時(shí)鐘同步技術(shù)
系統(tǒng)中各時(shí)鐘的同步,需要對(duì)比各時(shí)鐘與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的差值,以及對(duì)相對(duì)漂移做修正處理。比如,在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)用戶設(shè)備中,我們一般通過(guò)調(diào)整1PPS信號(hào)前沿出現(xiàn)時(shí)刻,來(lái)做時(shí)鐘同步。還有一種就是通過(guò)以太網(wǎng)的時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)來(lái)做時(shí)鐘同步,這個(gè)技術(shù)稱為同步以太技術(shù),或者SyncE。當(dāng)然,還有其他一些技術(shù),比如通過(guò)無(wú)線電波來(lái)傳播時(shí)間信息,不過(guò)這些傳輸方式只能實(shí)現(xiàn)同頻傳輸。
為了達(dá)到更高精度要求,有人提出了一種PTP的傳輸方式。后來(lái),隨著5G技術(shù)的不斷提高,又提出采用SyncE+PTP相結(jié)合的方式。
GPS時(shí)鐘同步
GPS同步三維坐標(biāo)理論
GPS系統(tǒng),利用工作衛(wèi)星確定接收機(jī)三維坐標(biāo),得到接收機(jī)的時(shí)鐘偏差,來(lái)進(jìn)行授時(shí)。理論上來(lái)說(shuō),只要接收到4顆或者4顆以上工作衛(wèi)星,通過(guò)空間三維坐標(biāo)公式,就可以準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行定位和授時(shí),其坐標(biāo)理論如下圖,具體推導(dǎo)過(guò)程不贅述。
GPS高穩(wěn)頻綜器系統(tǒng)原理
2004年, Nicholls和Carleton提出了著名的N/C系統(tǒng),N/C系統(tǒng)的核心技術(shù)是利用10MHz的OCXO同時(shí)接入一個(gè)分頻器和一個(gè)倍頻器,分別產(chǎn)生1pps和160MHz的信號(hào),利用鎖相環(huán),實(shí)時(shí)校正OCXO的輸出頻率。
為了便于直觀分析,我們重構(gòu)系統(tǒng),GPS接收機(jī)產(chǎn)生1PPS輸出信號(hào),和OCXO產(chǎn)生的10MHz分頻輸出1PPS信號(hào),再通過(guò)10MHz倍頻160MHz的信號(hào)檢測(cè)相位偏移量,實(shí)現(xiàn)同步。
同步的本質(zhì),就是通過(guò)鎖相環(huán)來(lái)調(diào)整頻率和相位,數(shù)字鎖相環(huán)DPLL對(duì)數(shù)字電路噪聲容忍能力強(qiáng)、捕獲時(shí)間快、易于集成、可以提供復(fù)雜的處理算法。
數(shù)字鎖相環(huán)主要包括鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波、相位累加器、DA轉(zhuǎn)換等。鑒相器把本地估算信號(hào)和輸入信號(hào)做相位比較,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)相位誤差序列,經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波,產(chǎn)生相位控制字,調(diào)節(jié)相位,同時(shí),頻率控制字調(diào)整頻率輸出。
目前,大多數(shù)鎖相環(huán)采用一種基于DDS+PLL的結(jié)構(gòu),通過(guò)分別計(jì)算頻率控制字和相位控制字做調(diào)整,來(lái)實(shí)現(xiàn)快速鎖定相位和頻率。
SyncE時(shí)鐘同步
SyncE(同步以太網(wǎng))架構(gòu)
同步以太網(wǎng)技術(shù),是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時(shí)鐘頻率的技術(shù),簡(jiǎn)稱SyncE,在以太網(wǎng)源端使用高精度時(shí)鐘,利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)物理層接口PHY發(fā)送數(shù)據(jù),在接收端通過(guò)CDR恢復(fù)并提取該時(shí)鐘頻率,保持高精度時(shí)鐘性能,SyncE技術(shù)框圖如下:
CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))基本原理
以太網(wǎng)PHY層傳輸NRZ碼流,在傳輸側(cè),對(duì)碼流重新編碼成4B/5B、8B/10B、64B/66B碼,通過(guò)CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))可以完成時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)。
