Im Blog der letzten Woche haben wir die Grundlagen von OCXOs besprochen – wie sie präzise Stabilität erreichen und wie sie insbesondere Board-Designern Kopfschmerzen bereiten können. Hier befassen wir uns mit den Timing-Anforderungen für Telekommunikationsanwendungen und konzentrieren uns dabei auf Spezifikationen im Zusammenhang mit der Stabilität. Und wir enthüllen weitere Details zu den Emerald Platform™ OCXOs , einer neuen bahnbrechenden Stratum 3E-Lösung [1].
Was sind also die wichtigsten Parameter für die Telekommunikation? Beginnen wir mit den Grundlagen: Frequenzstabilität , die grundlegendste Spezifikation für einen Oszillator. Diese Spezifikation stellt die Abweichung der Ausgangsfrequenz aufgrund äußerer Bedingungen dar. Eine kleinere Stabilitätszahl bedeutet eine bessere Leistung. Bei OCXOs wird die Frequenzstabilität typischerweise in Teilen pro Milliarde (ppb) ausgedrückt.
Temperaturänderungen sind eine der Hauptursachen für Frequenzabweichungen. Im folgenden Diagramm zeigen wir die Frequenzstabilität über die Temperatur von -40 ° C bis +85 ° C, bei steigender und sinkender Temperatur (Hysterese) für vier verschiedene ähnlich bewertete Geräte, darunter ein SiTime MEMS-basiertes Emerald OCXO. Die Leistung des Emerald-Geräts (dargestellt in der grünen Linie) ist mit einem Delta von nur 1,5 ppb viermal besser als die des nächstgelegenen OCXO.
Emerald-Geräte verfügen über eine beeindruckende Frequenzstabilität, die für Synchronisationsanwendungen wie Synchronous Ethernet (ITU-T G.8262) und IEEE 1588 von entscheidender Bedeutung ist. Diese Stabilität ermöglicht es dem Oszillator, durch Holdover einen stabilen Takt zu halten, wenn sich das System im Free-Run-Zustand befindet [ 2] während Netzwerkfehlerbedingungen. Aber was noch wichtiger ist, ist die Aufrechterhaltung dieser Stabilität unter realen Betriebsbedingungen wie schnellen Temperaturänderungen, mechanischen Vibrationen oder anderen dynamischen Bedingungen, die sich auf die Taktleistung auswirken können.
Werfen wir einen genaueren Blick auf die Frequenz-Temperatur-Steigung, eine Schlüsselmetrik für Präzisionsoszillatoren. Diese Messung, auch ΔF/ΔT genannt , quantifiziert die Empfindlichkeit des Oszillators gegenüber Temperaturänderungen in Schritten von 1 ° C. Auch hier ist eine niedrigere Zahl besser, da sie eine Frequenzabweichung darstellt. Smaragdprodukte werden mit nur 50 ppt/°C (ppt = Teile pro Billion) bewertet. Das folgende Diagramm zeigt die ΔF/ΔT- Leistung eines Emerald-OCXO im Vergleich zu denselben drei Quarz-OCXOs.
Telekommunikationssysteme verwenden Hochleistungskomponenten, die erhebliche Wärme erzeugen und Kühlventilatoren erfordern. Wenn Prozessoren laufen und Lüfter ein- und ausgeschaltet werden, kann es zu erheblichen Temperaturschwankungen kommen. Aber was passiert, wenn die interne Systemtemperatur mit unerwarteten und extremen äußeren Wetterbedingungen einhergeht? Oder denken Sie darüber nach, was passieren könnte, wenn ein Lüfter ausfällt und die Innentemperatur erheblich ansteigt. Das folgende Diagramm zeigt, wie sich Smaragd- und Quarz-OCXOs über dem normalen industriellen Betriebstemperaturbereich verhalten.
Stabilität im Zeitbereich
Wenn wir vom Frequenzbereich zum Zeitbereich wechseln, werfen wir einen Blick auf die Allan-Abweichung (ADEV), eine weitere wichtige Kennzahl für Telekommunikationsingenieure. ADEV ist ein Maß für die Oszillatorstabilität im Zeitbereich und wird manchmal auch als kurzfristige Frequenzstabilität bezeichnet . ADEV wird verwendet, weil es im Vergleich zur Standardabweichung für mehr Arten von Oszillatorrauschen konvergiert. Es berücksichtigt Dinge wie Phasenmodulation, Frequenzmodulation und Zufallsfrequenz. Mit 2e-11 ADEV bei einer Mittelungszeit von 10 Sekunden behalten Emerald-Geräte eine erstaunlich konstante Leistung bei. Das folgende Diagramm zeigt, wie Emerald-Geräte mit und ohne Luftstrom funktionieren.
