解讀5G通信時鐘同步技術

作者：Wofle Yu

前言

隨著大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，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，所有進程或模塊都從系統(tǒng)唯一的全局時鐘中獲取時間，系統(tǒng)內任何兩個事件都有著明確的先后關系。

在分布式系統(tǒng)中，系統(tǒng)無法為彼此間相互獨立的模塊提供一個統(tǒng)一的全局時鐘。由于這些本地時鐘的計時速率、運行環(huán)境不一致，因此，在一段時間后，這些本地時鐘也會出現(xiàn)不一致。為了讓這些本地時鐘再次達到相同的時間值，必須進行時間同步操作。

技術型授權代理商Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu，就5G通信時鐘同步的相關知識進行了解讀。

時鐘同步技術

系統(tǒng)中各時鐘的同步，需要對比各時鐘與系統(tǒng)標準時鐘的差值，以及對相對漂移做修正處理。比如，在GPS導航系統(tǒng)用戶設備中，我們一般通過調整1PPS信號前沿出現(xiàn)時刻，來做時鐘同步。還有一種就是通過以太網(wǎng)的時鐘恢復技術來做時鐘同步，這個技術稱為同步以太技術，或者SyncE。當然，還有其他一些技術，比如通過無線電波來傳播時間信息，不過這些傳輸方式只能實現(xiàn)同頻傳輸。

為了達到更高精度要求，有人提出了一種PTP的傳輸方式。后來，隨著5G技術的不斷提高，又提出采用SyncE+PTP相結合的方式。

GPS時鐘同步

GPS同步三維坐標理論

GPS系統(tǒng)，利用工作衛(wèi)星確定接收機三維坐標，得到接收機的時鐘偏差，來進行授時。理論上來說，只要接收到4顆或者4顆以上工作衛(wèi)星，通過空間三維坐標公式，就可以準確地對其進行定位和授時，其坐標理論如下圖，具體推導過程不贅述。

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)的核心技術是利用10MHz的OCXO同時接入一個分頻器和一個倍頻器，分別產(chǎn)生1pps和160MHz的信號，利用鎖相環(huán)，實時校正OCXO的輸出頻率。

為了便于直觀分析，我們重構系統(tǒng)，GPS接收機產(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，實現(xiàn)同步。

同步的本質，就是通過鎖相環(huán)來調整頻率和相位，數(shù)字鎖相環(huán)DPLL對數(shù)字電路噪聲容忍能力強、捕獲時間快、易于集成、可以提供復雜的處理算法。

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)生對應相位誤差序列，經(jīng)過環(huán)路濾波，產(chǎn)生相位控制字，調節(jié)相位，同時，頻率控制字調整頻率輸出。

目前，大多數(shù)鎖相環(huán)采用一種基于DDS+PLL的結構，通過分別計算頻率控制字和相位控制字做調整，來實現(xiàn)快速鎖定相位和頻率。

SyncE時鐘同步

SyncE（同步以太網(wǎng)）架構

同步以太網(wǎng)技術，是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復時鐘頻率的技術，簡稱SyncE，在以太網(wǎng)源端使用高精度時鐘，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恢復并提取該時鐘頻率，保持高精度時鐘性能，SyncE技術框圖如下：

CDR（時鐘數(shù)據(jù)恢復）基本原理

以太網(wǎng)PHY層傳輸NRZ碼流，在傳輸側，對碼流重新編碼成4B/5B、8B/10B、64B/66B碼，通過CDR（時鐘數(shù)據(jù)恢復）可以完成時鐘和數(shù)據(jù)恢復。

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調整相位和恢復時鐘關系，恢復數(shù)據(jù)信號。

CDR電路主要分為：

雙環(huán)結構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正交時鐘，鎖相環(huán)將正交時鐘的相位調整為最佳采樣相位；

全數(shù)字化CDR、此電路采用全數(shù)字電路通過過采樣法實現(xiàn)，功耗較低，但精度有限；

還有一種無參考時鐘CDR、此電路不需要提供片外參考時鐘，應用靈活，但工作頻率范圍較小。

SyncE在時鐘同步中，表現(xiàn)出了非常出色的頻率跟蹤作用，但是SyncE在時鐘傳輸中無法判斷時鐘信號在線路上的傳輸延時。

精確時間協(xié)議PTP（Precision time protocol）演進

網(wǎng)絡時間同步協(xié)議NTP（Network time protocol）理論

PTP是由NTP演變過來的，我們先談談NTP網(wǎng)絡協(xié)議，從時鐘向主時鐘發(fā)送一個消息包，記錄發(fā)出消息包的從時間戳T1，主時鐘收到消息包立即記錄主時間戳T2，同時，主時鐘向從時鐘返回一個帶主時鐘時間戳T3的消息包，從時鐘收到返回消息包后，立刻記錄下從時鐘的時間戳T4。

