射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課件 第6章 射頻通信時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計(jì)馬文建等編著機(jī)械工業(yè)出版社第6章射頻通信時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)第6章射頻通信時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解時(shí)鐘同步的概念、技術(shù)原理(包括GNSS同步、SyncE同步、PTP同步和空口同步)以及相關(guān)應(yīng)用挑戰(zhàn)。理解時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲的指標(biāo)定義，掌握兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。熟悉各類時(shí)鐘接口(包括LVDS、LVPECL和CML)，能對(duì)各接口之間的對(duì)接進(jìn)行匹配。掌握時(shí)鐘架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，能根據(jù)特定需求對(duì)發(fā)射EVM、接收倒異混頻、轉(zhuǎn)換器參考時(shí)鐘、SerDes參考時(shí)鐘和時(shí)鐘電源進(jìn)行預(yù)算和分析。知識(shí)框架6.1時(shí)鐘同步6.1.1指標(biāo)定義6.1.2需求分析6.1.3技術(shù)原理6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)6.2時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲6.2.1指標(biāo)定義6.2.2關(guān)系轉(zhuǎn)換6.3時(shí)鐘接口6.3.1LVDS6.3.2LVPECL6.3.3CML6.3.4接口對(duì)比6.3.5匹配方法6.4時(shí)鐘設(shè)計(jì)6.4.1時(shí)鐘架構(gòu)6.4.2需求分析6.4.3設(shè)計(jì)分解6.1時(shí)鐘同步同步是所有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正常工作的基礎(chǔ)，收發(fā)設(shè)備之間只有達(dá)到了一定的時(shí)鐘同步關(guān)系，才能將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確采樣和恢復(fù)。以移動(dòng)通信TDD雙工模式為例，時(shí)間是用來(lái)區(qū)分上下行的，各基站設(shè)備之間需要保持嚴(yán)格的“步調(diào)”一致。如下圖所示，如果相鄰基站沒(méi)有采用相同的時(shí)間基準(zhǔn)，一個(gè)正在下行發(fā)射，另一個(gè)卻在上行接收，則發(fā)射基站的信號(hào)會(huì)進(jìn)入接收基站，產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)?；鹃g不同步產(chǎn)生的互干擾6.1時(shí)鐘同步時(shí)鐘同步包括頻率同步和時(shí)間(相位)同步兩個(gè)方面。其中，頻率同步是通過(guò)頻率比對(duì)將分布在不同地方的頻率源的頻率值調(diào)整到一定的準(zhǔn)確度或一定的符合度，即信號(hào)間的變化頻率相同，相位差保持恒定；相位同步通過(guò)時(shí)刻比對(duì)將分布在不同地方的鐘時(shí)刻值調(diào)整到一定的準(zhǔn)確度或一定的符合度，即要求信號(hào)間的時(shí)鐘有效沿(上升沿或下降沿)同步。CLKB和CLKC頻率同步，相位差恒定。而CLKA和CLKB雖然頻率不同步，但CLKA的時(shí)鐘上升沿始終與CLKB的時(shí)鐘上升沿對(duì)齊，即兩個(gè)時(shí)鐘相位同步。6.1.1指標(biāo)定義頻率同步和相位同步示意頻率同步的指標(biāo)一般使用頻率穩(wěn)定度來(lái)衡量，其單位是。它表示在一個(gè)特定中心頻率下，允許偏差的值，該值越小則同步精度越高。時(shí)間同步指標(biāo)是一個(gè)絕對(duì)值，即時(shí)間的絕對(duì)偏差，一般以ns和μs為單位6.1時(shí)鐘同步不同通信業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)鐘同步的要求不同。以移動(dòng)通信基站為例，總的來(lái)看，使用FDD雙工模式的技術(shù)，比如2G中的GSM、3G中的WCDMA、4G中的WiMaxFDD和LTEFDD都只需要頻率同步，精度為±0.05ppm；而使用TDD雙工模式的技術(shù)，比如3G中的TD-SCDMA、4G中的LTETDD等，則需要更為嚴(yán)格的相位同步，精度一般為±1.5us。CDMA2000則屬于一個(gè)特例，其雖然采用FDD雙工模式，但其長(zhǎng)短碼都是m序列，不用的m序列需要通過(guò)相位來(lái)區(qū)分，因此需要嚴(yán)格的相位同步。6.1.2需求分析不同制式基站對(duì)時(shí)鐘同步的要求6.1時(shí)鐘同步對(duì)于5GNR來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘同步指標(biāo)相對(duì)比較復(fù)雜，其基本業(yè)務(wù)的同步指標(biāo)需求與4GLTE幾乎相同，但對(duì)于一些站間協(xié)同增強(qiáng)技術(shù)，使同一用戶的通信數(shù)據(jù)可以通過(guò)不同的基站收發(fā)，在重疊覆蓋區(qū)域合并多個(gè)信號(hào)，從而有效提升業(yè)務(wù)帶寬。