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來源：http://www.sedorisc.com 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
時序是任何電子系統的心跳,而5G網絡將特別取決于其時鐘源的準確性,穩定性和可靠性.4G網絡中使用的傳統石英計時設備面臨新的挑戰,以支持即將到來的5G網絡更高的帶寬和更窄的信道.MEMS技術解決了這些問題,滿足了所有時序要求,同時在動態環境壓力(例如沖擊,振動和溫度快速變化)的情況下,其性能明顯優于石英晶振解決方案.此外,與石英相比,100％的半導體供應鏈固有地為MEMS解決方案提供了卓越的質量和可靠性,這對于支持5G應用計劃的服務質量至關重要.
5GRRU時序的新興趨勢
從4G到5G網絡的過渡導致了兩個關鍵的新興趨勢:云化和致密化.需要在核心網絡中部署云技術或云化,以實現語音和視頻應用程序的實時處理.無線頭和基站之間的連接是4G中的點對點物理鏈路,它是使用云中維護的基于分組的網絡在5G中建立的.整個數據包網絡中的時間同步要求采用新標準,包括IEEE1588和演進的通用公共無線電接口(eCPRI),這對定時性能和可靠性提出了新的挑戰.
同時,新的移動服務有望增加寬帶蜂窩業務.為了增加5G數據速率,基站和用戶終端之間的距離將減小,從而導致網絡中的站點和節點數量相應增加.無線電接入網絡的這種密集化是5G網絡帶來的根本性轉變,對于增加用戶高度集中的城域容量至關重要.蜂窩無線電將在整個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無線電設備遭受各種環境條件的影響,這些環境條件要求計時設備具有更高的性能水平.
數據包延遲變化
計劃提供新的實時5G應用的服務運營商需要時間同步網絡.IEEE1588和eCPRI技術可在分組網絡上實現此時間同步.通過分組網絡將中央單元(CU)連接到遠程無線電頭(RRH)的一個結果是,在鏈路的兩端之間傳播的分組的時間延遲變化.這種數據包延遲變化(PDV),也稱為網絡抖動或數據包抖動,會將噪聲添加到源自網絡的時間值中,從而降低實時服務的用戶體驗.PDV是由系統中的許多因素引起的.例如,任何處理數據包的活動網絡元素(例如交換機)都將承受變化的負載條件.此負載是要處理的數據包數量和處理復雜性的函數,
可以通過增加其IEEE1588伺服環路內使用的振蕩器的穩定性來減少PDV對RRH的影響.該伺服環路充當輸入PDV的低通濾波器,并充當計時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定,可以調節的伺服環路帶寬就越低,以對輸入PDV進行濾波并輸出忠實地重現鏈路另一端的時標的時鐘.然后,使用該”干凈”的輸出時鐘來精確控制石英晶體振蕩器,并重復進行反饋環路.
因此,振蕩器的穩定性直接影響5G網絡得出的定時精度.振蕩器最常見的穩定性指標是溫度的頻率穩定性.通常,振蕩器是專門為此數字選擇的,通常被認為是整體穩定性的代名詞.但是,該規格書無法描述受到熱梯度影響時振蕩器的穩定性.這里,頻率與溫度的斜率,也稱為dF/dT,可能是定時精度的重要因素.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境中具有出色穩定性的優勢.
圖1:SiTime SiT5356 ±100ppb TCXO具有業界領先的低頻與溫度斜率(dF/dT),可改善PDV濾波,從而提高時序精度,這是部署成功的實時服務所必需的.
圖2:SiTime SiT5356 ±100ppb的基于MEMS的溫補晶振與一級±50ppb的石英TCXO相比,在快速熱梯度期間提供了卓越的穩定性.SiT5356的性能通過專有的Dual MEMS™結構和Turbo Compensation™溫度補償方案實現.
5G無線電中的電子設備是對流冷卻的,因此要經受多種熱條件.基于SiTime MEMS的設備不需要物理覆蓋層,也不需要專用的PCB保留區域,石英設備通常需要進行熱保護以保持數據表規格.
