1. 5G和定时

1.1. 5G是什么及其愿景是什么？

根据3GPP和其他行业组织的说法，5G旨在提供极快的移动宽带速度和容量、超高可靠性和超低延迟，并支持大规模机器对机器连接。

图1：5G愿景与时间需求

各种行业来源此前曾表示，由于使用了（a）毫米波无线电，其覆盖范围较短，以提供超高带宽，因此需要更多的网络设备；（b）边缘服务器以减少延迟，更快/更接近地向消费者提供数据。 

以下三个行业趋势支撑了5G基础设施的演进和部署，以支持多达10倍的设备：  

• 更高的带宽：5G网络使用大规模MIMO和400G光传输等新技术，支持10倍更快的移动下载速度和10万倍更多的流量。

• 云化：5G依赖于基于运营商级以太网的云化基础设施，将所有设备连接起来，以实现最大成本和带宽效率。

• 密集化：5G需要部署得更接近最终用户，因此需要将设备放置在不受控制的环境中——路边、屋顶、建筑物地下室、与路灯、交通灯、体育场馆等共用。

5G网络的更高带宽、云化和密集化导致对时间同步的要求提高了10倍。

1.2. 5G网络中的定时技术有哪些新特点？

5G云化需要一个时间敏感网络（TSN），以提供130纳秒的端到端时间同步精度，通过云基础设施实现5G连接。这一要求比4G中1500纳秒的要求严格了10倍，而且必须通过以太网基础设施使用IEEE 1588精确定时协议（PTP）来实现。为了满足这一极其严格的同步要求，高性能同步解决方案，如网络同步器、精密TCXO和OCXO是必不可少的。除了同步解决方案外，5G还需要极低噪声和低抖动的定时组件来支持400G光模块和大规模MIMO无线电等高带宽设备。

1.3. 为什么可靠且具有弹性的定时对于5G至关重要？

对于必须提供零停机时间的超宽带和大规模机器对机器通信的5G愿景来说，高度可靠、环境适应性强的定时组件至关重要。通过在消费者附近增加更多的基站、通信设备和边缘服务器，5G网络可以通过网络密度化实现更高的移动下载速度、更大的容量和更低的延迟。网络密度化还意味着将设备放置在可用的任何空间中，例如屋顶、路灯顶部或路边机柜和建筑物地下室。在这些无法控制的环境中部署5G设备需要环境适应性强的定时组件和子系统，能够在受到空气流动、快速温度变化、高温、振动和电力供应不良等环境应力影响的情况下实现130纳秒的端到端定时同步。密度化还意味着许多5G设备位于难以到达的位置，任何设备故障都可能导致服务长时间劣化或中断。高度可靠的定时组件和子系统对于5G网络的可靠性至关重要。

1.4. SiTime在5G中扮演着什么角色？

SiTime提供了完整的MEMS定时解决方案，包括低抖动XOs、高精度TCXOs、OCXOs、时钟发生器、抖动清洁器和网络同步器。这些MEMS解决方案的可靠性和环境适应性是传统石英晶振的10倍。它们既可以单独使用，也可以组合使用，为网络中的每个节点提供最稳定的定时，即使在空气流动、快速温度变化、高温、振动和电源不稳定等环境压力下也是如此。

2. 产品，市场和技术概述

2.1. 什么是Cascade？

Cascade是一种创新的基于MEMS的片上时钟系统（ClkSoC™）平台。Cascade系列MEMS时钟包括时钟发生器、抖动清洁器和网络同步器。时钟是通信基础设施设备的定时脉搏。传统的时钟设备使用石英振荡器或谐振器作为频率合成和抖动清洁的输入参考。通过将MEMS谐振器集成到芯片上，Cascade时钟系统消除了对石英晶振的依赖，以及与石英晶振相关的性能和可靠性问题。它将MEMS的优势带到了5G RAN、核心/边缘/接入网络和数据中心应用中，例如提高了10倍的可靠性和环境适应性。