MIMO和發(fā)射分集技術(shù)的時(shí)間偏差要求為65ns，對(duì)于帶內(nèi)連續(xù)載波聚合(CA)，Sub6G低頻基站時(shí)間偏差要求為260ns，Above6G高頻基站時(shí)間偏差要求為130ns。不同基站之間的信號(hào)時(shí)差必須保持更為嚴(yán)格的同步精度，否則無(wú)法合并。6.1.2需求分析5G網(wǎng)絡(luò)不同類型的協(xié)同增強(qiáng)技術(shù)對(duì)時(shí)鐘同步需求除了基站同步需求，5G網(wǎng)絡(luò)支撐的多種垂直行業(yè)可能需要更高精度的同步要求。從目前階段的研究中，可以看到高精度定位業(yè)務(wù)、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造等應(yīng)用對(duì)于時(shí)間同步的需求將達(dá)到10ns量級(jí)。6.1時(shí)鐘同步當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的同步技術(shù)包括GNSS同步、SyncE同步、PTP同步和空口同步。6.1.3技術(shù)原理GNSS同步(1)同步原理每顆GNSS衛(wèi)星上均配備有原子鐘，從而使得發(fā)送的衛(wèi)星信號(hào)中包含有精確的時(shí)間信息。通過(guò)專用星卡或GNSS授時(shí)模組對(duì)這些信號(hào)加以解碼，即可快速將設(shè)備與衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。4顆衛(wèi)星到達(dá)地面基站的距離可表示為GNSS定位和授時(shí)原理示意6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理GNSS同步(1)同步原理根據(jù)上述對(duì)GNSS時(shí)鐘同步原理的介紹，可以看出，其同步精度主要受以下幾方面的限制：各衛(wèi)星上原子鐘的頻率準(zhǔn)確度、漂移率和穩(wěn)定度等指標(biāo)。相比GPS、Glonass和Galileo，BDS還需要在綜合性能方面做進(jìn)一步研究和提升。地面接收設(shè)備對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的解算能力。當(dāng)前生產(chǎn)GNSS授時(shí)模組的廠商主要包括U-blox、高通、聯(lián)發(fā)科、和芯星通、北斗星通等。國(guó)內(nèi)尚處于起步發(fā)展階段，需要加大研究力度，奮力追趕超越。地面接收設(shè)備的所處環(huán)境，包括天氣、遮擋等。惡劣環(huán)境導(dǎo)致的衰減、多徑等影響因素會(huì)降低接收信噪比，增大方程的解算誤差。因此，在GNSS天線布放時(shí)，盡可能放在無(wú)遮擋的環(huán)境下，增加接收到的衛(wèi)星數(shù)，提高解算精度。6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理GNSS同步(1)同步原理GNSS接收機(jī)通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的變頻解調(diào)等信號(hào)處理，在本地恢復(fù)出原始時(shí)間，輸出1PPS(秒脈沖)信號(hào)和串口報(bào)文信息。輸出1PPS信號(hào)的上升沿為時(shí)間同步點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)ns級(jí)同步精度。GNSS同步1PPS和串行數(shù)據(jù)時(shí)序6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理GNSS同步(2)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)GNSS接收機(jī)產(chǎn)生的1PPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)頻信號(hào)與本地OCXO時(shí)鐘鎖相環(huán)分頻產(chǎn)生的1PPS信號(hào)進(jìn)行鑒頻鑒相，得到兩個(gè)1PPS信號(hào)的相位偏移量，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。同時(shí)根據(jù)鑒頻鑒相結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波、PID調(diào)整等數(shù)據(jù)處理，調(diào)整OCXO壓控電壓實(shí)現(xiàn)頻率同步。典型GNSS同步校正原理典型GNSS模組接收電路6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理SyncE同步同步以太網(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)。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(guò)CDR恢復(fù)并提取該時(shí)鐘頻率，保持高精度時(shí)鐘性能。在進(jìn)行時(shí)鐘同步時(shí)，系統(tǒng)會(huì)首先選擇最優(yōu)時(shí)鐘，假設(shè)外接時(shí)鐘源1比外接時(shí)鐘源2更可靠，當(dāng)選為最優(yōu)時(shí)鐘，則Device1和Device2均同步外接時(shí)鐘源1的頻率。SyncE時(shí)鐘同步原理示意6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理SyncE同步時(shí)鐘恢復(fù)電路一般采用數(shù)字PLL的方式實(shí)現(xiàn)。