽就越低,以对输入PDV进行滤波并输出忠实地重现链路另一端的时标的时钟.然后,使用该”干净”的输出时钟来精确控制石英晶体振荡器,并重复进行反馈环路.
　　因此,振荡器的稳定性直接影响5G网络得出的定时精度.振荡器最常见的稳定性指标是温度的频率稳定性.通常,振荡器是专门为此数字选择的,通常被认为是整体稳定性的代名词.但是,该规格书无法描述受到热梯度影响时振荡器的稳定性.这里,频率与温度的斜率,也称为dF/dT,可能是定时精度的重要因素.图1和图2说明了SiTime Elite Platform™TCXO与竞争性石英器件相比在不断变化的热环境中具有出色稳定性的优势.

　　图1:SiTime SiT5356 ±100ppb TCXO具有业界领先的低频与温度斜率(dF/dT),可改善PDV滤波,从而提高时序精度,这是部署成功的实时服务所必需的.

　　图2:SiTime SiT5356 ±100ppb的基于MEMS的温补晶振与一级±50ppb的石英TCXO相比,在快速热梯度期间提供了卓越的稳定性.SiT5356的性能通过专有的Dual MEMS™结构和Turbo Compensation™温度补偿方案实现.
　　5G无线电中的电子设备是对流冷却的,因此要经受多种热条件.基于SiTime MEMS的设备不需要物理覆盖层,也不需要专用的PCB保留区域,石英设备通常需要进行热保护以保持数据表规格.
环境冲击和振动
　　5G网络的致密化意味着无线电将被安装在各种户外物体上,这些物体会受到来自卡车,火车,汽车,风和雷声等多种来源的振动的影响.这些无线电中部署的振荡器需要在振动过程中保持稳定的性能,以防止链路掉线和相关的操作员罚款.图3显示了MEMS温补晶振与quartz TCXO相比,在振动下的坚固性,在振动过程中会退化,并且只要振动持续下去就可能超出规格范围.对于附近的长途货运火车,这可能是几分钟,或者在大风天甚至更长.这种坚固性是MEMS体系结构所固有的,从而消除了石英设备通常所需的昂贵外壳或热保护和机械保护.

　　图3:与石英设备相比,SiTime MEMS振荡器提供了出色的冲击和振动性能,为5G网络的致密化提供了更多选择.显示的数据是根据MIL-STD-883F(方法2026)的7.5gRMS得出的.
质量与可靠性
　　致密化还要求更高水平的质量和可靠性,以最大程度地减少广泛部署5G无线电的服务要求.5GRRU中的Precision TCXO和OCXO晶振设备是4G中不存在的设备,它们为维修难以访问的故障提供了新的位置.
　　SiTime MEMS振荡器具有优于石英器件的固有优势,这使它们在极端环境下的性能更加可靠.SiTime开发了MEMS FirstTM工艺,其中谐振器完全封装在硅中并封装在微真空腔中[2].谐振器的极小质量及其坚硬的硅晶体结构相结合,使它们具有耐用性,并且极耐外部冲击,例如冲击和振动.与石英不同,全硅MEMS谐振器的老化可以忽略不计.此外,集成到振荡器电路中的优化设计的稳压器可抑制电源噪声,以在嘈杂的环境中保持稳定性.与石英器件相比,这些特性可为SiTime MEMS振荡器带来更高的质量和可靠性,以及更少的现场故障.
比较SiTime MEMS和Quartz器件
　　与用于5GRRU设备的传统石英TCXO相比,SiTime Elite Platform TCXO的主要优势包括:
　　质量提高50倍(DPPM)
　　可靠性提高30倍(MTBF)
　　抗机械冲击性能提高20倍(MIL-STD-883方法2002)
　　在快速热梯度的情况下,频率稳定性提高了10倍
　　抗随机振动性提高3倍(MIL-STD-883,Method2007)
　　没有频率跳跃或活动下降
　　出色的电源噪声抑制
　　由于这些好处,无论环境如何,在5GRRU设备中设计的Elite Platform TCXO都可以在全球范围内部署单个无线电设计.这样的设计节省了开发时间,加快了上市时间,并简化了生产.一旦在现场部署,这些无线电提供的强大定时功能将最大程度地减少对5G服务的干扰,并确保更好的用户体验.
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