2B-3E恒溫晶振對TD-SCDMA時(shí)鐘性能影響分析

關(guān)鍵字： 2B-3E恒溫晶振  TD-SCDMA時(shí)鐘  時(shí)鐘同步 

引言：對時(shí)鐘同步的保持模式如何達(dá)到一個(gè)更高的性價(jià)比是通信設(shè)備廠商遇到的一個(gè)普遍難題，為了能更清楚地解釋這些問題，筆者撰文分析了各種不同等級的晶振產(chǎn)品對時(shí)鐘保持模式的影響。

一、TD-SCDMA系統(tǒng)時(shí)鐘指標(biāo)

TD-SCDMA 基站的時(shí)間同步需求描述見技術(shù)規(guī)范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理層（碼、幀、時(shí)隙）同步，保證所有NodeB同時(shí)發(fā)送同時(shí)接收，相位精度為<1.5us；如果時(shí)間同步超過3uS將出現(xiàn)小區(qū)同步失敗，導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。

二、影響時(shí)鐘保持指標(biāo)關(guān)鍵器件——晶振的重要指標(biāo)

保持模式下的漂移= 晶振的日老化+晶振日波動(dòng)+晶振溫度漂移+電源特性漂移

其中晶振日波動(dòng)漂移是由于環(huán)境溫度在24小時(shí)存在大約+/- 2度的變化導(dǎo)致晶振溫度補(bǔ)償超前或滯后帶來的頻率變化，主要取決于晶振的溫度特性。

另外晶振供電電源如果采取波動(dòng)較小的LDO供電，且電源特性漂移相比日老化及溫度漂移要小很多，可以忽略。

所以保持模式下漂移的主要影響因素 = 晶振的日老化+ 晶振溫度漂移

三、兩種晶振指標(biāo)在時(shí)鐘板上的保持指標(biāo)

第一種2B晶振： 溫度穩(wěn)定度3E-9(-30~70度) 年老化3E-8 日老化3E-10

第二種3E晶振： 溫度穩(wěn)定度5E-8(-30~70度) 年老化1E-7 日老化1E-9

不做算法優(yōu)化

一般在有空調(diào)的密閉環(huán)境下，24小時(shí)的環(huán)境溫度變化大約為+/- 2度， 5小時(shí)的環(huán)境溫度變化大約為1度。

對于2B晶振
溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10
5小時(shí)老化漂移= (3E-10/24)*5=0.63E-10
所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5uS的小時(shí)=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.63)=4.5H
即：使用2B晶振在不做算法優(yōu)化下，時(shí)鐘只能保持4.5個(gè)小時(shí)漂移在1.5uS以內(nèi)。

對于3E晶振
溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10
5小時(shí)老化漂移= (1E-9/24)*5=2.1E-10
所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5uS的小時(shí)=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+2.1)=0.6H
即：使用3E晶振在不做算法優(yōu)化下，時(shí)鐘只能保持0.6個(gè)小時(shí)漂移在1.5uS以內(nèi)。

做算法優(yōu)化

算法優(yōu)化分為溫度特性優(yōu)化以及老化率優(yōu)化。

晶振的溫度特性漂移速度以及漂移量取決于晶振所處的環(huán)境溫度點(diǎn)、環(huán)境的溫變速度、設(shè)備機(jī)箱的溫度傳遞速度以及晶體的遲滯特性， 晶振頻率漂移與溫度變化的關(guān)系類似于一個(gè)加速阻尼振蕩，是個(gè)5次函數(shù)關(guān)系，而溫度傳感器對于溫度變化的響應(yīng)速度是非?？斓?，如要簡單依賴溫度傳感器對晶振的溫度特性做優(yōu)化，會(huì)帶來溫度補(bǔ)償超前或滯后，導(dǎo)致頻率晃動(dòng)加上，短穩(wěn)、抖動(dòng)指標(biāo)都將惡化，而且優(yōu)化系統(tǒng)很難預(yù)知其他溫度點(diǎn)晶振的漂移值。

在晶振通電穩(wěn)定后，晶體的老化漂移呈現(xiàn)非常有規(guī)律且重復(fù)性非常好的類拋物曲線，采取簡單的線性補(bǔ)償就可以提升1~2個(gè)數(shù)量級。如要對晶振老化漂移優(yōu)化，需要得到晶振在上級時(shí)鐘良好、時(shí)鐘板處于鎖定狀態(tài)下的漂移，通過讀取鎖定電壓值即可。 需要特別注意的是，這個(gè)鎖定值會(huì)在晶振老化漂移的基礎(chǔ)上疊加晶振溫度特性的影響，如果晶振溫度漂移特性超過老化漂移時(shí)，即便采取平滑手段也很難得到老化真正的漂移特性，或者得到的不夠準(zhǔn)確，也會(huì)帶來晶振老化優(yōu)化提升不足。

總之，晶振良好的溫度特性不僅可以極大減小晶振受溫度影響的漂移量，也可以實(shí)現(xiàn)晶振老化優(yōu)化2個(gè)數(shù)量級。

同樣，一般在有空調(diào)的密閉環(huán)境下，24小時(shí)的環(huán)境溫度變化大約為+/- 2度， 5小時(shí)的環(huán)境溫度變化大約為1度。

對于2B晶振
溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10
12小時(shí)老化漂移= (3E-10/24)*12/100=0.02E-10
所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5uS的小時(shí)=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.015)=13.2H
即：使用2B晶振在做算法優(yōu)化的前提下，時(shí)鐘可以保持13.2個(gè)小時(shí)漂移在1.5uS以內(nèi)。

對于3E晶振(由于溫度特性過于差，導(dǎo)致老化優(yōu)化只能大約提升1個(gè)數(shù)量級)
溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10
5小時(shí)老化漂移= (1E-9/24)*5/10=0.21E-10
所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5uS的小時(shí)=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+0.21)=0.8H
即：使用3E晶振在做算法優(yōu)化的前提下，時(shí)鐘只能保持0.8個(gè)小時(shí)漂移在1.5uS以內(nèi)。

四、結(jié)論

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出不論是否采取時(shí)鐘優(yōu)化手段，晶振良好的溫度穩(wěn)定度對時(shí)鐘保持指標(biāo)其到至關(guān)重要的作用。此外，晶振的溫度特性取決于晶振的控溫/補(bǔ)償精度，所占晶振的成本大約10%，基本上取決于晶振廠家的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。

作者：劉朝勝，廣東大普通信技術(shù)有限公司總工程師

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