2.2. Cascade的市场有多大？

Cascade时钟系统级芯片的目标市场是价值10亿美元的硅时钟市场。该市场规模是SiTime的估计值。

2.3. Cascade产品如何融入SiTime现有的产品组合？

Cascade代表了SiTime从振荡器（频率控制）到时钟的定时产品组合的自然扩展。

图2：SiTime的核心竞争力是所有定时设备的基础

SiTime已发货超过15亿个MEMS振荡器。这些是利用SiTime在MEMS谐振器、模拟设计和系统方面的核心竞争力的单输出设备。Cascade时钟基于相同的核心竞争力，但具有更多的输出和数字时钟管理功能。

Cascade的目标市场和客户群与SiTime在通信和企业、工业、航空航天和国防领域的振荡器相同。

2.4. 哪些市场受益于Cascade产品？

借助Cascade，SiTime将MEMS技术应用于5G连接和数据中心  

图3：适用于每个网络节点的MEMS解决方案

Cascade时钟设备专为高可靠性通信和企业应用而设计。它们可以单独使用，将多个时钟组件集成到单个设备中，以提供最高级别的集成。当与SiTme的精密TCXO和OCXO一起使用时，Cascade设备可为5G RAN、有线（核心/城域/边缘）和数据中心中的时间敏感网络（TSN）系统提供完整的同步（SyncE和IEEE 1588/eCPRI）时钟解决方案。

Cascade时钟片上系统（SoC）系列还补充了SiTime完整的kHz和MHz振荡器产品线，适用于工业和航空航天/国防应用。

2.5. 卡斯卡德时钟的工作原理是什么？

卡斯卡德时钟系统级芯片结合了SiTime的第三代MEMS谐振器和低噪声PLL，在一个设备中提供了出色的可靠性、环境适应性和丰富的功能。

图4：卡斯卡德时钟架构。

2.6. 卡斯卡德平台推出哪些产品？

卡斯卡德时钟系统级芯片平台包括三个产品类别和五款产品。

•  时钟发生器：10输出的SiT95141和11输出的SiT95143，用于整合时钟组件。

•  抖动清洁器:10输出SiT9145用于消除输入时钟抖动和在系统内分配清理时钟。

•  网络同步器:8输出SiT95147和11输出SiT95148具有4个独立的时钟域，用于同步和IEEE 1588应用，除了抖动清理和时钟分配功能

2.7. Cascade产品的关键差异点是什么？

通信和企业系统以前使用石英参考的时钟IC来整合多种定时功能并向系统中分布时钟信号。SiTime的Cascade时钟系统级芯片采用了一种全新的全硅时钟架构，通过将石英晶振参考替换为内部MEMS谐振器，实现了更高程度的集成。

凭借SiTime成熟的MEMS技术，Cascade时钟系统级芯片能够：

•  可靠性提高10倍，消除了与石英相关的现场故障 

•  对电源噪声、EMI、震动、振动和板弯曲的抵抗能力提高10倍 

•  简化设计，减少物料清单（BOM），加快系统开发 

•   节省35%的空间

卡斯卡德时钟系统级芯片以两种形式发货，以优化供应链考虑： 

•  空白ISP（在系统可编程）设备在使用案例和库存管理方面提供了最大的灵活性 

•  预编程设备使系统能够在不进行软件配置的情况下启动，从而在设计和制造方面实现了最大程度的简单化

2.8. 卡斯卡德产品有哪些关键特性和规格？

卡斯卡德时钟系统级芯片包括5种适用于不同应用的产品。  

表1：卡斯卡德产品概述

卡斯卡德时钟系统级芯片平台关键规格和功能：

•  集成MEMS谐振器，消除了石英相关的性能和可靠性问题 

•  灵活的输入到输出频率转换，带有抖动抑制功能，4个输入，多达11个输出

•  广泛的输出频率支持

 · 差分输出从8 kHz到2.1 GHz 

 · LVCMOS输出从8 kHz到250 MHz 

 · 一个输出上的1 PPS（每秒脉冲数） 

•  广泛的输入频率支持 

 · 差分输入从8 kHz到750 MHz 

 · LVCMOS输入从8 kHz到250 MHz

•  可单独配置的输出格式和VDD供电 

 · LVPECL、CML、HCSL、LVDS或LVCMOS 

 · 1.8V、2.5V或3.3V

•  可编程的PLL抖动抑制带宽：1 MHz至4 kHz 

•  同步、保留或自由运行操作模式 

•  缝切换的自动或手动命中时钟输入  

 · 亚50ps相位建立模式瞬态   

 · 可编程斜率的相位传播  

 · 用于准同步时钟的频率斜坡  

 · 对输入频率步进（尤其是大频率步进）进行快速、鲁棒的周期滑动和频率步检测（实现良好的频率跟踪）  

•  支持OTN的断点时钟输入锁定 

•  用于切换准同步时钟的可编程频率斜坡 

 