Weitere gängige Timing-Stabilitätsindikatoren für Telekommunikationsanwendungen sind TDEV (Zeitabweichung) und MTIE (maximaler Zeitintervallfehler). Sowohl ohne als auch mit Luftstrom funktionieren Emerald OCXOs gut innerhalb der spezifizierten ITU-T G.8262 EEC2- Maske, die als Standard für diese Messungen festgelegt wurde. Laden Sie unsere Emerald-Produktbeschreibung herunter, um TDEV- und MTIE-Diagramme zu sehen.
Robustheit über Temperaturschwankungen hinaus
Emerald OCXOs sind nicht nur resistent gegen Luftströmungen und schnelle Temperaturschwankungen, sondern auch praktisch immun gegen Vibrationen, die auch zu Frequenzverschiebungen führen können. Diese Widerstandsfähigkeit ist von entscheidender Bedeutung, da Telekommunikationsgeräte häufig Vibrationen ausgesetzt sind, insbesondere wenn sie im Freien eingesetzt werden. Wind, schwere Fahrzeuge und Züge sind nur einige Beispiele für die vielen Vibrationsquellen. Emerald-Produkte weisen eine Abweichung von nur 0,1 ppb/ g auf und eignen sich daher ideal für an Stangen montierte Geräte im Freien.
Abgesehen von all den externen Faktoren, die die Stabilität des Oszillators beeinträchtigen können, kann es interne Veränderungen innerhalb des Oszillators geben, die die Oszillatorfrequenz im Laufe der Zeit ändern, selbst wenn die externen Umgebungsbedingungen konstant gehalten werden. Dies nennt man Altern. Emerald OCXOs weisen hervorragende Alterungsspezifikationen mit einer täglichen Alterung von ± 0,25 ppb und einer 20-jährigen Alterung von ± 500 ppb auf.
Smaragdprodukte sind außerdem immun gegen Feuchtigkeit und benötigen daher keine zusätzliche Abdichtung wie herkömmliche Quarz-OCXOs, die anfällig für Undichtigkeiten sind. Und da Emerald-Geräte über On-Chip-Regler verfügen, sind sie immun gegen Netzteilrauschen, das die Taktleistung beeinträchtigen kann – es sind also keine externen LDOs oder Ferritperlen erforderlich. Da Emerald-Produkte schließlich Silizium-MEMS-Resonatoren verwenden, verfügen sie über eine Qualität auf Halbleiterniveau und leiden nicht unter Charge-zu-Charge-Inkonsistenzen wie Quarz-OCXOs.
Lösung der seit langem bestehenden Probleme sich schnell ändernder Bedingungen
Die Emerald-Plattform ist resistent gegen eine Vielzahl dynamischer Bedingungen. Diese Geräte sind darauf ausgelegt, die Stabilität in rauen Umgebungen aufrechtzuerhalten, in denen Quarz-OCXOs traditionell nicht standhalten. Hersteller von Telekommunikationsgeräten müssen sich keine Sorgen mehr darüber machen, dass die Timing-Komponente das schwächste Glied im System ist. Und Dienstanbieter müssen sich weniger Sorgen über zeitbedingte Systemausfälle und Dienstunterbrechungen machen. Emerald OCXOs bieten eine konstant stabile Leistung von Charge zu Charge und von einer Umgebung zur nächsten.
Schauen Sie sich den nächsten Blog unserer Serie über OCXOs an, um zu erfahren, wie neue MEMS-OCXOs Design und Entwicklung einfacher machen und einzigartige Vorteile in Bezug auf Programmierbarkeit, Größe und Leistung bieten.
………………………………………………………
[1] Eine Stratum 3-Uhr hat eine Freilaufstabilität von ±4,6 ppm über 20 Jahre und einen Haltebedarf von ±0,37 ppm (±370 ppb) über 24 Stunden, jeweils inklusive Frequenzfehler unter allen Bedingungen. Stratum 3E ist eine genauere Version von Stratum 3, mit der gleichen Freilaufstabilität von ±4,6 ppm, aber mit ±0,012 ppm (±12 ppb) über die 24-Stunden-Holdover-Spezifikation, 37-mal genauer als Stratum 3.
[2] Holdover ist ein Betriebsmodus, der von Systemen verwendet wird, die mit einer externen präzisen Frequenz- und/oder Zeitreferenz synchronisiert sind und dieses Referenzsignal vorübergehend verloren haben. Der lokale Oszillator sollte in der Lage sein, nach dem Verlust der externen Referenz eine stabile Frequenz und/oder Zeit innerhalb der definierten Grenzen in einem System aufrechtzuerhalten oder beizubehalten.
Weitere Informationen zur Timing-Terminologie finden Sie in unserem Glossar der Oszillator-Terminologie .
………………………………………………………
Vielen Dank an Jim Holbrook, Director of Customer Engineering, für seine Beiträge zu diesem Artikel.