SiTime开发的新软件可模拟振荡器时间误差仿真
　　自电信行业问世以来,网络同步已成为语音通信的重要因素.早期,采用了频率同步以确保高质量和高度可靠的电话呼叫.在当今的网络中,数据流量会消耗大量网络带宽.尽管语音通信现在仅占网络带宽的一小部分,但仍需要频率和时间/相位同步来确保网络运行和可靠性.当网络开始使用时分双工(TDD)时,时间同步变得非常重要.随着即将推出的5G,非常紧密的时间/相位同步以及频率同步对于这些网络提高数据吞吐量以支持新兴应用(如自动驾驶,远程手术和更精确的地理位置)的需求至关重要.
　　位于网络节点中的石英晶体振荡器在系统的整体同步性能中起着至关重要的作用.对于使用同步以太网的频率同步系统,使用IEEE1588中描述的精确时间协议(PTP)的时间/相位/频率同步系统,或两者的结合,都是如此.在5G网络中,严格的时间调整要求在整个系统中至关重要.取决于MIMO,载波聚合和发射机分集,基站天线的对准要求可能非常严格,低至65纳秒(ns).此外,回程网络中的每个网络节点(网络交换机,路由器)所允许的增加的定时误差量可以低至每个节点5ns.
　　在这样的同步系统中,每个网络节点上都有一个本地振荡器,它提供了时钟到同步的锁相环(PLL).取决于实现方式,PLL环路带宽通常设置在1mHz至0.1Hz的范围内.许多因素都会影响时间误差性能.本地振荡器的稳定性是导致节点中产生时间误差的主要因素.PLL滤波功能(PLL环路阶数,PLL环路带宽)和输入信号中的漂移量也是影响因素.
　　使用实时数据进行实际时间误差分析是一个复杂而漫长的过程,需要执行数周至数月的时间.为了帮助缓解这些问题,SITIME晶振开发了Time Error Simulator软件,该软件可模拟本地振荡器的不稳定性产生多少漂移,前提是基准输入理想且无漂移.该工具可以在各种不同的系统参数和温度曲线下快速仿真时间误差.
　　SiTime时间错误模拟器软件需要振荡器的以下三个基本性能数据区域(在组件级别上测量):
　　1.振荡器在整个温度范围内的频率-模拟温度变化的影响.
　　2.振荡器的频率随时间变化的行为(至少1小时的频率趋势)-模拟振荡器的漂移贡献.
　　3.一日频率老化-模拟振荡器的老化贡献.
　　可以在实验室中获得不超过一天的数据采集数据.或者,它可以由振荡器供应商提供.根据用户PC的性能,24小时的频率老化可能仅需半小时的仿真时间,这比进行实时测量要快得多.
1.仅PTP仿真模型
　　“仅PT”仿真模式可仿真本地振荡器频率变化对不具有物理层频率支持的单个电信时钟(如T-BC)的性能的影响.在这种情况下,该模型是单个PLL模型.Time Error Simulator软件支持系统锁定状态的仿真.图1展示了仿真模型图.

图1:PTP系统节点仿真模型

　　PLL模型的输入是本地振荡器随时间变化的频率特性.可以选择对本地振荡器的频率变化有很多贡献的因素:可变温度效应,振荡器漂移效应和每日老化效应.对于锁定状态仿真,假定PTP输入为理想输入,因此时间误差为0.此方法用于仿真本地振荡器不稳定的影响.本地振荡器的频率随时间变化趋势用于根据理想时钟计算频率误差.对该频率误差进行积分以计算时间误差.然后,将本地振荡器对PLL输出的贡献模型应用于时间误差,以模拟PLL输出的最终时间误差.本地振荡器对PLL输出的影响的简化模型是具有截止频率的高通滤波器,该截止频率与环路滤波器带宽相同.滤波器带宽和订购参数由用户定义.
　　由于该软件生成通用的PLL仿真,因此仅PTP仿真模式也可以用于估计SyncEeEEC性能.但是,时钟带宽将有所不同.在电信应用中,PTP带宽通常在几兆赫兹到20兆赫兹之间,而SyncE带宽在0.1赫兹到10赫兹之间.
2.混合(PTP+SyncE)仿真模型
　　混合(PTP+SyncE)仿真模式可模拟本地振荡器对单个T-BC或T-BC链的性能的影响.该模型假设混合T-BC,其中通过SyncE提供物理层频率支持.该软件实现了锁定有源晶振状态仿真.图2显示了G.8273.2中定义的T-BC模型.图3显示了在软件中实现的T-BC的仿真模型.

图2:G.8273.2中定义的T-BC模型

图3:软件中实现的T-BC仿真模型

　　本地振荡器随时间变化的频率特性与T-BC模型的仅PTP仿真输入相同.假定PTPgrandmaster和SyncE主要参考时钟都是理想的.在链仿真中,到该节点的PTP和SyncE输入是来自先前节点的相应输出.假定链中所有T-BC的本地振荡器行为都相同.
　　使用本地振荡器的随时间变化的频率趋势测量可从理想时钟计算出频率误差.对该频率误差进行积分以计算时间误差.然后,将本地振荡器对T-BC输出的贡献模型应用于时间误差,以模拟由此产生的T-BC输出的时间误差.T-BC被模拟为两个级联的PLL-SyncEPLL和PTPPLL(见图4).SyncEPLL的输出是对PTP PLL的参考.

图4:SyncE-PTPPLL级联

　　如图3所示,SiTime可编程振荡器时间误差到SyncE输出的传递函数由带宽等于SyncE带宽的高通滤波器近似.SyncE输入时间误差到SyncE输出时间误差的传递函数由具有相同带宽的低通滤波器近似.
　　SyncE可以看作是T-BCPTP模块的本地振荡器.为了对PTPPLL建模,在SyncEPLL的情况下使用了相同的概念:关于本地振荡器贡献(SyncE输出)的高通传递函数和关于PTP输入贡献的低通传递函数.
3.本地振荡器频率变化的仿真
　　各种因素对本地振荡器时间误差的影响可以通过Time Error Simulator软件进行模拟.这些因素是:
　　1.温度变化
　　2.振荡器的漂移
　　3.每日老化
　　在典型情况下,将模拟所有这些因素的最终贡献,以解决现实生活中的情况.但是,也可以分别模拟每个因素的贡献.图5显示了上述每个不同因素的仿真模型.

图5:振荡器时间误差贡献因素的仿真模型

　　将代表每个影响因素的随时间变化的频率趋势相加在一起,以计算总体频率变化.然后,将其积分以计算时间误差.使用代表系统对本地振荡器不稳定性的响应的高通滤波器对Timeerror进行过滤.
SiTime开发的新软件可模拟振荡器时间误差仿真

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