擁抱大數(shù)據(jù)時代解讀5G通信時鐘同步技術(shù)

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(nèi)任何兩個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(shù)型授權(quán)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(guān)知識進行了解讀。

時鐘同步技術(shù)

系統(tǒng)中各時鐘的同步，需要對比各時鐘與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時鐘的差值，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)時刻，來做時鐘同步。還有一種就是通過以太網(wǎng)的時鐘恢復(fù)技術(shù)來做時鐘同步，這個技術(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(shù)的不斷提高，又提出采用SyncE+PTP相結(jié)合的方式。

GPS時鐘同步

GPS同步三維坐標(biāo)理論

GPS系統(tǒng)，利用工作衛(wèi)星確定接收機三維坐標(biāo)，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(biāo)公式，就可以準(zhǔn)確地對其進行定位和授時，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(gòu)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(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、捕獲時間快、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，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)，通過分別計算頻率控制字和相位控制字做調(diào)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(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)時鐘頻率的技術(shù)，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(fù)并提取該時鐘頻率，保持高精度時鐘性能，SyncE技術(shù)框圖如下：

CDR（時鐘數(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（時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）可以完成時鐘和數(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正交時鐘，鎖相環(huán)將正交時鐘的相位調(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(yīng)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(luò)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?wù)凬TP網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)，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(chǔ)上做了一些優(yōu)化，在硬件上要求每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須有一個包含實時時鐘的網(wǎng)絡(luò)接口卡來滿足時間戳要求。

IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)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(biāo)記主從時鐘時間戳，TSU同時監(jiān)測輸入輸出數(shù)據(jù)流，當(dāng)識別到IEEE 1588 PTP數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)碼時發(fā)布一個時間戳，用于精確標(biāo)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(yīng)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(fù)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(yīng)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(chǔ)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(shè)備通過以太網(wǎng)獲取主時鐘頻率，恢復(fù)出精準(zhǔn)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(zhuǎn)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(gòu)成，通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構(gòu)成的差動串聯(lián)放大器，來實現(xiàn)溫度控制。