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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://tqlwapf.cn 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呼叫.在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)流量會(huì)消耗大量網(wǎng)絡(luò)帶寬.盡管語(yǔ)音通信現(xiàn)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(yùn)行和可靠性.當(dāng)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(duì)于這些網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)吞吐量以支持新興應(yīng)用(如自動(dòng)駕駛,遠(yuǎn)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(jié)點(diǎn)中的石英晶體振蕩器在系統(tǒng)的整體同步性能中起著至關(guān)重要的作用.對(duì)于使用同步以太網(wǎng)的頻率同步系統(tǒng),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(tǒng),或兩者的結(jié)合,都是如此.在5G網(wǎng)絡(luò)中,嚴(yán)格的時(shí)間調(diào)整要求在整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要.取決于MIMO,載波聚合和發(fā)射機(jī)分集,基站天線的對(duì)準(zhǔn)要求可能非常嚴(yán)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(jié)點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),路由器)所允許的增加的定時(shí)誤差量可以低至每個(gè)節(jié)點(diǎn)5ns.
　　在這樣的同步系統(tǒng)中,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(xiàn)方式,PLL環(huán)路帶寬通常設(shè)置在1mHz至0.1Hz的范圍內(nèi).許多因素都會(huì)影響時(shí)間誤差性能.本地振蕩器的穩(wěn)定性是導(dǎo)致節(jié)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(shù),PLL環(huán)路帶寬)和輸入信號(hào)中的漂移量也是影響因素.
　　使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際時(shí)間誤差分析是一個(gè)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的過(guò)程,需要執(zhí)行數(shù)周至數(shù)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(wěn)定性產(chǎn)生多少漂移,前提是基準(zhǔn)輸入理想且無(wú)漂移.該工具可以在各種不同的系統(tǒng)參數(shù)和溫度曲線下快速仿真時(shí)間誤差.
　　SiTime時(shí)間錯(cuò)誤模擬器軟件需要振蕩器的以下三個(gè)基本性能數(shù)據(jù)區(qū)域(在組件級(jí)別上測(cè)量):
　　1.振蕩器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)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(shì))-模擬振蕩器的漂移貢獻(xiàn).
　　3.一日頻率老化-模擬振蕩器的老化貢獻(xiàn).
　　可以在實(shí)驗(yàn)室中獲得不超過(guò)一天的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù).或者,它可以由振蕩器供應(yīng)商提供.根據(jù)用戶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(cè)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(duì)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(tǒng)鎖定狀態(tài)的仿真.圖1展示了仿真模型圖.
 
圖1:PTP系統(tǒng)節(jié)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(duì)本地振蕩器的頻率變化有很多貢獻(xiàn)的因素:可變溫度效應(yīng),振蕩器漂移效應(yīng)和每日老化效應(yīng).對(duì)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(wěn)定的影響.本地振蕩器的頻率隨時(shí)間變化趨勢(shì)用于根據(jù)理想時(shí)鐘計(jì)算頻率誤差.對(duì)該頻率誤差進(jìn)行積分以計(jì)算時(shí)間誤差.然后,將本地振蕩器對(duì)PLL輸出的貢獻(xiàn)模型應(yīng)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(duì)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(gòu)參數(shù)由用戶定義.
　　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(jì)SyncEeEEC性能.但是,時(shí)鐘帶寬將有所不同.在電信應(yīng)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(duì)單個(gè)T-BC或T-BC鏈的性能的影響.該模型假設(shè)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)點(diǎn)的PTP和SyncE輸入是來(lái)自先前節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)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(shì)測(cè)量可從理想時(shí)鐘計(jì)算出頻率誤差.對(duì)該頻率誤差進(jìn)行積分以計(jì)算時(shí)間誤差.然后,將本地振蕩器對(duì)T-BC輸出的貢獻(xiàn)模型應(yīng)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(jí)聯(lián)的PLL-SyncEPLL和PTPPLL(見(jiàn)圖4).SyncEPLL的輸出是對(duì)PTP PLL的參考.
 
圖4:SyncE-PTPPLL級(jí)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(shù)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(shù)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(duì)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(xiàn)(SyncE輸出)的高通傳遞函數(shù)和關(guān)于PTP輸入貢獻(xiàn)的低通傳遞函數(shù).
3.本地振蕩器頻率變化的仿真
　　各種因素對(duì)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(xiàn),以解決現(xiàn)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(xiàn).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(xiàn)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(shì)相加在一起,以計(jì)算總體頻率變化.然后,將其積分以計(jì)算時(shí)間誤差.使用代表系統(tǒng)對(duì)本地振蕩器不穩(wěn)定性的響應(yīng)的高通濾波器對(duì)Timeerror進(jìn)行過(guò)濾.
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