CDR原理大致如下:鑒頻環(huán)Coarse Loop完成頻率捕獲,鑒相環(huán)Fine Loop調(diào)整相位和恢復(fù)時(shí)鐘關(guān)系,恢復(fù)數(shù)據(jù)信號(hào)。
CDR電路主要分為:
●雙環(huán)結(jié)構(gòu)CDR、 由鎖相環(huán)和延遲鎖相環(huán)組成,鎖相環(huán)提供所需頻率的低抖動(dòng)正交時(shí)鐘,鎖相環(huán)將正交時(shí)鐘的相位調(diào)整為最佳采樣相位;
●全數(shù)字化CDR、此電路采用全數(shù)字電路通過(guò)過(guò)采樣法實(shí)現(xiàn),功耗較低,但精度有限;
●還有一種無(wú)參考時(shí)鐘CDR、此電路不需要提供片外參考時(shí)鐘,應(yīng)用靈活,但工作頻率范圍較小。
SyncE在時(shí)鐘同步中,表現(xiàn)出了非常出色的頻率跟蹤作用,但是SyncE在時(shí)鐘傳輸中無(wú)法判斷時(shí)鐘信號(hào)在線路上的傳輸延時(shí)。
精確時(shí)間協(xié)議PTP(Precision time protocol)演進(jìn)
網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議NTP(Network time protocol)理論
PTP是由NTP演變過(guò)來(lái)的,我們先談?wù)凬TP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)消息包,記錄發(fā)出消息包的從時(shí)間戳T1,主時(shí)鐘收到消息包立即記錄主時(shí)間戳T2,同時(shí),主時(shí)鐘向從時(shí)鐘返回一個(gè)帶主時(shí)鐘時(shí)間戳T3的消息包,從時(shí)鐘收到返回消息包后,立刻記錄下從時(shí)鐘的時(shí)間戳T4。
同時(shí),我們假定雙向路徑對(duì)稱,即主到從或者從到主所用時(shí)間一致?;谝陨希覀兛梢院茌p松得出雙向路徑的傳送時(shí)間。
缺點(diǎn):純軟件計(jì)算時(shí)間,需要組織報(bào)文傳輸,需要多次校準(zhǔn),報(bào)文傳輸存在不對(duì)稱,延時(shí)等可能,所以精度不高。
精確時(shí)間協(xié)議PTP(Precision time protocol)理論
IEEE 1588 PTP協(xié)議是在NTP協(xié)議基礎(chǔ)上做了一些優(yōu)化,在硬件上要求每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須有一個(gè)包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)接口卡來(lái)滿足時(shí)間戳要求。
IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘主要分成普通時(shí)鐘OC(Ordinary clock)、邊界時(shí)鐘BC(Boundary clock),只有一個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘是普通時(shí)鐘,有多個(gè)PTP通信端口的時(shí)鐘是邊界時(shí)鐘,每個(gè)PTP端口獨(dú)立通信。理論上來(lái)說(shuō),我們首先確定一個(gè)最優(yōu)的時(shí)鐘作為該網(wǎng)主時(shí)鐘。PTP通過(guò)時(shí)戳單元(TSU)來(lái)標(biāo)記主從時(shí)鐘時(shí)間戳,TSU同時(shí)監(jiān)測(cè)輸入輸出數(shù)據(jù)流,當(dāng)識(shí)別到IEEE 1588 PTP數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼時(shí)發(fā)布一個(gè)時(shí)間戳,用于精確標(biāo)記PTP時(shí)間數(shù)據(jù)包的到達(dá)或者離開時(shí)間。
PTP協(xié)議基于純軟件同步數(shù)據(jù)包傳輸,PTP通信報(bào)文主要分為:同步報(bào)文Sync,跟隨報(bào)文Follow_up(備注:Follow_up message不是必須的,部分模式不需要,例如one-step模式),延遲請(qǐng)求報(bào)文Delay_Req,延遲應(yīng)答報(bào)文Delay_Resp和管理報(bào)文。
IEEE 1588 PTP協(xié)議時(shí)間偏差修正:
●主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文,并記錄發(fā)送時(shí)間tm1,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器,從時(shí)鐘收到該報(bào)文后,記錄接收時(shí)間ts1;
●主時(shí)鐘接著發(fā)送攜帶tm1的Follow_up報(bào)文;
