不同等級的晶振產品對TD-SCDMA系統時鐘保持模式的影響

　　引言：對時鐘同步的保持模式如何達到一個更高的性價比是通信設備廠商遇到的一個普遍難題，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品對時鐘保持模式的影響。

　　TD-SCDMA系統時鐘指標

　　TD-SCDMA基站的時間同步需求描述見技術規范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理層(碼、幀、時隙)同步，保證所有NodeB同時發送同時接收，相位精度為<1.5μs;如果時間同步超過3μS將出現小區同步失敗，導致業務中斷。

　　影響時鐘保持指標關鍵器件——晶振的重要指標

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

　　其中晶振日波動漂移是由于環境溫度在24小時存在大約±2度的變化導致晶振溫度補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

　　兩種晶振指標在時鐘板上的保持指標

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

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

　　不做算法優化

　　一般在有空調的密閉環境下，24小時的環境溫度變化大約為±2度， 5小時的環境溫度變化大約為1度。

　　對于2B晶振

　　溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10

　　5小時老化漂移= (3E-10/24)*5=0.63E-10

　　所以保持指標達到1.5μS的小時=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.63)=4.5H

　　即：使用2B晶振在不做算法優化下，時鐘只能保持4.5個小時漂移在1.5μS以內。

　　對于3E晶振

　　溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10

　　5小時老化漂移= (1E-9/24)*5=2.1E-10

　　所以保持指標達到1.5μS的小時=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+2.1)=0.6H

　　即：使用3E晶振在不做算法優化下，時鐘只能保持0.6個小時漂移在1.5μS以內。

　　做算法優化

　　算法優化分為溫度特性優化以及老化率優化。

　　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境溫度點、環境的溫變速度、設備機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系類似于一個加速阻尼振蕩，是個5次函數關系，而溫度傳感器對于溫度變化的響應速度是非常快的，如要簡單依賴溫度傳感器對晶振的溫度特性做優化，會帶來溫度補償超前或滯后，導致頻率晃動加上，短穩、抖動指標都將惡化，而且優化系統很難預知其他溫度點晶振的漂移值。

　　在晶振通電穩定后，晶體的老化漂移呈現非常有規律且重復性非常好的類拋物曲線，采取簡單的線性補償就可以提升1~2個數量級。如要對晶振老化漂移優化，需要得到晶振在上級時鐘良好、時鐘板處于鎖定狀態下的漂移，通過讀取鎖定電壓值即可。需要特別注意的是，這個鎖定值會在晶振老化漂移的基礎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，即便采取平滑手段也很難得到老化真正的漂移特性，或者得到的不夠準確，也會帶來晶振老化優化提升不足。

　　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，也可以實現晶振老化優化2個數量級。

　　同樣，一般在有空調的密閉環境下，24小時的環境溫度變化大約為±2度， 5小時的環境溫度變化大約為1度。

　　對于2B晶振

　　溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10

　　12小時老化漂移= (3E-10/24)*12/100=0.02E-10

　　所以保持指標達到1.5μS的小時=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.015)=13.2H

　　即：使用2B晶振在做算法優化的前提下，時鐘可以保持13.2個小時漂移在1.5μS以內。

　　對于3E晶振(由于溫度特性過于差，導致老化優化只能大約提升1個數量級)

　　溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10

　　5小時老化漂移= (1E-9/24)*5/10=0.21E-10

　　所以保持指標達到1.5μS的小時=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+0.21)=0.8H

　　即：使用3E晶振在做算法優化的前提下，時鐘只能保持0.8個小時漂移在1.5μS以內。