輸入的“時(shí)鐘+數(shù)據(jù)”數(shù)字信號(hào)和PLL的VCO進(jìn)行鑒相比較，閉環(huán)調(diào)整VCO的輸出時(shí)鐘頻率，使其與輸入數(shù)字信號(hào)的變化頻率一致，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。另外，鎖定后的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣判別，恢復(fù)出同步數(shù)據(jù)。SyncE同步只支持頻率信號(hào)的傳送，即支持頻率同步，不支持時(shí)間同步，所以單純的SyncE同步方案只適用于不需要時(shí)間同步要求的場(chǎng)景。CDR時(shí)鐘恢復(fù)原理示意6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理PTP同步PTP(精確時(shí)間協(xié)議)是一種用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間高精度頻率同步和相位同步的時(shí)鐘(時(shí)間)同步協(xié)議，時(shí)間同步精度為亞微秒級(jí)，可滿足廣電網(wǎng)絡(luò)、城市軌道交通、無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)景的高精度時(shí)間同步要求。IEEE1588是PTP的基礎(chǔ)協(xié)議，其規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中用于高精度時(shí)鐘同步的原理和報(bào)文交互處理規(guī)范，最初應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化，現(xiàn)在主要用于橋接局域網(wǎng)。因此，PTP也稱為IEEE1588，簡(jiǎn)稱1588。當(dāng)前1588分為1588v1和1588v2兩個(gè)版本，1588v1只能達(dá)到亞毫秒級(jí)的時(shí)間同步精度，而1588v2可達(dá)到亞微秒級(jí)的時(shí)間同步精度，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)相位同步和頻率同步。6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理PTP同步1588通過(guò)協(xié)議報(bào)文的應(yīng)答實(shí)現(xiàn)主從時(shí)間同步。通過(guò)記錄主從設(shè)備之間時(shí)間報(bào)文交換時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間戳，計(jì)算出主從設(shè)備之間平均路徑延遲和時(shí)間偏差，實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的時(shí)間同步。具體操作步驟如下：主設(shè)備在時(shí)刻t1發(fā)送Sync報(bào)文。如果主設(shè)備為one-step模式，t1隨Sync報(bào)文傳送給從設(shè)備；如果主設(shè)備為two-step模式，則t1在隨后的Follow_up報(bào)文中傳送給從設(shè)備；從設(shè)備在時(shí)刻t2接收到Sync報(bào)文，并從Sync報(bào)文(單步)或Follow_up(雙步)報(bào)文中獲取t1；從設(shè)備在時(shí)刻t3發(fā)送Delay_Req報(bào)文給主設(shè)備；主設(shè)備在時(shí)刻t4接收到Delay_Req報(bào)文；主設(shè)備隨后通過(guò)Delay_Resp報(bào)文將t4反饋給從設(shè)備。6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理PTP同步從設(shè)備計(jì)算出時(shí)間偏差Offset后即可修正本地時(shí)間，使其和主設(shè)備時(shí)間同步。頻率同步方法相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)計(jì)算不同Sync消息的發(fā)送時(shí)間間隔和接收時(shí)間間隔，得到主從時(shí)間的頻率調(diào)整因子，修正從時(shí)鐘的頻率，實(shí)現(xiàn)頻率同步。1588主從設(shè)備平均路徑延時(shí)原理6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理空口同步空口同步屬于無(wú)線通信特有的同步方式，比如終端與基站之間沒(méi)有專用的物理連接，終端在接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前需要先完成空口同步過(guò)程，獲取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間和頻率信息，確定基站發(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)幀的幀頭位置、OFDM符號(hào)的起始位置和載波頻偏，完成對(duì)頻偏的補(bǔ)償，保證終端的網(wǎng)絡(luò)接入。以5GNR為例，其同步過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：搜索主同步信號(hào)(PSS)：在時(shí)域?qū)SS信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)檢測(cè)，完成時(shí)域粗同步。