2B-3E恒温晶振对TD-SCDMA时钟性能影响

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，相位精度为<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

第一种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。

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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/补偿精度，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。

作者：刘朝胜
总工程师
广东大普通信技术有限公司