環境沖擊和振動
5G網絡的致密化意味著無線電將被安裝在各種戶外物體上,這些物體會受到來自卡車,火車,汽車,風和雷聲等多種來源的振動的影響.這些無線電中部署的振蕩器需要在振動過程中保持穩定的性能,以防止鏈路掉線和相關的操作員罰款.圖3顯示了MEMS溫補晶振與quartz TCXO相比,在振動下的堅固性,在振動過程中會退化,并且只要振動持續下去就可能超出規格范圍.對于附近的長途貨運火車,這可能是幾分鐘,或者在大風天甚至更長.這種堅固性是MEMS體系結構所固有的,從而消除了石英設備通常所需的昂貴外殼或熱保護和機械保護.
圖3:與石英設備相比,SiTime MEMS振蕩器提供了出色的沖擊和振動性能,為5G網絡的致密化提供了更多選擇.顯示的數據是根據MIL-STD-883F(方法2026)的7.5gRMS得出的.
質量與可靠性
致密化還要求更高水平的質量和可靠性,以最大程度地減少廣泛部署5G無線電的服務要求.5GRRU中的Precision TCXO和OCXO晶振設備是4G中不存在的設備,它們為維修難以訪問的故障提供了新的位置.
SiTime MEMS振蕩器具有優于石英器件的固有優勢,這使它們在極端環境下的性能更加可靠.SiTime開發了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].諧振器的極小質量及其堅硬的硅晶體結構相結合,使它們具有耐用性,并且極耐外部沖擊,例如沖擊和振動.與石英不同,全硅MEMS諧振器的老化可以忽略不計.此外,集成到振蕩器電路中的優化設計的穩壓器可抑制電源噪聲,以在嘈雜的環境中保持穩定性.與石英器件相比,這些特性可為SiTime MEMS振蕩器帶來更高的質量和可靠性,以及更少的現場故障.
比較SiTime MEMS和Quartz器件
與用于5GRRU設備的傳統石英TCXO相比,SiTime Elite Platform TCXO的主要優勢包括:
質量提高50倍(DPPM)
可靠性提高30倍(MTBF)
抗機械沖擊性能提高20倍(MIL-STD-883方法2002)
在快速熱梯度的情況下,頻率穩定性提高了10倍
抗隨機振動性提高3倍(MIL-STD-883,Method2007)
沒有頻率跳躍或活動下降
出色的電源噪聲抑制
由于這些好處,無論環境如何,在5GRRU設備中設計的Elite Platform TCXO都可以在全球范圍內部署單個無線電設計.這樣的設計節省了開發時間,加快了上市時間,并簡化了生產.一旦在現場部署,這些無線電提供的強大定時功能將最大程度地減少對5G服務的干擾,并確保更好的用戶體驗.
MEMS TCXO振蕩器系列的5G無線基站方案挑戰
時序是任何電子系統的心跳,而5G網絡將特別取決于其時鐘源的準確性,穩定性和可靠性.4G網絡中使用的傳統石英計時設備面臨新的挑戰,以支持即將到來的5G網絡更高的帶寬和更窄的信道.MEMS技術解決了這些問題,滿足了所有時序要求,同時在動態環境壓力(例如沖擊,振動和溫度快速變化)的情況下,其性能明顯優于石英晶振解決方案.此外,與石英相比,100％的半導體供應鏈固有地為MEMS解決方案提供了卓越的質量和可靠性,這對于支持5G應用計劃的服務質量至關重要.
5GRRU時序的新興趨勢
從4G到5G網絡的過渡導致了兩個關鍵的新興趨勢:云化和致密化.需要在核心網絡中部署云技術或云化,以實現語音和視頻應用程序的實時處理.無線頭和基站之間的連接是4G中的點對點物理鏈路,它是使用云中維護的基于分組的網絡在5G中建立的.整個數據包網絡中的時間同步要求采用新標準,包括IEEE1588和演進的通用公共無線電接口(eCPRI),這對定時性能和可靠性提出了新的挑戰.
同時,新的移動服務有望增加寬帶蜂窩業務.為了增加5G數據速率,基站和用戶終端之間的距離將減小,從而導致網絡中的站點和節點數量相應增加.無線電接入網絡的這種密集化是5G網絡帶來的根本性轉變,對于增加用戶高度集中的城域容量至關重要.蜂窩無線電將在整個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無線電設備遭受各種環境條件的影響,這些環境條件要求計時設備具有更高的性能水平.