搜索輔同步信號(hào)(SSS)：根據(jù)PSS位置可以獲取SSS位置，由于SSS在第1個(gè)Symbol時(shí)間內(nèi)，且SSB頻域范圍內(nèi)只有PSS信號(hào)，而SSS在的第3個(gè)Symbol時(shí)間內(nèi)還有PBCH信號(hào)，因此無(wú)法對(duì)SSS信號(hào)進(jìn)行時(shí)域互相關(guān)檢測(cè)，只能在頻域?qū)崿F(xiàn)互相關(guān)檢測(cè)，完成頻域粗同步。6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理空口同步空口同步屬于無(wú)線通信特有的同步方式，比如終端與基站之間沒(méi)有專用的物理連接，終端在接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前需要先完成空口同步過(guò)程，獲取無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間和頻率信息，確定基站發(fā)送的無(wú)線數(shù)據(jù)幀的幀頭位置、OFDM符號(hào)的起始位置和載波頻偏，完成對(duì)頻偏的補(bǔ)償，保證終端的網(wǎng)絡(luò)接入。以5GNR為例，其同步過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：搜索主同步信號(hào)(PSS)：在時(shí)域?qū)SS信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)檢測(cè)，完成時(shí)域粗同步。搜索輔同步信號(hào)(SSS)：根據(jù)PSS位置可以獲取SSS位置，由于SSS在第1個(gè)Symbol時(shí)間內(nèi)，且SSB頻域范圍內(nèi)只有PSS信號(hào)，而SSS在的第3個(gè)Symbol時(shí)間內(nèi)還有PBCH信號(hào)，因此無(wú)法對(duì)SSS信號(hào)進(jìn)行時(shí)域互相關(guān)檢測(cè)，只能在頻域?qū)崿F(xiàn)互相關(guān)檢測(cè)，完成頻域粗同步。6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理空口同步接收解調(diào)參考信號(hào)(DM-RS)：終端利用DM-RS進(jìn)行信道估計(jì)，解碼物理廣播信道(PBCH)，獲取物理信道相關(guān)特征，主要包括系統(tǒng)幀號(hào)、半幀信息等信息。鎖定跟蹤參考信號(hào)(TRS):5GNR引入了可以根據(jù)需要配置和觸發(fā)的TRS實(shí)現(xiàn)時(shí)頻精同步。時(shí)頻精同步需要終端持續(xù)地進(jìn)行跟蹤和測(cè)量同步信息，因此TRS以周期性傳輸為主，在部分特殊場(chǎng)景的配合下可使用非周期TRS。3GPPR16版本協(xié)議可把同步時(shí)間分辨率由原來(lái)的250ns提升至10ns，并結(jié)合同步算法的優(yōu)化，達(dá)到小于1us的時(shí)鐘同步性能?？偟膩?lái)說(shuō)，采用空口同步，無(wú)需布線，即可完成通信和授時(shí)的合一功能，具有應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)勢(shì)。6.1時(shí)鐘同步6.1.3技術(shù)原理技術(shù)對(duì)比總的來(lái)看，GNSS同步的精度最高，但部署成本、天線安裝等限制了其只能在部分室外場(chǎng)景中使用；SyncE和PTP同步應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單，但SyncE不支持時(shí)間同步，而PTP下的頻率同步性能較差，因此通常將兩種方式融合使用，以達(dá)到時(shí)間/頻率同步的最佳性能；空口同步是無(wú)線通信最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的同步方式，但其同步幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，且同步精度較差。6.1時(shí)鐘同步6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)于時(shí)間同步的精度和可靠性均提出新的要求，時(shí)間同步技術(shù)可以滿足5G無(wú)線業(yè)務(wù)基本的±1.5μs精度要求，但100ns甚至10ns量級(jí)的同步需求則需要新的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)支撐。從時(shí)間同步網(wǎng)通用模型來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步需要從同步源到末端進(jìn)行端到端的提升優(yōu)化，采用多種技術(shù)手段共同提升同步精度、同步網(wǎng)快速部署和智能管理能力，其中的主要關(guān)鍵技術(shù)有高精度同步源技術(shù)、高精度同步傳送技術(shù)、高精度同步監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能時(shí)鐘運(yùn)維技術(shù)等。6.1時(shí)鐘同步6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)高精度同步源技術(shù)高精度同步源的實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)密不可分。為提升同步源精度，當(dāng)前研究的技術(shù)主要有衛(wèi)星雙頻技術(shù)和衛(wèi)星共視技術(shù)。衛(wèi)星雙頻技術(shù)在眾多衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)中，衛(wèi)星單頻授時(shí)應(yīng)用最為廣泛，但由于受到大氣環(huán)境多方面因素影響，授時(shí)精度有限，一般無(wú)法實(shí)現(xiàn)100ns量級(jí)以內(nèi)的高精度同步需求。