關于作者--SiTime樣品中心

為了加速SiTime MEMS硅晶振產品的應用普及，讓中國電子工程師能快速體驗MEMS硅晶振的高穩定性、高可靠性、超小封裝、超低功耗、超低抖動等更多優勢，SiTime公司聯合本土半導體分銷商北京晶圓電子有限公司共同建立SiTime樣品中心，為用戶提供免費樣品申請，小批量試產、現貨應急、特價申請、技術支持等便捷服務，更多信息請訪問www.sitimechina.com，客戶服務熱線400-888-2483。

如果您參與了蜂窩技術的設計，那么您就會知道復雜性是什么樣子。 協議和標準像許多搖搖欲墜的構建基塊一樣堆疊在一起。 所有這些一起工作證明了精心的規格，精心的設計和謹慎的時機。

如今，5G風靡一時，而這次并沒有什么不同-實際上，它將變得更加艱難。 與前幾代產品相比，5G有望成為更多應用的首選解決方案。 因此人們的期望很高，這意味著必須再次仔細規劃和實施規格，設計和時序，才能實現5G的承諾。

5G的關鍵在于計時

5G技術將給時序解決方案帶來的壓力遠超過過去，這有很多原因。

頻率越高，周期越短–必須在更少的時間內完成更多的工作。

將更謹慎地使用帶寬；渠道會更緊密。這意味著可以容忍更少的時序偏差。

頻率越高，范圍越短，轉彎能力越差。這意味著更多的無線電，每個無線電覆蓋較小的區域。預計每個當前的4G無線電約為10或20個5G無線電。

這就是問題所在：無線電對無線電延遲預算為130 ns。這分解為兩個無線電之間的每個網絡節點10 ns的預算。從角度來看，GNSS計時精度為15 ns（占時間的99.7％）。這意味著更少的通道間干擾，有助于更好地使用帶寬。您可能會認為這不是什么大問題-至少在正常條件下無法實現-但請嘗試在所有條件下都保持這一時機.

保持所有這些滴答聲順利進行所需的時序將給時序源帶來難以置信的負擔。 對于本地時序，將需要MEMS時鐘的準確性，穩定性和可靠性。

網絡時序的來源

5G系統中將有三個計時源。網絡的主要來源是網絡本身，它使用IEEE 1588標準來通過以太網接收定時以及同步定時的SyncE頻率。但是，如果網絡出現故障，那么您將無法把握時機來自網絡。備份是GNSS，它提供每秒脈沖。不夠精確，但很有用。但是，如果您的設備在GNSS信號不強的地方怎么辦？您將需要花些時間直到網絡恢復正常，否則設備也將出現故障。

圖1.網絡同步器選擇了三個定時源之一，切換期間沒有相位跳變。

因此，保持時鐘的作用非常重要：保持本地時鐘，該時鐘一直持續到時序的主要返回源為止。就像飛輪一樣，即使沒有主動驅動，它也保持恒定速度旋轉。這要求一個非常穩定的時鐘源，而石英振蕩器則不會出現“活動性下降”和突然的頻率跳躍。

保持時鐘必須持續多長時間取決于網絡運營商；這沒有標準。在邊緣設備附近，保持時鐘應在2或4個小時內漂移不超過1μs。同時，離后端越近，時鐘不應漂移得更多在8或12或24小時內超過1μs。具體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-特別是因為基礎架構的其他部分不夠強大。

當然，您不能只是簡單地在這些來源之間進行選擇。 因為它們彼此完全獨立，所以它們沒有相位對齊。 如果您只是簡單地從一個切換到另一個，則會出現相位跳變，這可能會導致明顯的下游問題。 因此，網絡同步器負責執行“隱藏”切換-選擇輸出時鐘信號相位無中斷的信號源。

是什么使時序變得艱難？

采取已經嚴格的4G時序，使其更緊密，然后將設備放在以前從未有過的嚴酷位置。 簡而言之，就是5G，這對任何本地時鐘源都提出了許多挑戰。

振動

第一個問題是振動。 在更多地方（如路旁的電話桿上）安裝更多無線電，您將在惡劣的環境中擁有更多設備。 想象一下，一輛重型卡車駛過并搖晃附近的一切。

定時源必須不受這種振動的影響。 石英振蕩器很容易嘎嘎作響，而且只要振動持續下去，它們就有可能超出規格范圍。 對于附近的長途貨運火車來說，這可能是幾分鐘，或者在大風天，甚至可能更長。 相比之下，MEMS振蕩器不會因振動而超出規格。

圖2.石英TCXO對熱，氣流和快速溫度變化敏感，表現出明顯的頻率變化，而MEMS TCXO在這些條件下非常穩定。

熱量

5G設備將放置在任何可能的環境中。 這意味著某些設備會變得過熱。 其他將在非常寒冷的條件下運行。 例如，明尼阿波利斯的相同設備在夏季和冬季可能必須應對極端溫度。 而且，由于風扇容易出現故障，因此設計人員正試圖將其排除在外，這意味著5G設備將不會內置散熱裝置。

在所有溫度下保持定時準確都是非常困難的。 但是保持網絡連接至關重要。 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振蕩器可以在高達125°C的溫度下清潔工作，并且具有很高的穩定性。

快速溫度變化

好像還不足以在烈日和冰冷的條件下運行，您可以使溫度急劇變化的條件變得更加困難。 舉例來說，如果您去過西南地區，那里的鋒面碰撞和流動的噴射流將冷熱空氣聚集在一起，則環境溫度可能在幾分鐘內變化20°C。 這會給時鐘源帶來進一步的壓力，因為隨著溫度的升高或降低，時鐘源會暴露在尖銳的溫度梯度下。

石英很難應付迅速的溫度變化。 頻率可能會跳升數百ppb（十億分之一），超出規格范圍，然后花費幾分鐘來恢復所需的頻率。 相比之下，MEMS計時設備沒有問題。

5G時序需要MEMS振蕩器

借助5G設計，時間將比以往任何時候都重要。如果沒有緊密而精確的時鐘源，那么5G的承諾將只能保持如此大肆宣傳。 MEMS振蕩器的炒作變成了現實。這樣，網絡運營商才能確保自己的網絡不會因計時功能而癱瘓。

SiTime公司的MEMS振蕩器可以在5G設備所面臨的各種條件下不受干擾地工作。與石英相比，MEMS振蕩器：

額定溫度高達125°C

具有十倍于石英的抗振性

沒有微相位跳動，減少了掉話次數

具有100倍于石英的可靠性，最大程度地減少了卡車滾動（例如，SiTime在超過20億個發貨單元中出現了零現場故障）。

MEMS振蕩器可以以五分之一的能量消耗來完成所有這些工作，這一事實意味著，與以往不同的是，這實際上并沒有取舍。 MEMS有望成為計劃在短短幾年內投入使用的許多5G設計的時鐘源。

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