●通過(guò)以上兩條信息,計(jì)算偏移時(shí)間Offset;
●間隔時(shí)間主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送第二條Sync報(bào)文,并記錄發(fā)送時(shí)間tm2,從時(shí)鐘收到該報(bào)文后,記錄接收時(shí)間ts2;
●主時(shí)鐘接著發(fā)送攜帶tm2的Follow_up報(bào)文;
●通過(guò)以上偏移時(shí)間Offset,修正ts時(shí)間。
基于以上步奏,修正ts時(shí)間與tm時(shí)間一致。
IEEE 1588 PTP協(xié)議延遲計(jì)算:
●主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文,并記錄發(fā)送時(shí)間t1,從時(shí)鐘收到該報(bào)文后,記錄接收時(shí)間t2;
●主時(shí)鐘接著發(fā)送攜帶t1的Follow_up報(bào)文;
●從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_req報(bào)文,用于發(fā)起反向傳輸延時(shí)的計(jì)算,并記錄發(fā)送時(shí)間t3,主時(shí)鐘收到該報(bào)文后,記錄接收時(shí)間t4;
●主時(shí)鐘收到Delay_req報(bào)文之后,回復(fù)一個(gè)攜帶有t4的Delay_resp報(bào)文。
基于以上4個(gè)時(shí)間戳,由此可以計(jì)算出各時(shí)間延遲。
SyncE+PTP理論
IEEE 1588 PTP同步最基本的應(yīng)用前提就是必須建立在上下行鏈路時(shí)鐘頻率嚴(yán)格一致的基礎(chǔ)上,如果上下行鏈路時(shí)鐘不一直,那么時(shí)間同步的精度就會(huì)大打折扣。
利用SyncE,從設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)獲取主時(shí)鐘頻率,恢復(fù)出精準(zhǔn)的時(shí)鐘頻率,協(xié)助PTP來(lái)實(shí)現(xiàn)相位對(duì)齊及時(shí)間同步。
Microchip解決方案
世健代理的Microchip旗下?lián)碛衂arlink、Maxim Timing & Sync BU、Micrel、Vectron、Vitesse、Actel等近60年歷史的完整時(shí)鐘方案提供商,可以給用戶提供交鑰匙方案。
SyncE & IEEE 1588
Microchip多種時(shí)間解決方案,產(chǎn)品涵蓋GPS、SyncE以及IEEE1588混合集中式系統(tǒng)以及精確時(shí)間系統(tǒng),可以滿足高中低檔不同組合的產(chǎn)品需求。
ZL30735主要特點(diǎn)
多達(dá)5路獨(dú)立通道DPLL;
3路NCO、分離XO、備用時(shí)鐘模式混合通道DPLL;
多通道Frac_N輸出分頻器;
每個(gè)通道支持任何頻率轉(zhuǎn)換;
多達(dá)10通道差分或者單端輸入,10通道差分或者20通道CMOS輸出;
滿足ITU-T G.8262, G.8262.1, G.813, G.812, Telcordia GR-1244, GR-253;
滿足ITU-T G.8261, G.8263, G.8273.2 (class A,B,C,D), G.8273.4;
嵌入式PPS;
抖動(dòng)性能小于150 fs rms。
OCXO
恒溫晶體振蕩器簡(jiǎn)稱恒溫晶振OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator),是利用恒溫槽使晶體振蕩器中石英晶體諧振器的溫度來(lái)保持恒定。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構(gòu)成,通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構(gòu)成的差動(dòng)串聯(lián)放大器,來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。
Microchip推出多種OCXO可以供客戶選擇,輸出頻率最高可達(dá)3GHz,溫度穩(wěn)定性可達(dá)0.15ppb,老化率可達(dá)20ppb。
VCXO
壓控振蕩器指輸出頻率與輸入控制電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路(VCO),頻率是輸入信號(hào)電壓的函數(shù)的振蕩器VCO,振蕩器的工作狀態(tài)或振蕩回路的元件參數(shù)受輸入控制電壓的控制,就可構(gòu)成一個(gè)壓控振蕩器。
Microchip VCXO選型一覽:
此外,Excelpoint世健可以提供基于Microchip集成IEEE1588、SyncE的PHY芯片和IP協(xié)議包的全套交鑰匙完整方案,助力5G小基站DU、RU及HUB,縮短客戶開發(fā)周期。