2B-3E恒温晶振对TD-SCDMA时钟性能影响分析

     引言：对时钟同步的保持模式如何达到一个更高的性价比是通信设备厂商遇到的一个普遍难题，为了能更清楚地解释这些问题，笔者撰文分析了各种不同等级的晶振产品对时钟保持模式的影响。

　　TD-SCDMA系统时钟指标

　　TD-SCDMA基站的时间同步需求描述见技术规范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理层(码、帧、时隙)同步，保证所有NodeB同时发送同时接收，相位为<1.5μs；如果时间同步超过3μS将出现小区同步失败，导致业务中断。

　　影响时钟保持指标关键器件——晶振的重要指标

　　保持模式下的漂移= 晶振的日老化+晶振日波动+晶振温度漂移+电源特性漂移

　　其中晶振日波动漂移是由于环境温度在24小时存在大约±2度的变化导致晶振温度补偿超前或滞后带来的频率变化，主要取决于晶振的温度特性。

　　另外晶振供电电源如果采取波动较小的LDO供电，且电源特性漂移相比日老化及温度漂移要小很多，可以忽略。

　　所以保持模式下漂移的主要影响因素 = 晶振的日老化+ 晶振温度漂移

　　两种晶振指标在时钟板上的保持指标

　　种2B晶振： 温度稳定度3E-9(-30~70℃) 年老化3E-8日老化3E-10

　　第二种3E晶振： 温度稳定度5E-8(-30~70℃) 年老化1E-7日老化1E-9

　　不做算法优化

　　一般在有空调的密闭环境下，24小时的环境温度变化大约为±2度， 5小时的环境温度变化大约为1度。

　　对于2B晶振

　　温度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10

　　5小时老化漂移= (3E-10/24)*5=0.63E-10

　　所以保持指标达到1.5μS的小时=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.63)=4.5H

　　即：使用2B晶振在不做算法优化下，时钟只能保持4.5个小时漂移在1.5μS以内。

　　对于3E晶振

　　温度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10

　　5小时老化漂移= (1E-9/24)*5=2.1E-10

　　所以保持指标达到1.5μS的小时=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+2.1)=0.6H

　　即：使用3E晶振在不做算法优化下，时钟只能保持0.6个小时漂移在1.5μS以内。

　　做算法优化

　　算法优化分为温度特性优化以及老化率优化。

　　晶振的温度特性漂移速度以及漂移量取决于晶振所处的环境温度点、环境的温变速度、设备机箱的温度传递速度以及晶体的迟滞特性， 晶振频率漂移与温度变化的关系类似于一个加速阻尼振荡，是个5次函数关系，而温度传感器对于温度变化的响应速度是非常快的，如要简单依赖温度传感器对晶振的温度特性做优化，会带来温度补偿超前或滞后，导致频率晃动加上，短稳、抖动指标都将恶化，而且优化系统很难预知其他温度点晶振的漂移值。

　　在晶振通电稳定后，晶体的老化漂移呈现非常有规律且重复性非常好的类抛物曲线，采取简单的线性补偿就可以提升1~2个数量级。如要对晶振老化漂移优化，需要得到晶振在上级时钟良好、时钟板处于锁定状态下的漂移，通过读取锁定电压值即可。 需要特别注意的是，这个锁定值会在晶振老化漂移的基础上叠加晶振温度特性的影响，如果晶振温度漂移特性超过老化漂移时，即便采取平滑手段也很难得到老化真正的漂移特性，或者得到的不够准确，也会带来晶振老化优化提升不足。

　　总之，晶振良好的温度特性不仅可以极大减小晶振受温度影响的漂移量，也可以实现晶振老化优化2个数量级。

　　同样，一般在有空调的密闭环境下，24小时的环境温度变化大约为±2度， 5小时的环境温度变化大约为1度。

　　对于2B晶振

　　温度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10

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

　　所以保持指标达到1.5μS的小时=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.015)=13.2H

　　即：使用2B晶振在做算法优化的前提下，时钟可以保持13.2个小时漂移在1.5μS以内。

　　对于3E晶振(由于温度特性过于差，导致老化优化只能大约提升1个数量级)

　　温度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10

　　5小时老化漂移= (1E-9/24)*5/10=0.21E-10

　　所以保持指标达到1.5μS的小时=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+0.21)=0.8H

　　即：使用3E晶振在做算法优化的前提下，时钟只能保持0.8个小时漂移在1.5μS以内。

　　本文小结

　　从上述计算结果可以看出不论是否采取时钟优化手段，晶振良好的温度稳定度对时钟保持指标其到至关重要的作用。此外，晶振的温度特性取决于晶振的控温/补偿，所占晶振的成本大约10%，基本上取决于晶振厂家的设计水准。