有关的参考时钟的性能要求 5G通信

概述

近年来，数据需求的激增导致了高速5代通信系统（5G）的部署，用于移动通信、物联网（IoT）、

以及高级驾驶员辅助系统（ADAS）。

为了跟上不断增长的数据需求，通信能力必须继续增加

通过采用更快的数据速率和分配更多的带宽。更快的数据速率和更高的带宽需要精确的时钟，并对允许的噪声水平提出严格的要求。

在这里，我们解释了5G通信系统的情况，参考时钟所需的性能，以及爱普生在这些领域的努力。

5G通信系统和市场

5G通信系统包括与每个设备进行无线通信的5G基站（宏小区基站和小小区基站），以及连接基站到核心网络和地铁网络的移动回程，进而将基站连接到数据中心。随着从LTE到5G的迁移，网络必须支持大规模提高的吞吐量、更高的吞吐量

已连接设备的数量，以及超可靠的低延迟通信。

光网络市场

连接5G基站和数据中心的核心网络和地铁网络是由一个

由光纤连接的光纤网络。随着5G的部署，光传输

高效、高容量的通信技术已得到发展和投入

实际使用。此外，数据中心之间的链接，也被称为数据中心互连（DCI），正在利用100G、200G和400G连接，以及400G相干DWDM(密集波长

分法多路复用)接口400ZR已经标准化，800ZR正在开发中。

使用PAM4的400GbE已经标准化，800 Gbps速度100G PAM-4 PHY开始发布

客户端传输以及。图2显示了DWDM端口单元的出货量，包括400ZR和

800G.在未来，随着5G的普及，400ZR、800ZR和PAM4预计将在光网络市场

5G基站市场

为了增加网络容量，还必须增加基站的数据吞吐量。这个

对增加5G无线网络容量贡献最大的技术是频率带宽的扩展。现在可以通过使用高于LTE的载波频率来扩展频率带宽。LTE每通道的最大频率带宽为20 MHz，但随着3GPP版本15,5G的最大频率带宽已扩展到FR1的100MHz（载波频率：410 MHz至7125MHz），FR2的400MHz（载波频率：24.25 GHz至52.6 GHz）。如图3所示，基站市场的总出货量趋势为持平，但由于改用LTE，预计5G基站的出货量将会增长。

图3。基站市场预测

针对5G PAM4的通信系统和参考时钟的要求规范

历史上，使用开/关键控的NRZ传输被广泛应用于光学

交流是由于它们的简单性。最近，一种脉冲调幅技术，

PAM4已被采用，PAM4使用多个振幅水平同时编码两个位。这使得它有可能安全的两倍的传输速度作为NRZ。

与NRZ（非回归到零）信号相比，PAM4信号的眼睛开口更小

（图中橙色部分）使用眼睛模式观察到，传输信号的质量趋于恶化。为了保证传输信号的质量，有一个SPXO(简单包装

晶体振荡器)具有低抖动性能是需要的参考时钟。约100 fs为

作为参考时钟的有效阈值。此外，由于光通信单元的模块化，参考时钟必须很小，并且消耗低电流。

400ZR

400ZR使用相干光传输技术在长距离达到400 Gbps的速度。与NRZ或PAM4不同，400ZR使用正交调制，由数字来执行

相干信号处理电路，被调制的数据在相干光上传输。

为了处理400G信号，该信号处理的DAC/ADC所需的采样时钟

电路需要一个SPXO，频率通常为between156.25 MHz和500 MHz，低抖动特性约为100 fs。此外，频率容差由OIF-400ZR- 01.0规定，精度为± 20 x 10-6是必需的。整个系统都需要低功耗，并且对具有低电流消耗特性的时钟有强烈的偏好。

