保持Crystal Oscillator自適應(yīng)漂移補(bǔ)償?shù)姆椒?/h1>

來源：金洛鑫 瀏覽：- 發(fā)布日期：2019-06-22 10:13:08【大 中 小】

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在使用Crystal Oscillator過程中,部分由溫度變化所引起的半導(dǎo)體器件參數(shù)的變化是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的主要原因,因此也稱零點(diǎn)漂移為溫度漂移,一般我們簡(jiǎn)稱溫漂.發(fā)生這種情況必須要馬上處理,因?yàn)闀?huì)影響石英晶體振蕩器使用性能,產(chǎn)品也會(huì)不穩(wěn)定.為了解決這個(gè)比較嚴(yán)重的問題,幾十年來國(guó)內(nèi)外眾多晶體制造商,都在研究方法,讓Crystal Oscillator保持自適應(yīng)漂移補(bǔ)償,是其中一種,也是應(yīng)用比較廣泛的方法之一.

移動(dòng)寬帶和電信網(wǎng)絡(luò)依賴于稱為Stratum時(shí)鐘的高度穩(wěn)定和精確的定時(shí)源,以滿足表1中所示的嚴(yán)格的相位和同步要求.在典型的網(wǎng)絡(luò)部署中,有一個(gè)主要參考時(shí)鐘源(PRS)可追溯到Stratum-1或Cesium原子鐘.典型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定時(shí)時(shí)鐘源:Stratum-3或-3E源自更精確的上游Stratum-2時(shí)鐘.每個(gè)Stratum級(jí)別的時(shí)鐘必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率穩(wěn)定性和20年以上的長(zhǎng)期老化-Stratum-2級(jí)時(shí)鐘比下游衍生的Stratum-3或3E時(shí)鐘具有更高的頻率穩(wěn)定性和精度.Stratum-n精度和保持規(guī)格詳細(xì)信息將在章節(jié)中介紹.

表1:LT+/5G網(wǎng)絡(luò)中的頻率和相位要求

*Network=Fronthaul/Backhaul,Air=從天線到UE(RF)的空中接口

每個(gè)衍生的Stratum-N時(shí)鐘,N=3,3E使用局部恒溫晶振(OCXO)作為備用時(shí)鐘源,以便在上行Stratum-1或-2時(shí)鐘丟失更高精度.通常,主時(shí)鐘參考(PCR)的丟失持續(xù)時(shí)間在30分鐘至24小時(shí)的范圍內(nèi).Stratum-3/3E時(shí)鐘的這種狀態(tài)稱為’保持’模式.

圖-1:時(shí)鐘的概念框圖,顯示振蕩器如何在保持中起作用.

由于OCXO必須在主時(shí)鐘丟失的情況下維持或’保持’定時(shí)同步,因此至關(guān)重要的是OCXO表現(xiàn)出與上游Startum-2時(shí)鐘一樣好的定時(shí)特性,直到恢復(fù)攜帶PCR的鏈路為止.當(dāng)OXCO’保持’最后的同步或合成頻率時(shí),Stratum時(shí)鐘的狀態(tài)稱為’保持’狀態(tài).

1.1網(wǎng)絡(luò)中的定時(shí)參考源

無線網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的所有同步分布式時(shí)鐘都可追溯到可追溯到Stratum-1時(shí)鐘的PRTC(主參考定時(shí)時(shí)鐘)或PRC(主參考時(shí)鐘).各種Stratum級(jí)時(shí)鐘及其關(guān)系如下圖3所示.

圖3:電信網(wǎng)絡(luò)中的同步層次結(jié)構(gòu)

第0層:基于銫基于原子鐘的參考時(shí)鐘源,用于中繼UTC(協(xié)調(diào)世界時(shí))并且具有很少或沒有延遲,被稱為第0層設(shè)備.Stratum-0服務(wù)器不能在網(wǎng)絡(luò)上使用;相反,它們直接連接到計(jì)算機(jī),然后計(jì)算機(jī)作為主時(shí)間服務(wù)器運(yùn)行.

第1層:網(wǎng)絡(luò)中最準(zhǔn)確的時(shí)鐘源;晶振頻率精度:±0.01ppb至UTC.也稱為核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中使用的主參考時(shí)鐘(PRC).PRC鎖定到GPS/GNSS接收器時(shí)鐘,該時(shí)鐘可追溯到Stratum-0原子鐘.

第2層:接收來自PRC的同步信號(hào),良好的保持能力;頻率精度:±16ppb.也稱為建筑集成定時(shí)源(BITS),用于中央辦公室.

第3層:使用線路定時(shí)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)從BITS接收同步信號(hào);保持能力;頻率精度:±4.6ppm.也稱為網(wǎng)元從時(shí)鐘(NES),用于移動(dòng)交換中心.基于頻率穩(wěn)定性有兩種變體:Stratum-3,頻率穩(wěn)定性為±300ppb;Stratum-3E,頻率穩(wěn)定性為±10ppb.

1.2保持類型和貢獻(xiàn)因素

保持石英振蕩器的特點(diǎn)是兩個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù):

1.頻率保持-‘保持’期間的最大頻率偏差.頻率偏差是從進(jìn)入’保持’狀態(tài)之前的平均頻率開始測(cè)量的.