相對(duì)于單頻接收機(jī)而言，雙頻接收機(jī)可同時(shí)接收單個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的2個(gè)頻點(diǎn)載波信號(hào)(如GPS的L1、L2或BDS的B1、B2)，由于不同頻率的信號(hào)通過(guò)相同介質(zhì)的折射率不同，通過(guò)相關(guān)算法可以有效消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲誤差，提升衛(wèi)星授時(shí)精度至優(yōu)于30ns量級(jí)。6.1時(shí)鐘同步6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)高精度同步源技術(shù)衛(wèi)星共視技術(shù)衛(wèi)星共視是利用導(dǎo)航衛(wèi)星距離地球較遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，將其作為比對(duì)的中間媒介，在地面需要時(shí)間比對(duì)的2個(gè)地方分別安裝接收設(shè)備，同時(shí)觀測(cè)同一顆衛(wèi)星，通過(guò)交換數(shù)據(jù)抵消中間源及其共有誤差的影響，實(shí)現(xiàn)高精度比對(duì)，其時(shí)間比對(duì)不確定度可優(yōu)于10ns。衛(wèi)星共視技術(shù)相對(duì)較成熟，需主從站配合使用，并配置數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具有無(wú)法獨(dú)立部署應(yīng)用的缺點(diǎn)。6.1時(shí)鐘同步6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)高精度同步傳輸技術(shù)高精度同步傳輸用于組織定時(shí)鏈路，是5G高精度時(shí)間同步組網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前1588技術(shù)已經(jīng)在4G承載網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了規(guī)模應(yīng)用部署，支持1588的傳輸設(shè)備在單跳時(shí)間下的同步精度為±30ns，在遠(yuǎn)距離多跳節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，同步精度顯然無(wú)法滿足5G網(wǎng)絡(luò)不同類型的協(xié)同增強(qiáng)技術(shù)對(duì)時(shí)鐘同步的需求。考慮到現(xiàn)有IEEE1588v2已經(jīng)規(guī)模部署，在現(xiàn)有配置基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)精度的提升，更有利于5G高精度時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的快速部署。為提升單節(jié)點(diǎn)精度，需從以下幾方面對(duì)1588進(jìn)行優(yōu)化：打戳位置盡量靠近物理接口，減少模塊內(nèi)部的半靜態(tài)和動(dòng)態(tài)延時(shí)誤差。提升打戳?xí)r鐘的頻率，或者采用其他方法提升打戳分辨率。提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)同步精度，保證系統(tǒng)內(nèi)部RTC之間的同步對(duì)齊。選取優(yōu)質(zhì)晶振，提升本地時(shí)鐘的穩(wěn)定度。對(duì)于采用提升單節(jié)點(diǎn)精度也無(wú)法滿足超高同步需求的情況，可考慮同步源下沉的方案，通過(guò)減少跳數(shù)來(lái)提高同步精度。6.1時(shí)鐘同步6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)PTP+SyncE同步技術(shù)收發(fā)鏈路時(shí)鐘頻率的一致性是PTP同步精度的基本保證，如果收發(fā)鏈路時(shí)鐘頻率存在較大差異，時(shí)間同步的精度將大打折扣?；诖?，利用SyncE同步技術(shù)，從設(shè)備通過(guò)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，實(shí)現(xiàn)頻率同步。同時(shí)，軟件解析1588報(bào)文，并利用SyncE恢復(fù)出的精準(zhǔn)時(shí)鐘頻率獲取時(shí)間戳信息，與1PPS拉齊1588相位，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。“SyncE頻率同步＋PTP時(shí)間同步”綜合同步方案的優(yōu)勢(shì)在于：更高精度通過(guò)SyncE實(shí)現(xiàn)頻率同步，精度比PTP頻率同步精度更高；PTP利用SyncE恢復(fù)出的精準(zhǔn)時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，同步精度可穩(wěn)定在ns級(jí)別。更高可靠性SyncE和PTP都具有頻率同步能力，設(shè)備優(yōu)先使用SyncE進(jìn)行頻率同步，如果Sync時(shí)鐘源故障或者鏈路故障，導(dǎo)致頻率同步信號(hào)丟失，設(shè)備會(huì)啟用PTP頻率同步。另外，SyncE和PTP可以共用時(shí)鐘源，也可以分別使用獨(dú)立的時(shí)鐘源。