未來將是5G產(chǎn)品的時代,這是大勢所趨,我們的民族企業(yè)華為集團已經(jīng)成功簽訂了幾十個國家的5G基站訂單,并且推出了5G網(wǎng)絡(luò)的智能手機,各大運營商也在確定5G套餐.曾經(jīng)以為5G還很遙遠,因為4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)足夠日常生活的應(yīng)用了,但是5G改變的將會是社會,提到5G不得不說的是其內(nèi)部默默振動的那顆MEMS振蕩器.很多人都知道晶振是網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)的設(shè)計,您就會知道復(fù)雜性是什么樣的.協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)像許多搖擺不定的構(gòu)建塊一樣堆疊在一起.這一切都在一起工作,這是對細節(jié)規(guī)格,精心設(shè)計和精心計時的證明.今天,5G風(fēng)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(chǎn)品相比,5G有望成為更多應(yīng)用的首選解決方案.因此,期望很高-這意味著,為了實現(xiàn)5G的承諾,必須仔細規(guī)劃和實施規(guī)格,設(shè)計和時間安排.

5G是關(guān)于更艱難的時機:

5G技術(shù)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(nèi)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(zhuǎn)彎能力.這意味著更多的收音機,每臺覆蓋更小的區(qū)域.每臺當(dāng)前4G收音機的預(yù)期數(shù)量約為10或205G.

問題是:130納秒的無線電對無線電延遲預(yù)算.這就分解成兩個無線電之間每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點10ns的預(yù)算.就透視而言,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)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(biāo)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(dān).對于本地時序,需要微機電系統(tǒng)時鐘的精度、穩(wěn)定性和可靠性.

網(wǎng)絡(luò)時間源:

5G系統(tǒng)中將有三個時序源.主要來源是網(wǎng)絡(luò)本身,使用IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)接收定時,以及通過以太網(wǎng)同步定時的SyncE頻率.但是,如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障,那么就無法從網(wǎng)絡(luò)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(shè)備沒有強大的GNSS信號呢?您需要留出時間,直到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)或您的設(shè)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(xù)到主時鐘返回源.它就像一個飛輪,即使在沒有被主動驅(qū)動的情況下也能以恒定的速度旋轉(zhuǎn).這要求一個非常穩(wěn)定的時鐘源,沒有”活動下降”和石英振蕩器表現(xiàn)出突然的頻率跳躍.

保持時鐘必須保持多長時間取決于網(wǎng)絡(luò)運營商;沒有標(biāo)準(zhǔn).在邊緣設(shè)備附近,保持時鐘應(yīng)在2或4小時內(nèi)漂移不超過1μs.同時,靠近后端,時鐘在8或12或24小時內(nèi)不應(yīng)漂移超過1μs.特定持續(xù)時間由網(wǎng)絡(luò)運營商選擇.例如,您可能會發(fā)現(xiàn)在印度,網(wǎng)絡(luò)運營商需要更嚴(yán)格的規(guī)范-特別是因為基礎(chǔ)設(shè)施的其他部分不夠強大.

圖1.網(wǎng)絡(luò)同步器選擇三個定時源之一,在切換期間沒有相位跳變.

當(dāng)然,你不能只有一個簡單的開關(guān)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(dǎo)致嚴(yán)重的下游問題.因此,網(wǎng)絡(luò)同步器負責(zé)執(zhí)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(jīng)緊張的4G時序,使其更緊湊,然后將設(shè)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(zhàn).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(huán)境中擁有更多的設(shè)備.想象一下,當(dāng)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(fā)出嘎嘎聲,并且只要振動持續(xù),它們就會超出規(guī)格.這可能是附近長貨運列車的幾分鐘,或者在刮風(fēng)的日子甚至更長.相比之下,MEMS振蕩器不會因振動而超出規(guī)格.

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

5G設(shè)備將放置在每個可以想象的環(huán)境中.這意味著一些設(shè)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(shè)備可能需要在夏季和冬季處理極端溫度.而且,由于風(fēng)扇容易出現(xiàn)故障,設(shè)計人員正試圖將它們排除在外,這意味著5G設(shè)備不會內(nèi)置冷卻功能.

在所有溫度下保持計時準(zhǔn)確是非常困難的.但保持網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至關(guān)重要.這意味著即使在極端溫度條件下,網(wǎng)絡(luò)也必須繼續(xù)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(wěn)定性.

5G時序需要MEMS振蕩器

采用5G設(shè)計,時序比以往任何時候都重要.如果沒有嚴(yán)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?yōu)楝F(xiàn)實;這是網(wǎng)絡(luò)運營商如何確保他們的網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(xiàn)微相跳躍,減少掉線次數(shù)

•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(quán)衡取舍.MEMS很有可能成為計劃在短短幾年內(nèi)投入使用的眾多5G設(shè)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(fā)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(jīng)在西南地區(qū),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(huán)境溫度可以在幾分鐘內(nèi)改變20°C.這會對時鐘源造成進一步的壓力,因為當(dāng)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(shù)百ppb(十億分之一),超出規(guī)格,然后花費幾分鐘來恢復(fù)所需的頻率.相比之下,MEMS定時裝置可以保持穩(wěn)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(zhì)疑,5G產(chǎn)業(yè)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(yōu)勢,還因為MEMS是屬于微機電系統(tǒng)的,擁有特殊的可編程功能.可以滿足任意一種產(chǎn)品的需求,并具有一定的抗電磁波干擾和低等效串聯(lián)電阻的作用.