擁抱大數(shù)據(jù)時(shí)代 解讀5G通信時(shí)鐘同步技術(shù)原創(chuàng)
[導(dǎo)讀]隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，通信系統(tǒng)從集中式系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)發(fā)展，在集中式系統(tǒng)中，所有進(jìn)程或模塊都從系統(tǒng)唯一的全局時(shí)鐘中獲取時(shí)間，系統(tǒng)內(nèi)任何兩個(gè)事件都有著明確的先后關(guān)系。
在分布式系統(tǒng)中，系統(tǒng)無(wú)法為彼此間相互獨(dú)立的模塊提供一個(gè)統(tǒng)一的全局時(shí)鐘。由于這些本地時(shí)鐘的計(jì)時(shí)速率、運(yùn)行環(huán)境不一致，因此，在一段時(shí)間后，這些本地時(shí)鐘也會(huì)出現(xiàn)不一致。為了讓這些本地時(shí)鐘再次達(dá)到相同的時(shí)間值，必須進(jìn)行時(shí)間同步操作。
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（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(kāi)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。
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(kāi)發(fā)周期。
下載文檔聲明：該篇文章為本站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)不予轉(zhuǎn)載，侵權(quán)必究。
換一批
延伸閱讀
5G領(lǐng)先讓我們信心大增，但是這不能成為我們高枕無(wú)憂的理由。隨著我們認(rèn)識(shí)到通訊技術(shù)在科技領(lǐng)域的重要性之后，競(jìng)爭(zhēng)必然會(huì)更加激烈起來(lái)。在5G還未成熟的年代，通訊商們就已經(jīng)開(kāi)始將目光瞄準(zhǔn)了6G，并開(kāi)始相關(guān)的研發(fā)和布局。
關(guān)鍵字： 5G 6G 虛擬數(shù)字世界擁有 5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的支撐，智能家居行業(yè)逐漸從單品智能邁入全屋智能階段 。其由于全屋智能產(chǎn)品特殊性，落地安裝涉及到方案場(chǎng)景設(shè)計(jì)、布線，安裝，施工、后期維護(hù)更新等多個(gè)環(huán)節(jié)，整體最好的實(shí)施路徑是通過(guò)房屋整體裝...
關(guān)鍵字： 全屋智能 5G 物聯(lián)網(wǎng)5G時(shí)代，我們實(shí)現(xiàn)了彎道超車(chē)，一躍超越高通，愛(ài)立信，領(lǐng)先于世界?，F(xiàn)如今，5G正在全世界加速普及和應(yīng)用。通訊和實(shí)業(yè)的結(jié)合，已助力生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高，讓我們的生活變得更加美好。
關(guān)鍵字： 5G 6G 中國(guó)移動(dòng)蘋(píng)果的iPhone 14系列手機(jī)已經(jīng)上市，首批購(gòu)買(mǎi)的用戶感覺(jué)如何?蘋(píng)果這兩年一直被詬病iPhone信號(hào)、網(wǎng)速不行，現(xiàn)在iPhone 14及iPhone 14 Pro不一樣了，5G網(wǎng)速提升了38%之多，而且延遲更低。
關(guān)鍵字： 5G 基帶 5G網(wǎng)速
熱門(mén)文章
- ASML股價(jià)繼續(xù)大跌：想賣(mài)先進(jìn)光刻機(jī)給中國(guó)廠商 但不被允許
- 小米被曝遭車(chē)主拉橫幅求車(chē)！
- 三星印度罷工更多細(xì)節(jié)曝光：每周工作35小時(shí)、職位世襲
- 工信部發(fā)文，國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)又一次重大升級(jí)！
- 突發(fā)！阿里云機(jī)房燒了……
- 又一芯片企業(yè)破產(chǎn)清算！多項(xiàng)資產(chǎn)被拍賣(mài)，起拍價(jià)才1萬(wàn)多
- 中國(guó)實(shí)現(xiàn)芯片制造關(guān)鍵技術(shù)首次突破：一年內(nèi)投入應(yīng)用
- 阿維塔、賽力斯已入股！華為引望可能成“中國(guó)博世”
- 投影延遲低至1ms以下，控制器體積縮小90%｜TI DLPC8445帶來(lái)DLP技術(shù)重大革新
- 獨(dú)立自主！華為董事：致力打造不依賴西方的技術(shù)
編輯精選
更多
論壇活動(dòng)
技術(shù)子站
更多