•  通过I2C或SPI实现DCO模式，分辨率为0.005 ppb 

 

•  可编程输出延迟控制  

•  每次上电时，芯片输入到输出的延迟都可重复 

 · 零延迟缓冲模式  

 · 与独立的时钟同步的输出唤醒同步  

•  芯片状态监控指示器：锁定丢失、时钟丢失、频率漂移  

•  符合行业标准的64引脚9x9mm封装

2.9. Cascade产品的供货情况如何？

目前，Cascade的五款产品——SiT95141、SiT95143、SiT95145、SiT95147和SiT95148——正在进行样品测试。预计大规模生产将于2020年第四季度开始。

2.10. Cascade的产品针对哪些应用？

Cascade时钟系统级芯片平台适用于：

•  5G远程无线电单元（RRU）、有源天线单元（AAU）   

•  5G小型基站   

•  微波回程   

•  DU（分布式单元）

•  CU（集中式单元）   

•  基站   

•  前传交换机和路由器   

•  运营商级以太网路由器和交换机   

•  OTN时钟同步用于帧定时器、映射器和处理器   

•  PON OLT   

•  CMTS（电缆调制解调器终端系统）、远程PHY   

•  MEC（多接入边缘计算）服务器   

•  数据中心交换机或机架顶交换机（ToR交换机）   

•  卫星通信系统   

•  广播系统   

•  测试和测量仪器

2.11. Cascade在这些应用中解决了哪些客户问题？

传统的时钟IC需要石英谐振器作为输入时钟参考。这种依赖性导致了许多系统可靠性、设计和性能问题：  

• 石英晶振的可靠性比半导体器件低10倍，容易在现场出现故障 

• 由于石英晶振对电磁干扰、振动、板弯曲和活动下降（频率跳跃）的敏感性，系统性能会下降

• 需要进行多次设计和测试循环以确保正确的石英振荡器电路。负载电容失配会导致时钟IC输出频率不准确

• 需要额外的物料清单（BOM）和空间来放置外部石英和负载电容器

Cascade的时钟片上系统（SoC）产品通过将SiTime已验证的MEMS谐振器技术集成到时钟IC中，消除了上述所有石英晶振问题。

2.12. 卡斯卡德平台实现了哪些业界第一？

卡斯卡德时钟系统级芯片设备是第一款提供以下功能的产品： 

• 集成MEMS的网络同步器，无需石英晶振参考 

• 集成MEMS的抖动清洁器，无需石英晶振参考 

• 集成MEMS的时钟发生器/频率合成器，无需石英晶振参考

2.13. SiTime收到了关于Cascade的哪些客户反馈？

客户给出了以下评论：

• “我的设计空间非常紧凑。Cascade不需要外部参考，有助于节省空间。”   

• “通常需要多次PCB迭代才能使谐振电路正常工作。有了Cascade，我不用担心这个问题，现在我的开发时间大大缩短了。”   

• “使用外部谐振器会影响对我的设计至关重要的抖动。有了Cascade，这个问题就不存在了，因为MEMS谐振器已经集成在时钟IC中。”   

• “可靠性是我的应用程序中的一个重大关切，而我们看到MEMS硅晶振在可靠性方面相对于石英晶振解决方案具有明显的优势。”