同時，我們假定雙向路徑對稱，即主到從或者從到主所用時間一致?；谝陨希覀兛梢院茌p松得出雙向路徑的傳送時間。

缺點：純軟件計算時間，需要組織報文傳輸，需要多次校準，報文傳輸存在不對稱，延時等可能，所以精度不高。

精確時間協(xié)議PTP（Precision time protocol）理論

IEEE 1588 PTP協(xié)議是在NTP協(xié)議基礎上做了一些優(yōu)化，在硬件上要求每個網(wǎng)絡節(jié)點必須有一個包含實時時鐘的網(wǎng)絡接口卡來滿足時間戳要求。

IEEE 1588網(wǎng)絡時鐘主要分成普通時鐘OC（Ordinary clock）、邊界時鐘BC（Boundary clock），只有一個PTP通信端口的時鐘是普通時鐘，有多個PTP通信端口的時鐘是邊界時鐘，每個PTP端口獨立通信。理論上來說，我們首先確定一個最優(yōu)的時鐘作為該網(wǎng)主時鐘。PTP通過時戳單元（TSU）來標記主從時鐘時間戳，TSU同時監(jiān)測輸入輸出數(shù)據(jù)流，當識別到IEEE 1588 PTP數(shù)據(jù)包的前導碼時發(fā)布一個時間戳，用于精確標記PTP時間數(shù)據(jù)包的到達或者離開時間。

PTP協(xié)議基于純軟件同步數(shù)據(jù)包傳輸，PTP通信報文主要分為：同步報文Sync，跟隨報文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），延遲請求報文Delay_Req，延遲應答報文Delay_Resp和管理報文。

IEEE 1588 PTP協(xié)議時間偏差修正：

主時鐘向從時鐘發(fā)送Sync報文，并記錄發(fā)送時間tm1，同時啟動定時器，從時鐘收到該報文后，記錄接收時間ts1；

主時鐘接著發(fā)送攜帶tm1的Follow_up報文；

通過以上兩條信息，計算偏移時間Offset；

間隔時間主時鐘向從時鐘發(fā)送第二條Sync報文，并記錄發(fā)送時間tm2，從時鐘收到該報文后，記錄接收時間ts2；

主時鐘接著發(fā)送攜帶tm2的Follow_up報文；

通過以上偏移時間Offset，修正ts時間。

基于以上步奏，修正ts時間與tm時間一致。

IEEE 1588 PTP協(xié)議延遲計算：

主時鐘向從時鐘發(fā)送Sync報文，并記錄發(fā)送時間t1，從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t2；

主時鐘接著發(fā)送攜帶t1的Follow_up報文；

從時鐘向主時鐘發(fā)送Delay_req報文，用于發(fā)起反向傳輸延時的計算，并記錄發(fā)送時間t3，主時鐘收到該報文后，記錄接收時間t4；

主時鐘收到Delay_req報文之后，回復一個攜帶有t4的Delay_resp報文。

基于以上4個時間戳，由此可以計算出各時間延遲。

SyncE+PTP理論

IEEE 1588 PTP同步最基本的應用前提就是必須建立在上下行鏈路時鐘頻率嚴格一致的基礎上，如果上下行鏈路時鐘不一直，那么時間同步的精度就會大打折扣。

利用SyncE，從設備通過以太網(wǎng)獲取主時鐘頻率，恢復出精準的時鐘頻率，協(xié)助PTP來實現(xiàn)相位對齊及時間同步。

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

多達5路獨立通道DPLL；

3路NCO、分離XO、備用時鐘模式混合通道DPLL；

多通道Frac_N輸出分頻器；

每個通道支持任何頻率轉換；

多達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成，通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構成的差動串聯(lián)放大器，來實現(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3GHz，溫度穩(wěn)定性可達0.15ppb，老化率可達20ppb。

VCXO

壓控振蕩器指輸出頻率與輸入控制電壓有對應關系的振蕩電路(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，就可構成一個壓控振蕩器。

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。

關于世健——亞太區(qū)領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠商包括原設備生產(chǎn)商(OEM)、原設計生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務提供商(EMS)提供優(yōu)質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。世健與供應商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當中。集團分別在新加坡、中國及越南設有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設計可應用于工業(yè)、無線通信及消費電子等領域。世健是新加坡的主板上市公司，總部設于新加坡，擁有約650名員工，業(yè)務范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū)，遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。世健集團在2020年的年營業(yè)額超過11億美元。1993年，世健在香港設立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司，正式開始發(fā)展中國業(yè)務。目前，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊、頂尖的現(xiàn)場應用支持以及豐富的市場經(jīng)驗，世健在中國業(yè)內享有領先地位。

審核編輯：湯梓紅