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SiTime開(kāi)發(fā)的新軟件可模擬振蕩器時(shí)間誤差仿真

來(lái)源:http://konuaer.com 作者:康華爾電子 2020年05月25
SiTime開(kāi)發(fā)的新軟件可模擬振蕩器時(shí)間誤差仿真
  自電信行業(yè)問(wèn)世以來(lái),網(wǎng)絡(luò )同步已成為語(yǔ)音通信的重要因素.早期,采用了頻率同步以確保高質(zhì)量和高度可靠的電話(huà)呼叫.在當今的網(wǎng)絡(luò )中,數據流量會(huì )消耗大量網(wǎng)絡(luò )帶寬.盡管語(yǔ)音通信現在僅占網(wǎng)絡(luò )帶寬的一小部分,但仍需要頻率和時(shí)間/相位同步來(lái)確保網(wǎng)絡(luò )運行和可靠性.當網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始使用時(shí)分雙工(TDD)時(shí),時(shí)間同步變得非常重要.隨著(zhù)即將推出的5G,非常緊密的時(shí)間/相位同步以及頻率同步對于這些網(wǎng)絡(luò )提高數據吞吐量以支持新興應用(如自動(dòng)駕駛,遠程手術(shù)和更精確的地理位置)的需求至關(guān)重要.
  位于網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的石英晶體振蕩器在系統的整體同步性能中起著(zhù)至關(guān)重要的作用.對于使用同步以太網(wǎng)的頻率同步系統,使用IEEE1588中描述的精確時(shí)間協(xié)議(PTP)的時(shí)間/相位/頻率同步系統,或兩者的結合,都是如此.在5G網(wǎng)絡(luò )中,嚴格的時(shí)間調整要求在整個(gè)系統中至關(guān)重要.取決于MIMO,載波聚合和發(fā)射機分集,基站天線(xiàn)的對準要求可能非常嚴格,低至65納秒(ns).此外,回程網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò )交換機,路由器)所允許的增加的定時(shí)誤差量可以低至每個(gè)節點(diǎn)5ns.
  在這樣的同步系統中,每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上都有一個(gè)本地振蕩器,它提供了時(shí)鐘到同步的鎖相環(huán)(PLL).取決于實(shí)現方式,PLL環(huán)路帶寬通常設置在1mHz至0.1Hz的范圍內.許多因素都會(huì )影響時(shí)間誤差性能.本地振蕩器的穩定性是導致節點(diǎn)中產(chǎn)生時(shí)間誤差的主要因素.PLL濾波功能(PLL環(huán)路階數,PLL環(huán)路帶寬)和輸入信號中的漂移量也是影響因素.
  使用實(shí)時(shí)數據進(jìn)行實(shí)際時(shí)間誤差分析是一個(gè)復雜而漫長(cháng)的過(guò)程,需要執行數周至數月的時(shí)間.為了幫助緩解這些問(wèn)題,SITIME晶振開(kāi)發(fā)了Time Error Simulator軟件,該軟件可模擬本地振蕩器的不穩定性產(chǎn)生多少漂移,前提是基準輸入理想且無(wú)漂移.該工具可以在各種不同的系統參數和溫度曲線(xiàn)下快速仿真時(shí)間誤差.
  SiTime時(shí)間錯誤模擬器軟件需要振蕩器的以下三個(gè)基本性能數據區域(在組件級別上測量):
  1.振蕩器在整個(gè)溫度范圍內的頻率-模擬溫度變化的影響.
  2.振蕩器的頻率隨時(shí)間變化的行為(至少1小時(shí)的頻率趨勢)-模擬振蕩器的漂移貢獻.
  3.一日頻率老化-模擬振蕩器的老化貢獻.
  可以在實(shí)驗室中獲得不超過(guò)一天的數據采集數據.或者,它可以由振蕩器供應商提供.根據用戶(hù)PC的性能,24小時(shí)的頻率老化可能僅需半小時(shí)的仿真時(shí)間,這比進(jìn)行實(shí)時(shí)測量要快得多.
1.僅PTP仿真模型
  “僅PT”仿真模式可仿真本地振蕩器頻率變化對不具有物理層頻率支持的單個(gè)電信時(shí)鐘(如T-BC)的性能的影響.在這種情況下,該模型是單個(gè)PLL模型.Time Error Simulator軟件支持系統鎖定狀態(tài)的仿真.圖1展示了仿真模型圖.
 
