自电信业出现以来,网络同步一直是语音通信的重要因素.早期,采用频率同步来确保高质量和高可靠性的电话呼叫.在今天的网络中,数据流量消耗了大部分网络带宽.虽然语音通信现在只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,时间同步变得很重要.随着即将推出的5G,非常紧密的时间/相位同步以及晶振频率同步对于这些网络来说将是必不可少的,以提高数据吞吐量以支持新兴应用的需求,例如自动驾驶,远程手术和更精确的地理定位.
位于网络节点中的本地振荡器在系统的整体同步性能中起着至关重要的作用.这适用于使用同步以太网的频率同步系统,使用IEEE 1588中描述的精确时间协议(PTP)的时间/相位/频率同步系统,或两者的组合.在5G网络中,严格的时间对齐要求在整个系统中至关重要.基站天线的对准要求可以非常紧凑,低至65纳秒(ns),具体取决于MIMO,载波聚合和发射机分集.此外,回程网络(网络交换机,路由器)中每个网络节点所允许的添加的定时错误量可以低至每个节点5ns.
在这种同步系统中,在每个网络节点处存在本地石英晶体振荡器,其提供时钟到同步锁相环(PLL).PLL环路带宽通常设置在1mHz至0.1Hz的范围内,具体取决于实现方式.许多因素会影响时间错误性能.本地振荡器的稳定性是节点中产生的时间误差的主要原因.PLL滤波功能(PLL环路顺序,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错误分析是一个复杂而漫长的过程,执行时间从几周到几个月不等.为了帮助缓解这些问题,SITIME晶振公司开发了时间误差模拟器软件,模拟本地振荡器的不稳定性产生多少漂移,前提是参考输入是理想的并且是自由漂移的.该工具可以在各种不同的系统参数和温度曲线下快速模拟时间误差.
SiTime Time Error Simulator软件需要振荡器的基本性能数据的以下三个区域(在组件级别测量):
1.振荡器的频率超温行为-模拟温度变化的贡献.
2.振荡器的频率随时间变化的行为(频率趋势至少1小时)-模拟振荡器的漂移贡献.
3.一天频率老化-模拟振荡器的老化贡献.
这些数据可以在实验室中获得,不超过一天的数据捕获.或者,它可以由有源晶体振荡器供应商提供.根据用户PC的性能,24小时频率老化可能只需半小时的仿真时间,这比实时测量快得多.本文讨论了用于时间误差的各种模型使用STime Error Simulator软件模拟PTP和PTP+SyncE应用程序.
1.仅PTP仿真模型
仅PTP仿真模式模拟本地水晶振荡子频率变化对没有物理层频率支持的单个电信时钟(如T-BC)的性能的影响.这种情况下的模型是单个PLL模型.时间误差模拟器软件支持两种时钟状态的模拟:锁定状态和保持.图1显示了这两种时钟状态的仿真模型图.

图1:PTP系统节点仿真模型:(a)锁定状态仿真;(b)保持状态模拟

PLL模型的输入是本地振荡器随时间的频率特性.可以选择许多本地SPXO振荡器频率变化的因素:可变温度效应,振荡器漂移效应和日常老化效应.
对于锁定状态模拟,假设PTP输入是理想的,因此时间误差为0.该方法用于模拟本地振荡器不稳定性的贡献.本地振荡器的频率随时间变化趋势用于计算理想时钟的频率误差.该频率误差被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输出的结果时间误差.本地振荡器对PLL输出影响的简化模型是高通滤波器,其截止频率与环路滤波器带宽相同.过滤带宽和订单参数由用户定义.
对于保持状态模拟,假定同步误差(进入保持之前的时间误差)为0.当失去对主控的锁定时,PLL输出跟随本地振荡器,因此低电压有源晶振贡献的PLL模型降低到单位增益常数.由于软件生成通用PLL仿真,因此仅PTP仿真模式也可用于估计SyncEe EEC性能.但是,时钟带宽会有所不同.在电信应用中,PTP带宽通常在几mHz到20mHz之间,而SyncE带宽在0.1Hz到10Hz之间.

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