1 引言
Semtech RF收发器常须外挂时钟基准,为RF与数字操作产生高频时钟。其器件内多备有片上晶体振荡器,使得用简单的外部晶体(XTAL)就可以完成时钟电路。 然而对于频率稳定以及在温漂有要求的应用,支持外接温度补偿晶体振荡器(TCXO)。
1.1 本文档的作用
本文档重点突出用晶体、TCXO正反面,给特定硬件应用的最佳时钟源提供指导。
1.2 本档的范围
本文档应用于LoRa收发器与网关参考设计（非只有传统FSK的收发器）：
LoRa® sub-GHz 收发器
o SX1272/31
o SX1276/7/8/92
o SX1261/2/83
o LLCC684
LoRa® 2.4-GHz 收发器
o SX1280/15
LoRa 双带 收发器
o L®R1120, LR11216
LoRa® Edge® 平台
o LR1110, LR11207
Gateway 平台
o SX1302/SX1303 Corecell 参考设计 (h半/全双工设计)8
o SX1280 2.4GHz网关参考设计9
o SX1301/SX1308 NanoCell/PicoCell 网关10
大多数硬件使用单个时钟源，但基于SX1301的网关除外，该网关需要两个：通常32MHz时钟提供给射频模块，130-150MHz范围内的高速时钟，以驱动解调模块和数据处理模块。
2 XTAL与TCXO
典型的XTAL使用AT切割方法，其频率-温度特性呈立方曲线。
TCXO将温度补偿电路与XTAL一起集成，因此，它在很宽的温度范围内具有更高的频率稳定性。
图1 TCXO11的频率-温度特性示例
使用TCXO作为时钟源的好处包括：
- 提高了频率稳定性和温度精度；
- 由于不需要隔热切口，因此可能节省 PCB 空间。
使用XTAL的好处包括：
- 降低物料清单成本
- 更低的功耗
- 更快的启动时间
有关为 LoRa® 应用选择合适的晶体振荡器的更多详细信息，请参考应用手册AN1200.14 Crystal Oscillator Guidance LoRa Modulation。
本文档的其余部分比较了Semtech为915MHz频段的SX1262 EVK设计选择的XTAL和TCXO规格。
表1 TCXO和晶体典型规格的样品比较
3 频率精度要求
这些时钟精度要求适用于 LoRa、GFSK 和 LoRa Edge GNSS 设备和应用。
该器件应在设计规范内的所有条件下满足所有潜在应用的要求。
3.1 LoRa®射频
发射器和接收器之间的 LoRa 调制应满足所有列出的要求：
- 发射/接收之间的载波频率应在带宽的±25%以内
- +/-50ppm @ SF12
- +/-100ppm @ SF11
- +/- 200ppm @ SF10
表 2 LoRa 射频时钟绝对精度要求（以 ppm 为单位）（US915 频段，单边）14
表2中的ppm失调表示发射器和接收器之间组合失调所需的参考时钟精度。例如，如果工作在125kHz带宽的接收器具有+/- 5ppm的偏移，则发射器频率误差必须小于+/- 31.2ppm才能满足表2的要求。
对于数据包传输时的频率漂移，还必须满足以下条件。如果禁用低数据速率优化，则数据包传输时间内的总频率漂移应小于，如果启用低数据速率优化，则小于。根据有效载荷大小， 当 LoRa® 符号时间等于或大于 16.38ms 时，通常建议进行低数据速率优化。
表 3 LoRa 无线电数据包内时钟精度要求（以 Hz 为单位）（单侧）
3.2 FSK射频
对于FSK调制，以下条件通常适用于所有收发器。
频率误差[DSB]≤RX BW[DSB]−BR−2∗频偏
表 4 FSK 无线电时钟精度要求（以 ppm 为单位）（US915 频段，单边）15
窄带FSK一般可以实现高链路预算和传输范围。但是，它通常需要使用TCXO来满足严格的频率精度要求。
3.3 资产跟踪应用
LR11xx 用于 GNSS 扫描应用所需的整体频率稳定性为 +/- 6ppm。
4 选择最佳时钟源
选择最佳时钟源需要设计人员考虑多种因素，包括：
- 芯片组的应用： LoRa 通信， FSK 通信， 地理位置， 或任何组合.