5G无线基站，RU（无线电单元）

在5G无线基站中，使用复杂的技术，如QAM（正交调幅）和OFDM（正交

频分复用），以最大限度地提高吞吐量

给定的无线频谱信道。

图6。OFDM框图

随着由于频率带宽的扩展而加快的传输速度，OFDM 5G系统中的DAC/ADC需要比LTE更快、更准确的采样时钟。因此，VCXOs

（电压控制晶体振荡器）的抖动清洁器需要高频和低抖动

特性近年来，利用SPXO作为抖动参考时钟的技术

清洁剂已逐渐进入实际使用阶段。然而，即便如此，SPXOs也必须具有较高的频率

以及低抖动特性。此外，由于基站是在户外安装的

暴露在周围环境的振动中，需要一个暴露在振动时特性稳定的时钟；也就是说，加速度灵敏度小的时钟

必须的

高频时钟的实现技术

SPXO或VCXO通常用于100 MHz或更高的高频时钟，它们的配置使振荡器和集成电路内置在一个包中。有几种类型的

实现高频时钟的技术。这些技术与内置的晶体单元或集成电路集成。在这里，实现高频时钟的技术及其特点是

给…看

-基模振荡器：高频晶体单元+基模振荡电路（IC）

在一个普通的石英晶体单元中，石英被以所谓的AT切割角切割出来

根据频率加工成一个薄薄的晶体芯片。频率越高，需要处理的频率就越薄。一个100-MHz的晶体单元的厚度为16.7 μm。稳定的高

通过将晶体单元与高频振荡器电路相结合，可以获得具有低噪声、低抖动的频率时钟。另一方面，由于晶体芯片很薄，所以它的含量也很低

机械强度大，易受振动的影响。

-第三泛音模式振荡器：第三泛音模式晶体单元+第三泛音振荡器电路（IC）除了基模振动外，晶体单元还有其他奇数谐波，如第三和第五次谐波。第三泛音晶体单元在第三谐波模式下发生共振。换句话说，一个100mhz的第三泛音模式晶体单元具有相同的厚度（50.1 μm）

33.3333 MHz晶体单元。这种相对较大的厚度增加了机械强度和机械强度使晶体不太容易受到振动的损坏。它也有低噪声和抖动

与基模振荡器相当的特性。然而，在三次谐波时的等效串联电阻较大，增加了振荡电路的设计难度，

基波根据工作环境的变化而振荡，可能在系统运行中造成致命的问题。

外，由于Q值较高，所以频率也不较高

即使改变了振荡电路的负载电容，也很容易改变，因此不合适

VCXO。

-HFF（高频基振荡）振荡器：HFF晶体单元+基振荡电路（IC）

HFF晶体振荡器能够在高频振动，因为它们有一个倒平顶膜结构，这是通过使用光刻工艺只蚀刻晶体芯片的振动区域到极薄的。由于晶体芯片在外面的区域有足够的厚性

振动区域，具有高机械强度，抗振动。将晶体单元与高抖动相结合，可以获得低噪声、低抖动的稳定高频时钟

频率振荡器电路。

- PLL振荡器：低频晶体单元+基线振荡电路和PLL电路（IC）

PLL振荡器使用一个抗机械应力和振动的低频晶体单元作为晶体单元。将振荡电路得到的频率乘以PLL电路，得到更高的频率。虽然PLL电路可以相对容易地产生高频时钟，但它增加了噪声，因此其抖动特性不如其他技术。随着PLL电路的驱动，电流消耗趋于增加。