2.14. 卡西欧和传统时钟器件有什么区别？

传统的时钟IC需要石英谐振器（晶体）来为PLL（锁相环）创建输入时钟参考。在PCB上设计外部石英晶振会暴露出敏感的模拟节点，为EMI和板上噪声耦合到振荡电路提供了途径。正确的PCB设计需要最小化这种耦合。外部晶体还必须设计一个负载电容，以匹配该特定晶体的特性，而该特性在相同制造商的不同型号之间也会有所不同。负载电容匹配需要精心设计，以在温度范围内提供准确、稳定和可靠的操作。晶体和负载电容还需要额外的电路板空间，这可能会增加空间受限设计的成本。负载电容历史上容易受到供应链管理问题的影响。最后，晶体性能（相位噪声）在受到机械冲击或振动（例如风扇或户外环境应力）时会退化。

图5：传统时钟需要外部石英谐振器

图6：集成MEMS谐振器的MEMS时钟

2.15. 传统的钟表供应商能否将谐振器集成到产品中，以达到与Cascade相同的集成水平？

将石英谐振器与时钟设备集成到同一封装中并不能解决使用石英作为参考时的根本问题。这些问题包括易受场失效影响、易受环境应力（如震动、振动、电路板弯曲和电磁干扰）影响、活动下降、频率跳变以及与电容失配相关的电路设计挑战。此外，将石英集成到包含更高功率IC的塑料封装中，会使晶体暴露在比单独安装在PCB上更大的温度梯度下，这会使整体解决方案的可靠性降低，更容易出现现场故障。

3、应用实例

3.1. 5G RRU

Cascade时钟系统级芯片能够使环境适应性提升10倍，并为在全球范围内部署单一设计提供了灵活性。  

• 10倍的振动耐受性 

• 低温下可靠启动 

• 消除了与石英晶振相关的可靠性现场故障

图7:5G RRU的MEMS解决方案

3.2. 5G 前传交换机 

卡斯卡德时钟系统级芯片可实现环境适应性提升10倍，并提供最可靠的系统运行。

• 增强可靠性：灵活的无损切换和输入监控，确保安全运行   

• 确保在现实世界条件下的精度小于等于15纳秒：抗温度变化、气流、振动   

• 减少现场故障：消除石英晶振作为单一故障点

图8：5G前传交换机的MEMS硅晶振解决方案

3.3. 顶层交换机 

卡斯卡德时钟系统级芯片将数据中心交换机中的所有时钟整合在一起 

• 可靠性提升10倍，消除了与gu钟相关的现场故障

• 对供电噪声、电磁干扰、震动和板弯曲的抵抗能力提升10倍 

• 简化设计，节省空间，减少物料清单，加快上市时间

图9：数据中心交换机中的MEMS硅晶振解决方案

4. 术语

4.1. 什么是时钟？

时钟设备是指一类在系统内生成和分配相同或不同频率多个输出的定时组件。一些时钟设备还可以接受一个或多个输入频率，并从中合成输出频率。其他类型的定时设备包括振荡器和谐振器，它们都可以作为时钟设备的参考源。

4.2. 时钟的种类有哪些？

从最高层次来看，时钟设备有四种不同的类别：

• 缓冲器 

• 时钟发生器 

• 抖动清洁器

• 网络同步器 

缓冲器是时钟设备中最简单的一种。它提供输入时钟的多个副本，并将它们分布在PCB上的多个IC上，频率相同。其他三种时钟类型更为复杂，并集成了锁相环（PLL）。它们通常需要一个外部振荡器或谐振器作为参考，以合成系统所需的多个输出频率。本文其余部分将重点介绍这些非缓冲时钟类型。

4.3. 什么是时钟发生器？

时钟发生器（CG）是一种PLL设备，它可以从内部谐振器或输入时钟生成多个相同或不同频率的输出。

CG通常用于将PCB上的多个振荡器和谐振器整合到一个设备中，以实现物料清单（BOM）的精简和更集成的系统时钟设计。

4.4. 抖动清洁器是什么？

抖动清洁器（JC）或抖动衰减器通常是一个多输入、多输出设备。它使用低噪声低带宽PLL（锁相环）和参考振荡器或谐振器来从一个或多个输入时钟中去除抖动，以产生具有相同或不同频率的更少抖动、更干净的输出时钟。例如，抖动清洁器可以将具有1 ps rms（抖动）的噪声输入转换为一个或多个具有0.2 ps rms抖动的干净输出，其抖动比输入时钟低5倍。

