自電信業(yè)出現(xiàn)以來,網(wǎng)絡(luò)同步一直是語音通信的重要因素.早期,采用頻率同步來確保高質(zhì)量和高可靠性的電話呼叫.在今天的網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)流量消耗了大部分網(wǎng)絡(luò)帶寬.雖然語音通信現(xiàn)在只占網(wǎng)絡(luò)帶寬的一小部分,但仍需要頻率和時(shí)間/相位同步來確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和可靠性.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)開始使用時(shí)分雙工(TDD)時(shí),時(shí)間同步變得很重要.隨著即將推出的5G,非常緊密的時(shí)間/相位同步以及晶振頻率同步對于這些網(wǎng)絡(luò)來說將是必不可少的,以提高數(shù)據(jù)吞吐量以支持新興應(yīng)用的需求,例如自動駕駛,遠(yuǎn)程手術(shù)和更精確的地理定位.
位于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的本地振蕩器在系統(tǒng)的整體同步性能中起著至關(guān)重要的作用.這適用于使用同步以太網(wǎng)的頻率同步系統(tǒng),使用IEEE 1588中描述的精確時(shí)間協(xié)議(PTP)的時(shí)間/相位/頻率同步系統(tǒng),或兩者的組合.在5G網(wǎng)絡(luò)中,嚴(yán)格的時(shí)間對齊要求在整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要.基站天線的對準(zhǔn)要求可以非常緊湊,低至65納秒(ns),具體取決于MIMO,載波聚合和發(fā)射機(jī)分集.此外,回程網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),路由器)中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所允許的添加的定時(shí)錯(cuò)誤量可以低至每個(gè)節(jié)點(diǎn)5ns.
在這種同步系統(tǒng)中,在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處存在本地石英晶體振蕩器,其提供時(shí)鐘到同步鎖相環(huán)(PLL).PLL環(huán)路帶寬通常設(shè)置在1mHz至0.1Hz的范圍內(nèi),具體取決于實(shí)現(xiàn)方式.許多因素會影響時(shí)間錯(cuò)誤性能.本地振蕩器的穩(wěn)定性是節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生的時(shí)間誤差的主要原因.PLL濾波功能(PLL環(huán)路順序,PLL環(huán)路帶寬)和輸入信號中的漂移量也是影響因素.
使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際時(shí)間錯(cuò)誤分析是一個(gè)復(fù)雜而漫長的過程,執(zhí)行時(shí)間從幾周到幾個(gè)月不等.為了幫助緩解這些問題,SITIME晶振公司開發(fā)了時(shí)間誤差模擬器軟件,模擬本地振蕩器的不穩(wěn)定性產(chǎn)生多少漂移,前提是參考輸入是理想的并且是自由漂移的.該工具可以在各種不同的系統(tǒng)參數(shù)和溫度曲線下快速模擬時(shí)間誤差.
SiTime Time Error Simulator軟件需要振蕩器的基本性能數(shù)據(jù)的以下三個(gè)區(qū)域(在組件級別測量):
1.振蕩器的頻率超溫行為-模擬溫度變化的貢獻(xiàn).
2.振蕩器的頻率隨時(shí)間變化的行為(頻率趨勢至少1小時(shí))-模擬振蕩器的漂移貢獻(xiàn).
3.一天頻率老化-模擬振蕩器的老化貢獻(xiàn).
這些數(shù)據(jù)可以在實(shí)驗(yàn)室中獲得,不超過一天的數(shù)據(jù)捕獲.或者,它可以由有源晶體振蕩器供應(yīng)商提供.根據(jù)用戶PC的性能,24小時(shí)頻率老化可能只需半小時(shí)的仿真時(shí)間,這比實(shí)時(shí)測量快得多.本文討論了用于時(shí)間誤差的各種模型使用STime Error Simulator軟件模擬PTP和PTP+SyncE應(yīng)用程序.
1.僅PTP仿真模型
僅PTP仿真模式模擬本地水晶振蕩子頻率變化對沒有物理層頻率支持的單個(gè)電信時(shí)鐘(如T-BC)的性能的影響.這種情況下的模型是單個(gè)PLL模型.時(shí)間誤差模擬器軟件支持兩種時(shí)鐘狀態(tài)的模擬:鎖定狀態(tài)和保持.圖1顯示了這兩種時(shí)鐘狀態(tài)的仿真模型圖.

圖1:PTP系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)仿真模型:(a)鎖定狀態(tài)仿真;(b)保持狀態(tài)模擬

PLL模型的輸入是本地振蕩器隨時(shí)間的頻率特性.可以選擇許多本地SPXO振蕩器頻率變化的因素:可變溫度效應(yīng),振蕩器漂移效應(yīng)和日常老化效應(yīng).
對于鎖定狀態(tài)模擬,假設(shè)PTP輸入是理想的,因此時(shí)間誤差為0.該方法用于模擬本地振蕩器不穩(wěn)定性的貢獻(xiàn).本地振蕩器的頻率隨時(shí)間變化趨勢用于計(jì)算理想時(shí)鐘的頻率誤差.該頻率誤差被積分以計(jì)算時(shí)間誤差.然后,將本地振蕩器對PLL輸出的貢獻(xiàn)模型應(yīng)用于時(shí)間誤差,以模擬PLL輸出的結(jié)果時(shí)間誤差.本地振蕩器對PLL輸出影響的簡化模型是高通濾波器,其截止頻率與環(huán)路濾波器帶寬相同.過濾帶寬和訂單參數(shù)由用戶定義.
對于保持狀態(tài)模擬,假定同步誤差(進(jìn)入保持之前的時(shí)間誤差)為0.當(dāng)失去對主控的鎖定時(shí),PLL輸出跟隨本地振蕩器,因此低電壓有源晶振貢獻(xiàn)的PLL模型降低到單位增益常數(shù).由于軟件生成通用PLL仿真,因此僅PTP仿真模式也可用于估計(jì)SyncEe EEC性能.但是,時(shí)鐘帶寬會有所不同.在電信應(yīng)用中,PTP帶寬通常在幾mHz到20mHz之間,而SyncE帶寬在0.1Hz到10Hz之間.

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