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移動(dòng)寬帶和電信網(wǎng)絡(luò)依靠稱為 Stratum 時(shí)鐘的高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確的定時(shí)源來(lái)滿足表 1 中所示的嚴(yán)格相位和同步要求。 在典型的網(wǎng)絡(luò)部署中，有一個(gè)可追溯到 Stratum-1 的主要參考時(shí)鐘源 (PRS)或銫原子鐘。一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)時(shí)時(shí)鐘源：Stratum-3 或 -3E 源自更準(zhǔn)確的上游 Stratum-2 時(shí)鐘。每個(gè) Stratum 級(jí)別的時(shí)鐘必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率穩(wěn)定性和 20 年以上的長(zhǎng)期老化。Stratum-n 精度和保持規(guī)范的詳細(xì)信息在以下部分中描述。

簡(jiǎn)介

移動(dòng)寬帶和電信網(wǎng)絡(luò)依靠稱為 Stratum 時(shí)鐘的高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確的定時(shí)源來(lái)滿足表 1 中所示的嚴(yán)格相位和同步要求。在典型的網(wǎng)絡(luò)部署中，有一個(gè)主要參考時(shí)鐘源 (PRS) 可追溯到 Stratum- 1 或銫原子鐘。 一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)時(shí)時(shí)鐘源：Stratum-3 或 -3E 源自更準(zhǔn)確的上游 Stratum-2 時(shí)鐘。 每個(gè) Stratum 級(jí)別的時(shí)鐘必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率穩(wěn)定性和 20 年以上的長(zhǎng)期老化。 Stratum-n 精度和保持規(guī)范的詳細(xì)信息在以下部分中描述。

表 1：LT+/5G 網(wǎng)絡(luò)中的頻率和相位要求

*Network = Fronthaul/Backhaul, Air = Air interface from Antenna to UE (RF)

每個(gè)派生的 Stratum-n 時(shí)鐘，n = 3，3E 使用本地恒溫振蕩器 (OCXO) 作為備用時(shí)鐘源，以防丟失更高精度的上游 Stratum-1 或 -2 時(shí)鐘。 通常，主要時(shí)鐘參考 (PCR) 丟失的持續(xù)時(shí)間在 30 分鐘到 24 小時(shí)的范圍內(nèi)。 Stratum-3/3E 時(shí)鐘的這種狀態(tài)稱為“保持”模式。

圖 1：時(shí)鐘的概念框圖顯示了振蕩器在保持中的作用

由于 OCXO 必須在主時(shí)鐘丟失的情況下保持或“保持”定時(shí)同步，因此在承載 PCR 的鏈路恢復(fù)之前，OCXO 表現(xiàn)出與上游 Startum-2 時(shí)鐘一樣好的定時(shí)特性至關(guān)重要。 當(dāng) OXCO“保持”最后一個(gè)同步或同步頻率時(shí)，Stratum 時(shí)鐘的狀態(tài)稱為“保持”狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)序參考源

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有同步分布式時(shí)鐘都可追溯到 PRTC（主參考時(shí)鐘）或可追溯到 Stratum-1 時(shí)鐘的 PRC[2]。 各種 Stratum 級(jí)別時(shí)鐘及其關(guān)系如圖 2 所示。

圖 2：電信網(wǎng)絡(luò)中的同步層次結(jié)構(gòu)

Stratum 0：一種基于銫原子的參考時(shí)鐘源，它中繼 UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）并且?guī)缀鯖](méi)有延遲，被稱為 0 層設(shè)備。 網(wǎng)絡(luò)上不能使用 Stratum-0 服務(wù)器； 相反，它們直接連接到作為主要時(shí)間服務(wù)器運(yùn)行的計(jì)算機(jī)。

Stratum 1：網(wǎng)絡(luò)中最準(zhǔn)確的時(shí)鐘源。 頻率精度為 UTC 的 ±0.01 ppb。 也稱為主參考時(shí)鐘 (PRC)，用于核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。 PRC 被鎖定到可追溯到 Stratum-0 原子鐘的 GPS/GNSS 接收器時(shí)鐘。

Stratum 2：接收來(lái)自PRC的同步信號(hào)，具有良好的保持能力。 頻率精度為 ±16 ppb。 也稱為樓宇綜合計(jì)時(shí)源 (BITS)，用于中央辦公室。