MEMS（微机电系统）振荡器使用MEMS谐振器而不是石英晶体谐振器。

-SAW（表面声波）振荡器：SAW谐振器+基本振荡电路（IC）

声表面波谐振器是一种在晶体芯片表面产生表面声波并与晶体芯片产生共振的装置。声表面波谐振器的特性不是由厚度决定的

的晶体芯片，但由梳状电极之间的距离(数字间

传感器： IDT)在晶体表面形成。频率可以增加到大约1 GHz

通过使用光刻工艺来形成电极，并产生较厚的晶体芯片

并具有较高的机械强度。振荡期间的噪声也很低，并且可以获得较低的抖动特性。另一方面，而晶体的频率/温度系数

单元具有三阶特性，波谐振器具有二阶特性，因此频率稳定性较低。

塔布e1总结了上述高频技术及其特点

关于各种技术可用，精工爱普生已选择使用HFF振荡器

成功的系统将符合5G通信市场需求的高频时钟商业化。

冲击和振动性能

我们的产品在可靠性测试中进行冲击和振动测试。下图

显示了我们的491.52 -MHz HFF SPXO SG3225EEN的冲击和振动测试结果。它通过了±频率波动10 ppm的内部标准。在标准条件下

冲击试验1000g，振动试验为20 G。此外，即使施加了超过标准条件的振动和冲击，也没有出现由HFF造成的故障

振荡器损伤，频率波动无异常。这一结果证明了HFF振荡器在500 MHz的上限下具有较高的冲击和振动性能。

-加速度灵敏度（G灵敏度）

如前所述，由于基站安装在户外，它们暴露在那里

周围环境中的振动，需要一个当暴露于振动时频率变化很小的时钟，即一个加速度灵敏度较小的时钟。在爱普生，晶体芯片

通过特征值模拟了在振动过程中对特性影响最小的形状

并进行了分析，并通过试验验证进行了优化设计。下图显示了Epson 122.88-MHz HFF VCXO VG7050VFN的G灵敏度。低加速度灵敏度为2 x 10-9/g已实现。

图10。122.88-MHz VG7050VFN G灵敏度

-频率/温度系数

对于400ZR，时钟频率容差为± 20 x 10-6最高的是必需的。这是不可能实现的晶体振荡器普通，因为频率/温度系数单独超过±

20 x 10-6在-40°C和+85°C之间。爱普生的HFF SPXO SG2520VHN提供了这些特点

如下图所示，因为爱普生已经在集成电路中加入了一个温度补偿电路。这满足了400ZR的要求。

图11。普通晶体振荡器与SG2520VHN的频率/温度系数

相位噪声、相位抖动、PSNR（电源噪声抑制）特性

爱普生的HFF振荡器使用一个HFF晶体单元，以实现稳定的高频振荡高达500兆赫与低噪声和低抖动。此外，内置的爱普生IC有一个仔细考虑的低-

通过仿真进行了优化的噪声设计。下图显示了爱普生的491.52-MHz HFF SPXO SG2520VHN和491.52-MHz HFF VCXO的相位噪声特征

VG3225VFN。两者都具有良好的相位噪声和相位抖动特性。

在实际应用中，施加于振荡器的电源电压包含噪声，而这种噪声会导致振荡器的相位噪声和相位抖动特性的恶化。为了

例如，当电源电压包含频率分量为10 kHz的噪声时，刺是杂散的（刺？）在相位噪声的偏移频率附近产生

特色爱普生的HFF SPXO使用了一个低噪声的LDO（低损耗），可以稳定电源电压，降低噪声，并限制相位噪声和相位抖动的恶化

特性下图显示了相位抖动特性，即PSNR

当噪声叠加在SG2520EHN和an的电源电压上时

来自竞争对手的等效产品。噪声模型是一个频率为20的正弦波

千赫到5兆赫，水平为50 mVp-p。可以证实，SG2520EHN的相位抖动特性的恶化是有限的。

图14。SG2520EHN及其竞争对手产品的PSNR特性

爱普生HFF振荡器的详细规格

我们的HFF振荡器（SPXO / VCXO）的详细规格，其特点是

符合5G通信系统市场的需求，如下图所示。

- HFF SPXO： SG2016EHN/SG2520EHN，SG2016VHN/SG2520VHN规格

有关以上产品的详细信息可在我们的网站上找到。请点击下面的链接。产品页面2016年6月SG2520EHN(LV-PECL输出）

2016年月日SG2520VHN(LVDS输出）

- HFF VCXO: VG3225EFN/VG5032EFN/VG7050EFN, VG3225VFN/VG5032VFN/VG7050VFN

规格

有关以上产品的详细信息可在我们的网站上找到。请点击下面的链接。产品页面VG3225EFNVG5032EFNVG7050EFN(LV-PECL输出）

VG3225VFNVG5032VFNVG7050VFN(LVDS输出）

结论

HFF振荡器是5G通信系统的最佳参考时钟，有助于最大化客户产品的价值。

精工爱普生将继续推荐能丰富社会财富的水晶设备。