當(dāng)PTP功能故障導(dǎo)致PTP時(shí)間信號(hào)丟失時(shí)，SyncE仍能工作，各設(shè)備仍能保持頻率同步，且在PTP丟失前，SyncE的1PPS相位已經(jīng)和PTP拉齊，各設(shè)備間的時(shí)間偏差仍能控制在可接受的范圍內(nèi)。6.1時(shí)鐘同步6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)PTP+SyncE同步技術(shù)下圖為PTP+SyncE同步方案示例，通過(guò)TI公司的LMK05028低抖動(dòng)雙通道網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。LMK05028內(nèi)部有兩個(gè)鎖相環(huán)：一個(gè)用于SyncE，一個(gè)用于PTP。FPGA或CPU處理器管理IEEE1588協(xié)議棧、打時(shí)間戳、時(shí)序邏輯、伺服控制環(huán)路和抗混疊濾波器。時(shí)間戳模塊可以從以太網(wǎng)接口上的PTP數(shù)據(jù)恢復(fù)PTP時(shí)鐘，或通過(guò)LMK05028鎖定來(lái)自外部GNSS同步的1PPS輸入。6.2時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲時(shí)鐘抖動(dòng)和相位噪聲是衡量時(shí)鐘綜合性能的最主要的指標(biāo)。理想的時(shí)鐘電路提供絕對(duì)穩(wěn)定周期的時(shí)鐘信號(hào)，但實(shí)際電路往往會(huì)有一定的相位噪聲和抖動(dòng)。相位噪聲和抖動(dòng)分別表征信號(hào)質(zhì)量的頻域和時(shí)域參數(shù)。嚴(yán)重的相位噪聲和抖動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)建立和保持時(shí)間不夠，串行信號(hào)接收端誤碼率高，以及系統(tǒng)不穩(wěn)定等現(xiàn)象發(fā)生。6.2時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲6.2.1指標(biāo)定義相位噪聲表現(xiàn)為在頻域上振蕩頻率譜線的左右出現(xiàn)連續(xù)的“裙邊”效應(yīng)，通常定義為在某一給定偏移中心頻率處的dBc/Hz值。如果沒(méi)有相位噪聲，信號(hào)的整個(gè)功率都應(yīng)集中在頻率f=fo處。相位噪聲將信號(hào)的一部分功率擴(kuò)展到相鄰頻率上，產(chǎn)生邊帶。一個(gè)信號(hào)在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)總功率的比值。抖動(dòng)表現(xiàn)為時(shí)域上信號(hào)周期長(zhǎng)度發(fā)生的一定變化，導(dǎo)致信號(hào)的上升或下降沿的不確定性。任何非期望的時(shí)間變化都被看作是噪聲，而噪聲則是產(chǎn)生時(shí)鐘抖動(dòng)的根源。6.2時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲6.2.1指標(biāo)定義抖動(dòng)一般分為隨機(jī)抖動(dòng)和固有抖動(dòng)。隨機(jī)抖動(dòng)隨機(jī)抖動(dòng)來(lái)源于隨機(jī)噪聲，比如：熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲等。隨機(jī)抖動(dòng)具有明顯的不確定性，可使用高斯分布特性進(jìn)行描述，其與電子器件的半導(dǎo)體特性、生產(chǎn)工藝等相關(guān)。隨機(jī)抖動(dòng)機(jī)理固有抖動(dòng)固有抖動(dòng)不是高斯分布，不能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。固有抖動(dòng)通常是有邊際的，是由可識(shí)別的干擾信號(hào)造成的，是可重復(fù)可預(yù)測(cè)的。信號(hào)的反射、串?dāng)_、開(kāi)關(guān)噪聲、電源干擾、EMI等都會(huì)產(chǎn)生固有抖動(dòng)。6.2時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲6.2.2關(guān)系轉(zhuǎn)換下面以一個(gè)典型的正弦信號(hào)為例說(shuō)明時(shí)鐘相位噪聲和抖動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：設(shè)時(shí)鐘信號(hào)

表明信號(hào)時(shí)域抖動(dòng)與頻域相位噪聲有著近似對(duì)應(yīng)關(guān)系6.2時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲6.2.2關(guān)系轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換為N以dB為單位的相位均方抖動(dòng)