Stratum 3：使用線路定時(shí)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)從 BITS 接收同步信號(hào)，并具有合理的保持能力。 頻率精度為 ±4.6 ppm。 也稱為網(wǎng)元從時(shí)鐘 (NES)，用于移動(dòng)交換中心。 有兩種基于頻率穩(wěn)定性的變體：頻率穩(wěn)定性為 ±300 ppb 的 Stratum-3 和頻率穩(wěn)定性為 ±10 ppb 的 Stratum-3E。

滯留類型和影響因素

保持振蕩器的特征在于兩個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)：

1. 頻率保持——保持期間的最大頻率偏差。 頻率偏差是從進(jìn)入保持狀態(tài)之前的平均頻率測(cè)量。

2. 時(shí)間保持 – 保持期間參考同步參考 (PRC) 的時(shí)間誤差 (TE) 累積。

由于上述影響因素的綜合影響導(dǎo)致的時(shí)間誤差可以按照以下等式進(jìn)行預(yù)測(cè)：

由于環(huán)境溫度變化引起的頻率漂移程度由振蕩器的頻率與溫度斜率 (ΔF/ΔT) 決定。 鑒于精密 OCXO 的 ppt 級(jí) ΔF/ΔT 值和保持期間溫度的微小變化 (±1°C)，溫度變化引起的頻率漂移對(duì)整體保持性能有良性影響，可以忽略不計(jì)。

艾倫方差 (AVAR) 表征設(shè)備在恒定環(huán)境條件下的短期頻率穩(wěn)定性。 AVAR 是一種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，用于量化 OCXO 固有的低頻噪聲過(guò)程。 因?yàn)檫@個(gè)保持影響因素是一個(gè)隨機(jī)實(shí)體并且很難補(bǔ)償，所以它不在本文的范圍內(nèi)。

老化是保持振蕩器在恒定環(huán)境條件下的長(zhǎng)期頻率漂移，直接受 OCXO 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的影響。 本文討論了通過(guò)自適應(yīng)補(bǔ)償保持振蕩器的長(zhǎng)期漂移來(lái)擴(kuò)展現(xiàn)成的低成本 TCXO 或 OCXO 保持性能的技術(shù)。

以下部分重點(diǎn)介紹領(lǐng)先 OCXO（例如 SiTime SiT5711）的老化曲線，并提供有關(guān)自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)的指導(dǎo)，以擴(kuò)展精密 OCXO 的老化相關(guān)保持性能。

OCXO 的老化曲線

為了自適應(yīng)地補(bǔ)償每日漂移，必須了解在不同操作條件下每日漂移曲線如何隨時(shí)間變化。

有幾個(gè)因素會(huì)影響老化曲線：

1. 回流焊轉(zhuǎn)移——這種影響是短期的，通常需要 24 到 48 小時(shí)讓封裝去應(yīng)力

2. 工作溫度影響——每日漂移在較低溫度下更好

3 . 存儲(chǔ)影響 - 配置文件與振蕩器保存或不工作（未通電）的時(shí)間以及存儲(chǔ)溫度直接相關(guān)

4. 回掃影響 - 取決于振蕩器通電的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間 它保持?jǐn)嚯?，振蕩器將在每個(gè)電源開/關(guān)周期顯示不同的配置文件

OCXO 的典型老化曲線顯示為在 85°C 恒定環(huán)境溫度下 30 天的頻率偏差分?jǐn)?shù)圖，如圖 3 所示。該圖顯示了從標(biāo)稱偏移消除后的頻率偏差。 此外，在設(shè)備通電后一小時(shí)測(cè)量頻率，以消除與焊料偏移相關(guān)的偽影。

圖 3：老化曲線顯示 SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的頻率偏差與時(shí)間； 開機(jī)一小時(shí)測(cè)得的頻率

隨著振蕩器老化或保持運(yùn)行時(shí)間超過(guò)幾個(gè)小時(shí)，該曲線呈現(xiàn)線性每日漂移趨勢(shì)。 此外，根據(jù)情節(jié)，每日漂移從通電后 2 小時(shí)減慢到 5 小時(shí)。 我們將使用此老化曲線特征來(lái)應(yīng)用我們?cè)谙乱还?jié)中描述的自適應(yīng)補(bǔ)償方法。

自適應(yīng)補(bǔ)償方法

自適應(yīng)補(bǔ)償頻率漂移的基本前提有兩個(gè)：

1. 使用比 OCXO 精確一個(gè)數(shù)量級(jí)的系統(tǒng)定時(shí)參考進(jìn)行連續(xù)和精確的頻率測(cè)量。 在系統(tǒng)進(jìn)入保持狀態(tài)之前，這些定時(shí)參考可以來(lái)自 GPS/GNSS 接收器或 SyncE 鏈路上的 PTP 時(shí)間戳。