抖动清洁器通常用于高速数据通信系统中，它从进入的高速数据信号中接收已恢复的时钟，并从该恢复时钟中去除抖动，以便系统可以使用干净的恢复时钟重新定时数据并将其发送回线路。这种操作确保传输的数据与接收的数据频率同步，并最小化数据信号在网络中传输时累积的抖动。除了去除抖动外，抖动清洁器通常还包括许多时钟管理功能，包括： 

• 输入输出频率和电平转换（例如，将25 MHz LVCMOS输入转换为156.25 MHz LVCPEL差分输出）  

• 可编程PLL环路带宽以支持不同的应用协议  

• 无缝切换（某些抖动清洁器）以实现冗余，可在不同输入时钟之间切换  

• 芯片运行状态监控  

• 单时钟域

抖动清洁器用于在PCB或系统中实现高速、低噪声时钟的分布

4.5. 网络同步器是什么？

网络同步器是一种多PLL、多时钟域定时设备，旨在支持同步应用，如同步以太网（SyncE）和IEEE 1588。该设备通常具有多个输入和输出，并具有将特定输入路由到一组输出的功能，该功能通过选择PLL实现。它还允许用户使用SPI或I2C将输出同步到从网络或另一定时源（如GNSS）恢复的时钟。这代表了网络同步器的基本功能——使系统能够将自身的定时同步到网络中的另一定时源。 除了网络时间同步功能外，网络同步器通常还包括许多时钟管理功能，包括：  

• 输入/输出频率和电平转换（例如，将25 MHz LVCMOS输入转换为156.25 MHz LVCPEL差分输出）   

• 抖动清洁   

• 可编程PLL环路带宽，以支持不同的应用协议

• 无缝切换它具有在切换不同输入时钟时，在输出端无相位中断的情况下实现冗余的能力。

• 当输入信号丢失时，使用存储的数据来控制输出相位和频率的变化。

• 芯片操作状态监控。

• 支持多个时钟域。

• 内部配置以改善漂移过滤（例如低漂移模式）。

网络同步器用于所有需要频率和相位（时间）的应用程序，例如5G RRU、小型基站、边缘服务器、交换机和路由器应用程序。

4.6. 什么是时钟树？

时钟树是系统内的时钟生成和分配网络。它可能包含各种类型的定时设备，包括振荡器、缓冲器、时钟发生器、抖动清洁器和网络同步器。时钟树的复杂程度取决于它需要为多少个IC提供时钟，以及接收IC的频率和性能要求。时钟树在系统中用于减少定时设备的数量，并使系统中的某些或所有时钟能够从一个单一的参考时钟源合成，这是某些应用所需要的。请参阅第3节以了解使用SiTime MEMS定时设备的时钟树示例。

4.7. 频率同步是什么？

频率同步是指一个系统或网络节点调整其时钟频率，以与另一个系统中不同时钟源的平均频率保持一致的过程。SyncE是频率同步的一个例子，其中下游网络设备在物理层锁定来自上游节点的时钟频率。一旦锁定，下游设备就与上游设备具有相同的平均频率。

4.8. 相位或时间同步是什么？

时间同步通常也被称为相位同步。它是一个过程，其中一个网络节点将其时间观念调整为与网络中的主时钟相同。IEEE 1588精密时间协议（PTP）正在成为促进5G RAN、边缘/核心网络和数据中心之间交换和同步时间的事实上的标准。

4.9. 时钟域是什么？

时钟域指的是任何与上游时钟参考同步的信号。时钟域是时钟树的一部分，其运行方式与时钟树的其他部分不同。以具有两个输入、两个PLL（锁相环）和两个输出的网络同步器为例：

• 来自Input1的25 MHz输入被路由到PLL1，PLL1从25 MHz输入中合成156.25 MHz频率，并将其路由到Output1 

• 来自Input2的30.72 MHz输入被路由到PLL2，PLL2从30.72 MHz输入中合成122.88 MHz频率，并将其路由到Output2 

在这种情况下，网络同步器运行两个独立的时钟域，一个是从25 MHz到156 MHz的时钟链，另一个是从30.72 MHz到122.88 MHz的时钟链。