在實(shí)際換算過(guò)程中，首先測(cè)試信號(hào)的相位噪聲，對(duì)所需帶寬內(nèi)的噪聲進(jìn)行積分運(yùn)算，求出總噪聲功率。6.2時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲6.2.2關(guān)系轉(zhuǎn)換偏移100Hz~100MHz區(qū)域的總噪聲功率為將總噪聲功率轉(zhuǎn)換為相位抖動(dòng)相位噪聲功率譜最后得到時(shí)間抖動(dòng)舉例：6.3時(shí)鐘接口工程應(yīng)用中比較常見(jiàn)的數(shù)字時(shí)鐘電平類型，單端的一般是LVCMOS，差分的比如LVDS、LVPECL、CML。時(shí)鐘發(fā)送端和接收端都有各自的電平接口類型，它們有可能不相同也可能相同，需要合適的輸入/輸出匹配才能保證時(shí)鐘接口的性能6.3時(shí)鐘接口6.3.1LVDSLVDS(低電壓差分信號(hào))是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體于1994年提出的一種信號(hào)傳輸模式的電平標(biāo)準(zhǔn)，其采用極低的電壓擺幅高速差動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接。連接到NMOS晶體管漏極的電流源用于控制輸出電流，輸出電流通常為3.5mA，為接收器的典型100Ω終端電阻上提供350mV的擺幅。LVDS典型輸入級(jí)由一個(gè)使用NMOS晶體管的差分對(duì)組成，輸入端(IN+和IN-)需要一個(gè)100Ω的端接電阻，共模電壓約為1.2V。如果芯片內(nèi)部不包含此100Ω端接電阻，則需要在盡可能靠近芯片輸入端引腳處外置此電阻。LVDS接口典型電路結(jié)構(gòu)LVDS速率最高可到3.125Gbps，對(duì)PCB布線要求較高，差分線要求嚴(yán)格等長(zhǎng)。另外，100Ω端接電阻離接收端口盡量控制在300mil以內(nèi)。6.3時(shí)鐘接口6.3.2LVPECLLVPECL(低壓正發(fā)射極耦合邏輯)，差分輸出的發(fā)射極通過(guò)電流源接地，集電極驅(qū)動(dòng)一對(duì)射極跟隨器，為OUT+和OUT-提供電流驅(qū)動(dòng)。50Ω電阻一端接輸出，一端接(VDD-2V)。在射極跟隨輸出的電平為(VCC-1.3V)，則50Ω電阻兩端壓差為0.7V，產(chǎn)生14mA的電流。LVPECL輸入端一般通過(guò)電阻被拉到(VDD-1.3V)，在VDD為3.3V情況下提供2V的共模電壓。如果芯片內(nèi)部不包含此上拉電阻，則需要在盡可能靠近芯片輸入端引腳處外置此電阻。LVPECL接口典型電路結(jié)構(gòu)LVPECL接口的輸入阻抗高、輸出阻抗低(典型值為4~5Ω)，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，多用于背板傳輸和長(zhǎng)距離傳輸。LVPECL傳輸速度快，很容易達(dá)到幾百M(fèi)的應(yīng)用，最高可到10Gbps以上。6.3時(shí)鐘接口6.3.3CMLCML(電流模式邏輯)電路主要靠電流驅(qū)動(dòng)。CML輸出端由開(kāi)漏差分對(duì)和NMOS壓控電流源組成，輸出需端接上拉電阻，用于有效驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。壓控電流源用于改變驅(qū)動(dòng)后級(jí)的能量，即改變輸出擺幅。CML輸入端一般由電壓跟隨器和NMOS差分對(duì)組成，電壓跟隨器起到隔離和增加驅(qū)動(dòng)能力的作用，上拉的50Ω電阻是為了保證與前級(jí)輸出電路形成阻抗匹配。直流耦合交流耦合CML接口典型電路結(jié)構(gòu)6.3時(shí)鐘接口6.3.4接口對(duì)比對(duì)LVDS、LVPECL和CML三種接口進(jìn)行對(duì)比：驅(qū)動(dòng)模式三者都輸入電流驅(qū)動(dòng)，適用于高速應(yīng)用。耦合方式三種電平都支持直接耦合或AC耦合。功率消耗

LVDS擺幅只有350mV，其功耗最?。籆ML與LVPECL擺幅較大，基于結(jié)構(gòu)上的差異CML略低于LVPECL。工作速率CML與LVPECL內(nèi)部三極管或MOS管工作在非飽和狀態(tài)，邏輯翻轉(zhuǎn)快支持極高速率，LVDS無(wú)法支持極高速率。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范只有LVDS電平在國(guó)際上有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法保證中頻時(shí)鐘接口的合理匹配是保證時(shí)鐘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。時(shí)鐘接口輸入/輸出典型參數(shù)常用時(shí)鐘接口輸入/輸出典型特性6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——LVDS到LVDS的連接6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——LVDS到LVPECL的連接6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——LVPECL到LVDS的連接6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——LVPECL到LVPECL的連接6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——LVPECL到CML的連接6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——CML到LVDS的連接6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——CML到LVPECL的連接6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——CML到CML的連接6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——交流耦合電容的選擇當(dāng)時(shí)鐘接口之間連接采用交流耦合時(shí)，耦合電容會(huì)與負(fù)載一起構(gòu)成高通濾波結(jié)構(gòu)，非歸零的連0或連1序列出現(xiàn)時(shí)，電容會(huì)造成接收輸入端電壓下降，并產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)偏移等問(wèn)題交流耦合造成過(guò)零點(diǎn)偏移為防止連0和連1序列造成負(fù)載電壓由較大下降，可以把耦合電容與負(fù)載組成的高通網(wǎng)絡(luò)的3dB截止頻率適當(dāng)降低。下面主要從時(shí)序?qū)Υ诉M(jìn)行分析，首先，一階高通RC濾波的時(shí)域響應(yīng)為