2. 將每日漂移建模為線性趨勢(shì)，以便在時(shí)鐘進(jìn)入保持狀態(tài)后只能自適應(yīng)地預(yù)測(cè)斜率。 這種線性模型假設(shè)基于這樣一個(gè)事實(shí)，即在運(yùn)行幾天后，大多數(shù) OCXO 表現(xiàn)出線性每日漂移曲線，如圖 4 所示。

圖 4：SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的老化圖，顯示了應(yīng)用自適應(yīng)補(bǔ)償來(lái)預(yù)測(cè)開機(jī)后約 5 小時(shí)保持期間的每日速率

自適應(yīng)補(bǔ)償 OCXO 的方法歸結(jié)為以下步驟：

1. 基于連續(xù)和精確的測(cè)量，參考標(biāo)稱頻率確定以 ppb/天為單位的每日老化率。

2. 生成一個(gè)以秒為單位的時(shí)間向量，其分辨率與步驟 1 中獲取的頻率數(shù)據(jù)一致。

3. 在保持期間，預(yù)測(cè)由于每日老化引起的頻率變化，將步驟 1 中的老化率乘以步驟 2 中的時(shí)間向量中的步長(zhǎng)。

實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程的數(shù)學(xué)說(shuō)明如圖 5 所示。

圖 5：使用每日漂移的線性模型進(jìn)行老化補(bǔ)償?shù)膱D示

結(jié)論

隨著下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間和頻率同步的嚴(yán)格要求，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘設(shè)計(jì)者應(yīng)用自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)保持狀態(tài)期間的頻率變化以消除或減少老化對(duì)時(shí)間誤差的影響至關(guān)重要。 此處介紹的自適應(yīng)補(bǔ)償方法基于系統(tǒng)中精確時(shí)鐘參考的可用性，該系統(tǒng)用于進(jìn)行精確的分?jǐn)?shù)頻率偏差測(cè)量，以及已老化至少幾個(gè)小時(shí)的 OCXO 每日老化曲線的線性模型。 進(jìn)入保持模式之前的系統(tǒng)。

關(guān)于SiTime公司

SiTime是一家專注于全硅MEMS時(shí)鐘解決方案的Fabless半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司。公司成立于2005年，于2019年在美國(guó)納斯達(dá)克上市。截至2021年底，全球累積出貨量已超過(guò)20億片，占據(jù)全球MEMS硅晶振市場(chǎng)90%以上份額。

SiTime采用MEMS技術(shù)與CMOS半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，依托先進(jìn)的堆疊封裝工藝制作而成。無(wú)需更改PCB設(shè)計(jì),即可P2P完全替代所有傳統(tǒng)石英振蕩器產(chǎn)品。大尺度頻率覆蓋范圍、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)封裝、靈活的產(chǎn)品組合，快捷的可編程交付方式。所有產(chǎn)品可在24小時(shí)內(nèi)提供32KHz--725MHz任一頻率樣品供應(yīng),實(shí)現(xiàn)更高性能時(shí)鐘樣品的快速交付。SiTime硅晶振以穩(wěn)定的性能和超高的性價(jià)比成為了大多數(shù)高性能主控芯片的理想時(shí)鐘選擇和強(qiáng)健的心臟。不僅可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)調(diào)試成本，而能降低未來(lái)產(chǎn)品返修風(fēng)險(xiǎn)，快給你的電路換上一顆SiTime硅晶振吧。

關(guān)于SiTime樣品中心

SiTime樣品中心成立于2014年，由SiTime公司聯(lián)合北京晶圓電子有限公司共同創(chuàng)立，并由晶圓電子全權(quán)負(fù)責(zé)全面運(yùn)營(yíng)、客戶服務(wù)以及國(guó)內(nèi)的交付任務(wù)。SiTime樣品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市場(chǎng)在大中華地區(qū)的應(yīng)用普及,助力中國(guó)客戶產(chǎn)品時(shí)鐘解決方案升級(jí)換代。提供售前售后技術(shù)服務(wù)、24小時(shí)快速供樣、以及國(guó)內(nèi)中小批量現(xiàn)貨支持和重要客戶的全方位策略服務(wù)。更多資訊可訪問(wèn)SiTime樣品中心官網(wǎng)(www.sitimechina.com)。