数字通信的最基本组成部分是同步。同步有很多方面。在数字传输中，同步是通过管理跨节点的平均传输和接收速率来管理无错误的传输和接收。在蜂窝通信中，同步使用户设备在移动中以及从一个小区移动到另一个小区时能够可靠地工作。在 5G 等先进网络中，同步是网络运行和高性能的基础。

数字网络同步是分层的；来自网络核心的原子源时钟将同步分布在所有节点上。每个节点都有一个伺服系统，该系统将从更高级别获取同步信息并控制系统中的本地定时参考振荡器。根据系统所需的精度水平，伺服系统将平均传入的同步信息。平均次数越多，输出精度就越好。然而，在此平均时间内，输出时钟由本地参考控制。因此，对于特定级别的输出精度，需要特定级别的本地参考振荡器稳定性。

振荡器为数字电路的运行提供滴答声。滴答声使数字状态进步并使数字转换成为可能。振荡电路使用多种技术实现，其中最受欢迎的是基于石英晶体的振荡器。石英振荡器基于压电效应。将电压施加到压电材料上，迫使材料发生机械变形。当电压被移除时，材料恢复到其原始形状并在其上产生反向电压。当这种技术应用于振荡电路时，它会产生持续的振荡。

对于给定的振荡器，有两个关键参数需要参考：精度和稳定性。振荡器的精度是指提供与理想绝对参考频率相同的频率的能力。对于作为时间主源的原子钟，精度至关重要。对于始终从上层接收时间的运输设备上的时钟，精度并不重要。稳定性是振荡器持续产生相同频率而没有太大变化的特征。此功能符合与伺服系统配合使用的要求，其中系统可以保持输出频率或校正间隔之间的最小偏差。

石英材料在高压釜中生长，之后用棒制成晶片。坯料以不同的“切割角度”制成，从而产生特定的振荡行为。电信设备中最常用的切割类型是 AT 切割和 SC 切割晶体。坯料与电极连接以通过电流并制成谐振器。它们以不同的方式封装以产生不同技术和性能水平的振荡器。

基于石英晶体的振荡器可以生成最纯净的正弦波，主要包含单频信号。然而，有几种环境因素会导致石英材料的频率偏差。这些正是您在为您的应用选择振荡器时需要考虑的规格。

温度对短期频率变化的影响

温度是影响石英振荡器短期频率变化的最重要因素。当温度在工作范围内变化时，典型的振荡器可以经历 20 到 100 ppm 的频率变化。例如，晶体振荡器的温度从 -40° 变化到 -85° 将导致高达 100ppm 的频率变化。振荡器的频率偏差通常以百万分率 (ppm) 为单位，指的是每百万赫兹发生的偏差量。这里讨论的振荡器频率通常在 MHz 范围内。使用 ppm 单位可以概括频率间的变化，以便于理解和评估。十亿分率 (ppb) 是另一个用于表达频率偏差的标准单位，指的是十亿赫兹的变化。

温度补偿晶体振荡器 (TCXO)

石英振荡器采用不同的技术来抵抗温度变化。第一种技术是温度补偿晶体振荡器 (TCXO)。晶体以其温度性能为特征，在生产 TCXO 时会得出补偿值。在现场操作中，TCXO 设备测量晶体的温度，并动态应用已知的补偿值以最大限度地减少频率偏差。利用这些技术，振荡器的稳定性可以在工作温度范围内提高到 50-100ppb 的水平。

恒温控制晶体振荡器 (OCXO)

稳定振荡器的第二种方法是使用烤箱控制。在这种技术中，振荡器被放置在加热的烤箱中，以减少外部温度变化的影响。通常，烤箱的温度高于振荡器的工作温度区域，以减少外部变化的影响。这种设备称为烤箱控制晶体振荡器 (OCXO)。

压控晶体振荡器 (VCXO)

振荡器通常有两种形式：具有电压控制选项以改变输出频率的设备和具有固定频率的设备。电压控制振荡器与锁相环的模拟实现一起使用。固定频率设备通常用于直接驱动数字系统或驱动具有数字机制的合成器以合成频率。随着数字合成的接受度不断提高，固定频率设备变得越来越受欢迎。

对与温度无关的短期频率变化的影响

还有许多其他影响会导致振荡器的短期和长期频率漂移：

老化

老化是振荡器在一段时间内发生的系统性变化。振荡器建立在石英坯料上，坯料会因元素蒸发或沉积而发生变形，从而导致石英材料的宽度发生变化。即使最初的差异很小，这种变化也会在很长一段时间内导致频率漂移。通常，这种老化以一天为单位，以 ppb/天变化表示。

滞后

滞后现象是谐振器在温度循环过程中积累频率偏差的现象。振荡器在某一温度点的频率会根据从较高温度水平向下还是从较低温度水平向上达到该温度点而变化。这种效应会导致伺服系统在需要高精度的情况下运行不正常。

重新追踪

重新跟踪是导致振荡器在电源循环过程中频率不同的功能。振荡器产生的频率与关闭之前产生的频率略有不同。断电时间越长，漂移就越大。重新跟踪还会导致同步性能问题。

冲击和振动

冲击和振动是导致振荡器频率偏移的另外两个因素。石英晶体毛坯片使用电夹、胶水或类似技术附着在电极上，这些粘合系统的应力释放也可能导致频率偏移。

相位噪声

振荡器的相位噪声特性表示振荡器产生的除所需频率之外的频率的功率。相位噪声图中以 dBc/Hz 为单位表示载波频率不同频率偏移处的信号功率水平。相位噪声在必须明确区分主要频率分量的应用中至关重要。一个典型的例子是相位调制方案，其中接收器需要尽可能减少星座的分散。

其他环境影响

初始频率精度定义为设备在最终应用中通电时振荡器的频率精度。大多数振荡器在出厂时都校准为绝对 0ppm。运输和存储会导致振荡器偏离其标称频率；最显著的偏差通常发生在振荡器进行回流焊接时。电信设备中使用的振荡器的稳定性水平范围为 300-500ppb。

其他系统效应（如电源变化和负载变化）也会影响频率漂移。

振荡器的精度随时间的变化决定了振荡器的寿命

振荡器的寿命精度是振荡器达到的最差总体精度，包括所有可能的变化。标准将“寿命”定义为 20 年。由于技术的快速进步，设备寿命正在缩短，现在业界普遍接受的寿命为 10 年。

如何为您的电信应用选择合适的振荡器

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总之，振荡器是易受影响的设备，为了达到最高的性能水平，您必须部署多种电气、热机械和高级补偿技术。但如果您不是同步专家，如何选择合适的振荡器？

有多种行业标准支持电信应用。振荡器要求通常可从以下标准中得出：

• ITU-T 第 15 研究组第 13 号课题，涉及网络同步和时间分布性能
• O-RAN 具有同步架构规范和前传定时解决方案
• 3GPP 蜂窝网络空中接口要求
• OCP-TAP 满足数据中心的同步要求。