6.3時(shí)鐘接口6.3.5匹配方法——交流耦合電容的選擇

采用100nF的耦合電容一般可適配大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景6.4時(shí)鐘設(shè)計(jì)6.4.1時(shí)鐘架構(gòu)時(shí)鐘處理在RRU設(shè)備中主要完成與BBU提供的時(shí)鐘建立同步，并為數(shù)字處理模塊、射頻收發(fā)模塊和中頻轉(zhuǎn)換模塊等提供工作時(shí)鐘，保證整個(gè)中射頻系統(tǒng)滿足相關(guān)無(wú)線指標(biāo)。整個(gè)時(shí)鐘處理模塊包括系統(tǒng)時(shí)鐘和同步時(shí)鐘兩大部分：系統(tǒng)時(shí)鐘不需要同步，設(shè)備上電即工作；同步時(shí)鐘需要同步，根據(jù)設(shè)定的同步源進(jìn)行工作。系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘源一般來(lái)自普通晶體振蕩器XO，對(duì)其穩(wěn)定度要求不高，經(jīng)過(guò)時(shí)鐘Buffer或(和)PLL為ASIC、FPGA等數(shù)字部分提供工作時(shí)鐘。同步時(shí)鐘的時(shí)鐘源根據(jù)系統(tǒng)同步要求，可采用前面介紹的GNSS同步、SyncE同步、PTP同步和空口同步等方式。同步時(shí)鐘中頻PLL根據(jù)選定的參考時(shí)鐘產(chǎn)生所需的時(shí)鐘頻率，為保證在較寬輸出頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超低的抖動(dòng)性能。經(jīng)過(guò)中頻PLL產(chǎn)生的同步時(shí)鐘分別送給數(shù)字中頻部分的ASIC和FPGA，以及模擬射頻部分的RXPLL、TXPLL、FBPLL、RXADC、TXADC和FBADC。如果射頻前端采用集成的RFIC，則送給模擬射頻部分的時(shí)鐘條數(shù)可簡(jiǎn)化至RFIC的個(gè)數(shù)。6.4時(shí)鐘設(shè)計(jì)6.4.1時(shí)鐘架構(gòu)6.4時(shí)鐘設(shè)計(jì)6.4.2需求分析時(shí)鐘設(shè)計(jì)需求主要來(lái)自CPRI硬鎖、OCXO軟鎖和相位噪聲三方面。CPRI硬鎖需求結(jié)合CPRI協(xié)議和SerDesCDR芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，一般要求時(shí)鐘的初始頻偏在一定范圍內(nèi)，比如TI公司的SerDes多速率收發(fā)器TLK10002要求參考時(shí)鐘初始頻偏在±200ppm范圍內(nèi)。對(duì)于兩級(jí)PLL方案，第一級(jí)采用外置VCXO作為本地時(shí)鐘域的基準(zhǔn)源，時(shí)鐘初始頻偏由VCXO的調(diào)諧范圍指標(biāo)決定，并且該調(diào)諧范圍指標(biāo)需要考慮晶振工作環(huán)境溫度、受負(fù)載波動(dòng)、老化和電源波動(dòng)等影響。各種CPRI數(shù)據(jù)速率的時(shí)鐘頻率6.4時(shí)鐘設(shè)計(jì)6.4.2需求分析時(shí)鐘設(shè)計(jì)需求主要來(lái)自CPRI硬鎖、OCXO軟鎖和相位噪聲三方面。OCXO軟鎖需求在軟鎖過(guò)程中，通過(guò)時(shí)鐘同步算法軟件調(diào)整OCXO壓控值實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，根據(jù)OCXO和VCXO的短期/長(zhǎng)期穩(wěn)定度數(shù)據(jù)，并結(jié)合卡爾曼濾波和PID調(diào)整算法，設(shè)計(jì)合適的鎖定控制周期和相關(guān)算法參數(shù)。典型GNSS同步校正原理6.4時(shí)鐘設(shè)計(jì)6.4.2需求分析時(shí)鐘設(shè)計(jì)需求主要來(lái)自CPRI硬鎖、OCXO軟鎖和相位噪聲三方面。相位噪聲需求根據(jù)發(fā)射通道對(duì)調(diào)制精度(EVM)分解到發(fā)射積分相噪的需求指標(biāo)，結(jié)合相位噪聲貢獻(xiàn)曲線，進(jìn)行各部分性能參數(shù)的需求梳理。對(duì)于CPRI硬鎖方案，由于CPRI恢復(fù)時(shí)鐘在環(huán)路帶寬內(nèi)的相噪會(huì)直接傳遞給后級(jí)時(shí)鐘輸出，因此需要根據(jù)發(fā)射通道對(duì)調(diào)制精度(EVM)分解到發(fā)射積分相噪的需求指標(biāo)，考慮CPRI鏈路多級(jí)級(jí)聯(lián)場(chǎng)景下的相噪惡化。對(duì)于OCXO軟鎖方案，根據(jù)整體相位噪聲需求，以及中頻PLL環(huán)路帶寬和鎖定控制周期等參數(shù)，為OCXO的相位噪聲、穩(wěn)定度等參數(shù)選型提供依據(jù)。另外，在中頻PLL設(shè)計(jì)中，需要考慮各種極限情況，比如環(huán)路濾波器阻容參數(shù)精度、電荷泵電流變化、VCXO調(diào)諧系數(shù)變化等影響，并進(jìn)行WCCA設(shè)計(jì)。6.4時(shí)鐘設(shè)計(jì)6.4.3設(shè)計(jì)分解CPRI硬鎖和OCXO軟鎖屬于時(shí)鐘方案架構(gòu)，最終的射頻指標(biāo)主要體現(xiàn)在相位噪聲上，下面根據(jù)系統(tǒng)相位噪聲的需求，分別對(duì)發(fā)射EVM、接收倒異混