擁抱大數(shù)據(jù)時(shí)代 解讀5G通信時(shí)鐘同步技術(shù)

前言
隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，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。

技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu，就5G通信時(shí)鐘同步的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了解讀。

時(shí)鐘同步技術(shù)
系統(tǒng)中各時(shí)鐘的同步，需要對比各時(shí)鐘與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的差值，以及對相對漂移做修正處理。比如，在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)用戶設(shè)備中，我們一般通過調(diào)整1PPS信號前沿出現(xiàn)時(shí)刻，來做時(shí)鐘同步。還有一種就是通過以太網(wǎng)的時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)來做時(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)，比如通過無線電波來傳播時(shí)間信息，不過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，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，來進(jìn)行授時(shí)。理論上來說，只要接收到4顆或者4顆以上工作衛(wèi)星，通過空間三維坐標(biāo)公式，就可以準(zhǔn)確地對其進(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，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，和OCXO產(chǎn)生的10MHz分頻輸出1PPS信號，再通過10MHz倍頻160MHz的信號檢測相位偏移量，實(shí)現(xiàn)同步。

同步的本質(zhì)，就是通過鎖相環(huán)來調(diào)整頻率和相位，數(shù)字鎖相環(huán)DPLL對數(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和輸入信號做相位比較，產(chǎn)生對應(yīng)相位誤差序列，經(jīng)過環(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)，通過分別計(jì)算頻率控制字和相位控制字做調(diào)整，來實(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)，對碼流重新編碼成4B/5B、8B/10B、64B/66B碼，通過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。

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)字電路通過過采樣法實(shí)現(xiàn)，功耗較低，但精度有限；

• 還有一種無參考時(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)鐘傳輸中無法判斷時(shí)鐘信號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演變過來的，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稱，即主到從或者從到主所用時(shí)間一致?；谝陨?，我們可以很輕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。理論上來說，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通過時(shí)戳單元（TSU）來標(biāo)記主從時(shí)鐘時(shí)間戳，TSU同時(shí)監(jiān)測輸入輸出數(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來實(shí)現(xiàn)相位對齊及時(shí)間同步。

Microchip解決方案
Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu介紹：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應(yīng)關(guān)系的振蕩電路(VCO)，頻率是輸入信號電壓的函數(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。