圖1:PTP系統節點(diǎn)仿真模型
  PLL模型的輸入是本地振蕩器隨時(shí)間變化的頻率特性.可以選擇對本地振蕩器的頻率變化有很多貢獻的因素:可變溫度效應,振蕩器漂移效應和每日老化效應.對于鎖定狀態(tài)仿真,假定PTP輸入為理想輸入,因此時(shí)間誤差為0.此方法用于仿真本地振蕩器不穩定的影響.本地振蕩器的頻率隨時(shí)間變化趨勢用于根據理想時(shí)鐘計算頻率誤差.對該頻率誤差進(jìn)行積分以計算時(shí)間誤差.然后,將本地振蕩器對PLL輸出的貢獻模型應用于時(shí)間誤差,以模擬PLL輸出的最終時(shí)間誤差.本地振蕩器對PLL輸出的影響的簡(jiǎn)化模型是具有截止頻率的高通濾波器,該截止頻率與環(huán)路濾波器帶寬相同.濾波器帶寬和訂購參數由用戶(hù)定義.
  由于該軟件生成通用的PLL仿真,因此僅PTP仿真模式也可以用于估計SyncEeEEC性能.但是,時(shí)鐘帶寬將有所不同.在電信應用中,PTP帶寬通常在幾兆赫茲到20兆赫茲之間,而SyncE帶寬在0.1赫茲到10赫茲之間.
2.混合(PTP+SyncE)仿真模型
  混合(PTP+SyncE)仿真模式可模擬本地振蕩器對單個(gè)T-BC或T-BC鏈的性能的影響.該模型假設混合T-BC,其中通過(guò)SyncE提供物理層頻率支持.該軟件實(shí)現了鎖定有源晶振狀態(tài)仿真.圖2顯示了G.8273.2中定義的T-BC模型.圖3顯示了在軟件中實(shí)現的T-BC的仿真模型.
 
圖2:G.8273.2中定義的T-BC模型
 
圖3:軟件中實(shí)現的T-BC仿真模型
  本地振蕩器隨時(shí)間變化的頻率特性與T-BC模型的僅PTP仿真輸入相同.假定PTPgrandmaster和SyncE主要參考時(shí)鐘都是理想的.在鏈仿真中,到該節點(diǎn)的PTP和SyncE輸入是來(lái)自先前節點(diǎn)的相應輸出.假定鏈中所有T-BC的本地振蕩器行為都相同.
  使用本地振蕩器的隨時(shí)間變化的頻率趨勢測量可從理想時(shí)鐘計算出頻率誤差.對該頻率誤差進(jìn)行積分以計算時(shí)間誤差.然后,將本地振蕩器對T-BC輸出的貢獻模型應用于時(shí)間誤差,以模擬由此產(chǎn)生的T-BC輸出的時(shí)間誤差.T-BC被模擬為兩個(gè)級聯(lián)的PLL-SyncEPLL和PTPPLL(見(jiàn)圖4).SyncEPLL的輸出是對PTP PLL的參考.
 
圖4:SyncE-PTPPLL級聯(lián)
  如圖3所示,SiTime可編程振蕩器時(shí)間誤差到SyncE輸出的傳遞函數由帶寬等于SyncE帶寬的高通濾波器近似.SyncE輸入時(shí)間誤差到SyncE輸出時(shí)間誤差的傳遞函數由具有相同帶寬的低通濾波器近似.
  SyncE可以看作是T-BCPTP模塊的本地振蕩器.為了對PTPPLL建模,在SyncEPLL的情況下使用了相同的概念:關(guān)于本地振蕩器貢獻(SyncE輸出)的高通傳遞函數和關(guān)于PTP輸入貢獻的低通傳遞函數.
3.本地振蕩器頻率變化的仿真
  各種因素對本地振蕩器時(shí)間誤差的影響可以通過(guò)Time Error Simulator軟件進(jìn)行模擬.這些因素是:
  1.溫度變化
  2.振蕩器的漂移
  3.每日老化
  在典型情況下,將模擬所有這些因素的最終貢獻,以解決現實(shí)生活中的情況.但是,也可以分別模擬每個(gè)因素的貢獻.圖5顯示了上述每個(gè)不同因素的仿真模型.
 
圖5:振蕩器時(shí)間誤差貢獻因素的仿真模型
  將代表每個(gè)影響因素的隨時(shí)間變化的頻率趨勢相加在一起,以計算總體頻率變化.然后,將其積分以計算時(shí)間誤差.使用代表系統對本地振蕩器不穩定性的響應的高通濾波器對Timeerror進(jìn)行過(guò)濾.
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