未來將是5G產品的時代,這是大勢所趨,我們的民族企業華為集團已經成功簽訂了幾十個國家的5G基站訂單,并且推出了5G網絡的智能手機,各大運營商也在確定5G套餐.曾經以為5G還很遙遠,因為4G網絡已經足夠日常生活的應用了,但是5G改變的將會是社會,提到5G不得不說的是其內部默默振動的那顆MEMS振蕩器.很多人都知道晶振是網絡設備時序時鐘源里,最重要的一種電子組件,那么MEMS晶振就是頻率元件里,高性能,高可靠性的代表之一.

如果您參與了蜂窩技術的設計,您就會知道復雜性是什么樣的.協議和標準像許多搖擺不定的構建塊一樣堆疊在一起.這一切都在一起工作,這是對細節規格,精心設計和精心計時的證明.今天,5G風靡一時,而這次也沒有什么不同-事實上,它會變得更加強硬.與前幾代產品相比,5G有望成為更多應用的首選解決方案.因此,期望很高-這意味著,為了實現5G的承諾,必須仔細規劃和實施規格,設計和時間安排.

5G是關于更艱難的時機:

5G技術對計時解決方案的壓力將遠遠超過過去,原因有很多.石英晶體振蕩器頻率越高意味著周期越短——必須在更短的時間內完成更多的工作.帶寬將得到更仔細的使用;頻道會更緊.這意味著可以容忍更少的時序溢出.更高的頻率意味著更短的范圍和更少的轉彎能力.這意味著更多的收音機,每臺覆蓋更小的區域.每臺當前4G收音機的預期數量約為10或205G.

問題是:130納秒的無線電對無線電延遲預算.這就分解成兩個無線電之間每個網絡節點10ns的預算.就透視而言,全球導航衛星系統定時精度為15納秒(99.7%的時間).這意味著更少的信道間干擾,有助于更好地使用帶寬.你可能認為這沒什么大不了的,至少在標稱條件下–但是嘗試使計時在所有條件下都有效.保持這一切順利進行所需的時間將給時間源帶來難以置信的負擔.對于本地時序,需要微機電系統時鐘的精度、穩定性和可靠性.

網絡時間源:

5G系統中將有三個時序源.主要來源是網絡本身,使用IEEE1588標準接收定時,以及通過以太網同步定時的SyncE頻率.但是,如果網絡出現故障,那么就無法從網絡中獲取時間.備份是GNSS,每秒提供一個脈沖.不是非常精確,但有用.但是如果你的設備沒有強大的GNSS信號呢?您需要留出時間,直到網絡恢復或您的設備也會停機.

因此,一個非常重要的角色是保持時鐘:一個本地派生的時鐘,一直持續到主時鐘返回源.它就像一個飛輪,即使在沒有被主動驅動的情況下也能以恒定的速度旋轉.這要求一個非常穩定的時鐘源,沒有”活動下降”和石英振蕩器表現出突然的頻率跳躍.

保持時鐘必須保持多長時間取決于網絡運營商;沒有標準.在邊緣設備附近,保持時鐘應在2或4小時內漂移不超過1μs.同時,靠近后端,時鐘在8或12或24小時內不應漂移超過1μs.特定持續時間由網絡運營商選擇.例如,您可能會發現在印度,網絡運營商需要更嚴格的規范-特別是因為基礎設施的其他部分不夠強大.

圖1.網絡同步器選擇三個定時源之一,在切換期間沒有相位跳變.

當然,你不能只有一個簡單的開關來選擇這些來源.因為它們彼此完全獨立,所以它們不是相位對齊的.如果你只是從一個切換到另一個,你會得到相位跳躍,可能會導致嚴重的下游問題.因此,網絡同步器負責執行“隱藏”切換-在輸出時鐘信號的相位中選擇沒有中斷的源.

是什么讓時機變得艱難?

采取已經緊張的4G時序,使其更緊湊,然后將設備放置在以前沒有的苛刻地點.簡而言之,這就是5G,它為任何本地時鐘源帶來了許多挑戰.第一個問題是振動.在更多的地方有更多的無線電-比如在公路旁邊的電線桿上-你將在惡劣的環境中擁有更多的設備.想象一下,當一輛重型卡車駛過并晃動附近的一切時.定時源必須不受這種振動的影響.硅MEMS可編程晶振很容易發出嘎嘎聲,并且只要振動持續,它們就會超出規格.這可能是附近長貨運列車的幾分鐘,或者在刮風的日子甚至更長.相比之下,MEMS振蕩器不會因振動而超出規格.

圖2.石英TCXO晶振對熱,氣流和快速溫度變化敏感,表現出顯著的頻率變化,而MEMSTCXO在這些條件下非常穩定.

5G設備將放置在每個可以想象的環境中.這意味著一些設備會變得非常熱;其他人將在非常寒冷的條件下運作.明尼阿波利斯的相同設備可能需要在夏季和冬季處理極端溫度.而且,由于風扇容易出現故障,設計人員正試圖將它們排除在外,這意味著5G設備不會內置冷卻功能.

在所有溫度下保持計時準確是非常困難的.但保持網絡發展至關重要.這意味著即使在極端溫度條件下,網絡也必須繼續運行.高性能MEMS振蕩器可在高達125°C的溫度下干凈運行,具有極高的穩定性.

5G時序需要MEMS振蕩器

采用5G設計,時序比以往任何時候都重要.如果沒有嚴密,精確的時鐘源,5G的承諾將只會如此大肆宣傳.MEMS振蕩器的炒作變為現實;這是網絡運營商如何確保他們的網絡不會由于計時功能而下降的原因.來自SiTime等公司的MEMS時鐘晶體振蕩器可以在5G設備將要接觸的各種條件下不受干擾地運行.與石英相比,MEMS振蕩器:

•溫度額定值高達125°C

•具有10倍的石英抗振性

•不會出現微相跳躍,減少掉線次數

•具有100倍的石英可靠性,最大限度地減少了卡車運輸

事實上,MEMS Oscillator能夠以五分之一的能耗來完成所有這一切,這意味著,不同尋常的是,確實沒有權衡取舍.MEMS很有可能成為計劃在短短幾年內投入使用的眾多5G設計的首選時鐘源.

快速溫度變化:

好像它不足以在熾熱的太陽和寒冷的條件下操作,你可以在發生快速溫度變化的情況下使條件變得更加困難.例如,如果你曾經在西南地區,那里碰撞的前鋒和一股移動的噴射流將冷熱氣團聚集在一起,環境溫度可以在幾分鐘內改變20°C.這會對時鐘源造成進一步的壓力,因為當溫度升高或降溫時,它會暴露在急劇的溫度梯度中.Quartz很難處理快速的溫度變化.頻率可以跳過數百ppb(十億分之一),超出規格,然后花費幾分鐘來恢復所需的頻率.相比之下,MEMS定時裝置可以保持穩定.

MEMS振蕩器的成本相比于普通的振蕩器類型可能會高些,因此就有用戶提出質疑,5G產業鏈為什么一定要用MEMS,最重要的原因除了MEMS系列的貼片晶振具有低相噪,低抖動,低電壓,低損耗,低電平,高精度等常見優勢,還因為MEMS是屬于微機電系統的,擁有特殊的可編程功能.可以滿足任意一種產品的需求,并具有一定的抗電磁波干擾和低等效串聯電阻的作用.