數據包延遲變化
計劃提供新的實時5G應用的服務運營商需要時間同步網絡.IEEE1588和eCPRI技術可在分組網絡上實現此時間同步.通過分組網絡將中央單元(CU)連接到遠程無線電頭(RRH)的一個結果是,在鏈路的兩端之間傳播的分組的時間延遲變化.這種數據包延遲變化(PDV),也稱為網絡抖動或數據包抖動,會將噪聲添加到源自網絡的時間值中,從而降低實時服務的用戶體驗.PDV是由系統中的許多因素引起的.例如,任何處理數據包的活動網絡元素(例如交換機)都將承受變化的負載條件.此負載是要處理的數據包數量和處理復雜性的函數,
可以通過增加其IEEE1588伺服環路內使用的振蕩器的穩定性來減少PDV對RRH的影響.該伺服環路充當輸入PDV的低通濾波器,并充當計時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定,可以調節的伺服環路帶寬就越低,以對輸入PDV進行濾波并輸出忠實地重現鏈路另一端的時標的時鐘.然后,使用該”干凈”的輸出時鐘來精確控制石英晶體振蕩器,并重復進行反饋環路.
因此,振蕩器的穩定性直接影響5G網絡得出的定時精度.振蕩器最常見的穩定性指標是溫度的頻率穩定性.通常,振蕩器是專門為此數字選擇的,通常被認為是整體穩定性的代名詞.但是,該規格書無法描述受到熱梯度影響時振蕩器的穩定性.這里,頻率與溫度的斜率,也稱為dF/dT,可能是定時精度的重要因素.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境中具有出色穩定性的優勢.
5G無線電中的電子設備是對流冷卻的,因此要經受多種熱條件.基于SiTime MEMS的設備不需要物理覆蓋層,也不需要專用的PCB保留區域,石英設備通常需要進行熱保護以保持數據表規格.
環境沖擊和振動
5G網絡的致密化意味著無線電將被安裝在各種戶外物體上,這些物體會受到來自卡車,火車,汽車,風和雷聲等多種來源的振動的影響.這些無線電中部署的振蕩器需要在振動過程中保持穩定的性能,以防止鏈路掉線和相關的操作員罰款.圖3顯示了MEMS溫補晶振與quartz TCXO相比,在振動下的堅固性,在振動過程中會退化,并且只要振動持續下去就可能超出規格范圍.對于附近的長途貨運火車,這可能是幾分鐘,或者在大風天甚至更長.這種堅固性是MEMS體系結構所固有的,從而消除了石英設備通常所需的昂貴外殼或熱保護和機械保護.
質量與可靠性
致密化還要求更高水平的質量和可靠性,以最大程度地減少廣泛部署5G無線電的服務要求.5GRRU中的Precision TCXO和OCXO晶振設備是4G中不存在的設備,它們為維修難以訪問的故障提供了新的位置.
SiTime MEMS振蕩器具有優于石英器件的固有優勢,這使它們在極端環境下的性能更加可靠.SiTime開發了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].諧振器的極小質量及其堅硬的硅晶體結構相結合,使它們具有耐用性,并且極耐外部沖擊,例如沖擊和振動.與石英不同,全硅MEMS諧振器的老化可以忽略不計.此外,集成到振蕩器電路中的優化設計的穩壓器可抑制電源噪聲,以在嘈雜的環境中保持穩定性.與石英器件相比,這些特性可為SiTime MEMS振蕩器帶來更高的質量和可靠性,以及更少的現場故障.
比較SiTime MEMS和Quartz器件
與用于5GRRU設備的傳統石英TCXO相比,SiTime Elite Platform TCXO的主要優勢包括:
質量提高50倍(DPPM)
可靠性提高30倍(MTBF)
抗機械沖擊性能提高20倍(MIL-STD-883方法2002)
在快速熱梯度的情況下,頻率穩定性提高了10倍
抗隨機振動性提高3倍(MIL-STD-883,Method2007)
沒有頻率跳躍或活動下降
出色的電源噪聲抑制
由于這些好處,無論環境如何,在5GRRU設備中設計的Elite Platform TCXO都可以在全球范圍內部署單個無線電設計.這樣的設計節省了開發時間,加快了上市時間,并簡化了生產.一旦在現場部署,這些無線電提供的強大定時功能將最大程度地減少對5G服務的干擾,并確保更好的用戶體驗.
MEMS TCXO振蕩器系列的5G無線基站方案挑戰
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