- 预期的操作条件（温度、湿度、运动）
- 设计规范和约束（成本、尺寸）。
- 硬件的预期寿命。
- 硬件在系统中的重要性。
- 可靠性要求（关键任务、安全性）。
4.1晶体 XTAL
XTAL实现通常适用于以下部署：
输出功率有限的设备。例如，SX1261和LLCC68通常高达14dBm，SX127x系列通常高达20dBm。
具有高输出功率（SX1262/LR11xx 至 22dBm）的室内设备，已在 PCB 上实现了推荐的热断路器或通过电容器组调谐参考频率的技术。
LR11xx 位置报告设备，仅使用被动 Wi-Fi 扫描。
设计合理的终端设备，已知可与具有高质量时钟的网关通信，并且组合频率偏移满足第 3 节中列出的要求。这适用于大多数使用 LoRaWAN 的室内/室外终端设备。
4.2 带补偿技术的晶体TCXO
许多Semtech射频收发器，如SX126x和SX127x，都有一个内部晶体振荡器，配备可编程电容器组，允许用户将参考频率微调到+/-30ppm（典型值）。
给定晶体的晶体振荡器的频率特性可以在所需的工作温度范围内得到充分表征。有了这些信息，设计人员就可以实现补偿算法，以在各种工作条件下“重新居中”或校正频率误差。例如，最小频率误差的电容器调整值可以在生产过程中校准和存储，以实现最小、典型和最高温度。
在板载温度传感器的帮助下，该器件将根据当前温度自动应用预定的电容器微调值。显然，这种技术的缺点是额外的开发和增加的生产测试时间。
5 建议
5.1 推荐时钟源生产测试时间。
表 5 时钟源建议
5.2 推荐用于无线电操作的 32MHz TCXO
表6 推荐用于无线电操作的 32MHz TCXO
需要注意的是，本表中推荐的TCXO仅根据Semtech有限的平台样本和操作条件进行了验证/鉴定。开发人员最终有责任为给定设计全面验证和鉴定所选参考时钟。TCXO规格必须与应用的要求保持一致，包括工作温度范围、电源电压和电气特性。
5.3 推荐用于无线电操作的32MHz晶体
表7 推荐用于无线电操作的32MHz晶体
需要注意的是，本表中推荐的晶体仅根据Semtech有限的平台和操作条件样本进行了验证/鉴定。开发人员最终有责任为给定设计全面验证和鉴定所选参考时钟。晶体规格必须符合应用的要求，包括工作温度范围、电源电压和电气特性。
5.4 推荐用于LoRa Edge GNSS的32MHz TCXO
LoRa Edge具有两种 GNSS 扫描模式： 传统扫描和高级扫描.
传统扫描没有很强的TCXO启动时间要求，而GNSS高级扫描要求TCXO启动时间至少为15ms，以确保频率稳定性。以下TCXO已在GNSS高级扫描操作中进行了验证，使用Semtech LoRa Edge的参考设计从1.8V（或相应TCXO数据表中的最小定义值）到3.3V，TCXO启动时间配置为15ms。建议使用直接来自LR1110/20收发器的VTCXO信号为TCXO供电，设置为允许的最小TCXO电源电压，以优化TCXO建立时间。
表 8 推荐用于 LoRa Edge GNSS 的 32MHz TCXO
除了 32MHz TCXO， LoRa Edge GNSS 需要一个 32.768kHz 时钟源用于高级扫描和双星座模式.有关 32.768kHz 时钟的更多信息，请参阅 LoRa Edge 产品的数据表和用户手册.请参阅 AN1200.74 LoRa Edge Clock Requirements应用手册， 查找有关 LoRa Edge™时钟要求的更多详细信息.
需要注意的是，本表中推荐的TCXO仅根据Semtech有限的平台样本和操作条件进行了验证/鉴定。开发人员最终有责任为给定设计全面验证和鉴定所选参考时钟。TCXO规格必须与应用的要求保持一致，包括工作温度范围、电源电压和电气特性。
6 小结
所有Semtech的LoRa终端设备和网关平台均设计为与晶体和TCXO兼容，作为时钟参考源。
大多数 LoRaWAN 应用都可以通过在终端设备中使用晶体和在网关中使用 TCXO 来满足 LoRa 调制频率精度要求.
与窄带FSK相比，由于其频率偏移容差窄而需要TCXO作为参考时钟， LoRa调制的频率精度要求不那么严格，因此可以容忍在大多数终端设备中使用晶体 22 .事实上， 在 LPWAN 应用中，带晶体的 LLCC68 LoRa 收发器可能是带 TCXO 的窄带 FSK 的良好替代解决方案。
1 https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/sx1272
2 https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/sx1276
3 https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/sx1262
4 https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/llcc68
5 https://www.semtech.com/products/wireless-rf/24-ghz-transceivers/sx1280
6 https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-connect/lr1121
7 https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-edge#related-products-list
8 Corecell 设计包含了 SX1302 基带与 SX1250 射频.
全双工设计: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-gateways/sx1302cfdxxxgw1
半双工设计: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-gateways/sx1302cssxxxgw1
9 https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-gateways/sx1280zxxxxgw1
10 传统网关参考设计，包含SX1301/8基带与SX1255/7射频:
490MHz 设计: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-gateways/sx1308p490gw
868MHz 设计: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-gateways/sx1308p868gw
915MHz 设计: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-gateways/sx1308p915gw
11 图由NDK提供，可以在这个网址找到它： https://www.ndk.com/catalog/AN-CO_GG_e.pdf
12 XTAL，用于 Semtech PCB_E428V03A – SX1262 EVK，
13 TCXO，用于Semtech PCB_E449V01A – SX1262 EVK
14 如果满足要求，预计灵敏度不会降低
15 如果满足要求，预计灵敏度不会降低
16 TCXO 在 LoRa 和 GFSK 终端设备和网关里已经验证过 （不包括 LoRa 边缘 GNSS）
17 Rs（最大值）≤ 40 欧姆的晶体可用于 SX1272、SX1276、SX1261、SX1262、SX1268 和 LLCC68 设计
18 Rs（最大值）≤ 60 欧姆的晶体可用于 SX1276 和 SX1261、SX1262、SX1268 和 LLCC68 设计
19 仅在 VTCXO=1.8V 下验证
20 仅在 VTCXO=2.7V 下验证
21 仅在 VTCXO=3.0V下验证
22 使用具有TCXO的典型网关时
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