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5G 通信具有更快的数据传输速率，更低的响应延迟和更高的吞吐量，如果商用会极大地推动物联网、自动驾驶、虚拟现实和远程医疗的发展，目前运营商和设备商正在紧锣密鼓地进行部署。但是 5G 部署中，设备越靠近客户，越容易受到热震荡、振动、高温和高湿的影响，尤其是时钟，如果受损会影响整个系统的运行，可见 5G 服务需要稳定、可靠的计时。为了保证 5G 的速度和服务，SiTime 公司采用创新设计技术开发了 Emerald Platform OCXO。
SiTime 公司主要做什么？何谓 Emerald Platform OCXO？SiTime 公司是一家 MEMS 模拟半导体公司，提供基于 MEMS 的硅时序解决方案。据其营销执行副总裁 Piyush Sevalia 介绍，“SiTime 在 MEMS 计时市场拥有 90%的份额，自 2007 年到现在已经交付数十亿件产品，拥有 100 项专利，服务范围涉及 200 个应用，客户多达 10000 个。Emerald Platform 是首个基于 MEMS 的系列 OCXO，可以解决 5G 基础设施设备的关键时序挑战。借助 Emerald 平台，运营商能够在恶劣环境下部署 5G 设备，并可靠地提供任务关键型服务。”
SiTime 营销执行副总裁 Piyush Sevalia
高精度解决传统石英 OCXO 的可用性难题
通过十年的创新，SiTime 将时钟的频率稳定性提升 5000 倍，相位抖动性能提升 800 倍，阿伦方差性能提升 30000 倍。从技术参数上来看，Emerald Platform OCXO 在气流或热冲击下保持最佳的稳定性，ΔF/ΔT 动态稳定性范围是±50ppt/C（ppt = 兆分之一），在有气流情况下阿伦方差 (ADEV)可达 2e-11；可以在任何条件下保持可靠运行，抗振性比石英 OCXO 优秀 20 倍；易用性非常强，不需要护盖即可隔离热冲击和气流，无需外部稳压器、片内电源噪声过滤；高度灵活，1-220MHz 的可编程频率，LVCMOS 或限幅正弦波输出，后面将通过 I2C 实现系统内可配置性。
Emerald MEMS OCXO 和传统石英 OCXO 对比
由于传统石英 OCXO 的敏感性，客户必须采取大量预防措施确保可行可靠。其中的一个关键挑战是 OCXO 的基板定位，需要远离干扰源，如热量和气流引起的热震荡。这种情况会加大路由复杂性和潜在的信号完整性问题。设计人员还需要使用特殊的 OCXO 塑料盖进行隔热，从而增加了工艺步骤和生产复杂性。
对比 Emerald Platform OCXO，Piyush Sevalia 强调，“我们的产品不需要热隔离，可以放置在 PCB 的任何位置，电源通过芯片调节即可，由于信号完整性极好，可以靠近 SOC 放置，尺寸只有 9X7mm，尤其是采用了半导体供应链，始终可用，而且具有超高一致性，不同的批次之间没有差异，从而有助于简化设计、缩短开发时间、提高系统性能。”
采用可编程架构，方便 5G 用户进行升级
笔者见过很多可编程器件，时钟可编程 Emerald OCXO 是第一个，它采用了可编程模拟架构，可为用户提供 1 至 220 MHz 之间任何频率，确保客户能够针对应用选择最佳频率。这种器件还提供两种输出类型，LVCMOS 和削峰正弦波，实现最佳基板性能。未来，Emerald OCXO 还将扩展温度范围 (-40 至 + 95℃、-40 至 105℃) 和 I2C 串行接口，支持系统内编程。
可能很多人好奇：时钟可编程的意义是什么呢？Piyush Sevalia 分析，“第一，未来 5G 通信非常复杂，如果客户想临时改变频率，采用普通的定频产品需要更换器件，而使用 Emerald OCXO 只要编程就可以变为所需的频率；第二，通过 I2C 在线编程，可以解放工程师对固定频率产品的依赖，工程师可以通过 I2C 读取内部工作状态，随时进行矫正；第三，针对 OXCO 的老化问题，当 5G 设备安装 10 年以后，需要做矫正，采用固定频率产品需要到现场更换板子，采用 Emerald OCXO 远程矫正即可，和手机的 OTA 更新类似，从而节省成本。”
满足 5G 每个网络节点的需求
随着进入 5G 和边缘计算，移动运营商的无线设备需要更严格的时间同步，因此必须使用 OCXO。在 5G 之前，这种 OCXO 部署在控制良好的环境中。现在，计算、核心网络和无线拆分成系统，部署在不受控制的环境中，如信号塔、屋顶和灯柱。这种环境下，OCXO 将受到振动和极端温度的影响。部署架构的这种变化需要新的思考，评估 MEMS 和石英定时技术的优势。
MEMS 时钟的弹性确保可靠性能，对于缺少控制，更严苛的环境中部署 5G 至关重要。Emerald Platform 是基于 MEMS 的 Stratum 3E 开发的，可以解决 5G 基础设施面临的时钟挑战，支持网络切片、ADAS 和 M2M 通信等新服务，并在 15 亿美元电信和网络时钟市场中确立新的性能基准：抗热震荡能力提高 10 倍，抗振动能力提高 20 倍，尺寸减小 75%。
由于 MEMS 谐振器具有体积小、重量轻、低功耗、高可靠性的优势，加上未来汽车、物联网系统必须在各种严苛条件下可靠运行。因此，SiTime MEMS 时钟解决方案的尺寸、可靠性和性能将为 5G 通信、汽车和物联网市场带来发展潜力。
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