2.時(shí)間保持-參考同步參考的時(shí)間誤差(TE)累積.保持性能受3個(gè)因素的影響:

1.環(huán)境溫度變化

2.艾倫方差

3.老化

根據(jù)NIST特刊1065[3],可以根據(jù)以下等式預(yù)測(cè)由于上述影響因素的綜合影響而導(dǎo)致的時(shí)間誤差:

由環(huán)境溫度變化引起的頻率漂移的程度是驅(qū)動(dòng)頻率與振蕩器的溫度斜率.鑒于精密OCXO的ppt級(jí)別DF/DT值和保持期間溫度的微小變化(+/-1°C),由于溫度變化引起的頻率漂移貢獻(xiàn)對(duì)整體保持性能有良好的影響,可以忽略不計(jì).

Allan方差(AVAR)表征了恒定環(huán)境條件下器件的短期頻率穩(wěn)定性.AVAR是一種統(tǒng)計(jì)指標(biāo),用于量化OCXO固有的低頻噪聲過程.此保持因子是一個(gè)隨機(jī)實(shí)體,難以彌補(bǔ),超出了本文的范圍.老化是保持振蕩器在恒定環(huán)境條件下的長(zhǎng)期頻率漂移,并且直接受OCXO結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的影響.本白皮書討論了通過自適應(yīng)地補(bǔ)償保持振蕩器的長(zhǎng)期漂移來擴(kuò)展現(xiàn)成的低成本TCXO晶振或OCXO晶振的保持性能的技術(shù).

2.OCXO的老化概況

為了自適應(yīng)地補(bǔ)償每日漂移,必須了解在不同操作條件下每日漂移曲線如何隨時(shí)間變化有幾個(gè)因素會(huì)影響老化曲線:

1.焊料回流偏移-這種效果是短期的,通常需要24到48小時(shí)才能使包裝減壓

2.工作溫度影響-在較低溫度下每日漂移更好

3.存儲(chǔ)影響-該配置文件與Oscillator保存或非工作(未通電)的溫度以及存儲(chǔ)在何處的溫度直接相關(guān).

4.回退影響-取決于Crystal Oscillator的上電時(shí)間以及振蕩器保持?jǐn)嚯姷某掷m(xù)時(shí)間,每個(gè)電源開/關(guān)周期都會(huì)顯示不同的曲線.

OCXO的典型老化曲線顯示為在85℃的恒定環(huán)境溫度下30天內(nèi)的分?jǐn)?shù)頻率偏差圖,如下面的圖4所示.該圖顯示了偏移消除標(biāo)稱值后的頻率偏差.此外,在器件上電一小時(shí)后測(cè)量頻率,以消除焊料移位相關(guān)的偽影.

圖-4:老化曲線顯示了領(lǐng)先的精密OCXO的頻率偏差與時(shí)間的關(guān)系.上電一小時(shí)后測(cè)量的頻率.

隨著振蕩器老化或保持運(yùn)行超過幾個(gè)小時(shí),輪廓呈現(xiàn)出線性的每日漂移趨勢(shì).此外,根據(jù)情節(jié),每日漂移從開機(jī)后2小時(shí)減慢到5小時(shí).我們將使用這種老化輪廓特征來應(yīng)用我們?cè)谙乱还?jié)中描述的自適應(yīng)補(bǔ)償方法.

3自適應(yīng)補(bǔ)償方法

自適應(yīng)補(bǔ)償頻率漂移的基本前提是雙重的:

1.使用系統(tǒng)定時(shí)參考進(jìn)行連續(xù)和精確的頻率測(cè)量,該參考比OCXO有源晶振更精確.在系統(tǒng)進(jìn)入保持狀態(tài)之前,這些定時(shí)參考可以來自GPS/GNSS接收器或通過SyncE鏈路的PTP時(shí)間戳.

2.將Crystal Oscillator每日漂移建模為線性趨勢(shì),使得在時(shí)鐘進(jìn)入保持狀態(tài)之后僅可以自適應(yīng)地預(yù)測(cè)斜率.這種線性模型假設(shè)是基于操作幾天后的事實(shí),大多數(shù)OCXO表現(xiàn)出線性日常漂移曲線,如圖-4所示.

圖-5:老化圖顯示自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用預(yù)測(cè)從上電開始約5小時(shí)的保持期間的每日速率.自適應(yīng)補(bǔ)償OCXO的方法歸結(jié)為以下步驟:

1.基于連續(xù)和精確的測(cè)量,確定參考標(biāo)稱頻率的每日ppb/天的老化速率.

2.以秒為單位生成時(shí)間向量,分辨率與步驟1中獲取的頻率數(shù)據(jù)對(duì)齊.

3.在保持期間,預(yù)測(cè)OCXO石英晶振由于每日老化引起的頻率變化,將步驟1中的老化率乘以步驟2中的時(shí)間向量中的步驟.

實(shí)現(xiàn)上述過程的數(shù)學(xué)說明在圖6中所示的圖中示出.

圖-6:使用每日漂移的線性模型進(jìn)行老化補(bǔ)償?shù)膱D示.

由于下一代無線網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)格的時(shí)間和頻率同步要求,因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘設(shè)計(jì)人員應(yīng)用自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)來預(yù)測(cè)保持狀態(tài)期間的頻率變化,以消除或減少老化對(duì)時(shí)間誤差的影響,這一點(diǎn)至關(guān)重要.這里介紹的自適應(yīng)補(bǔ)償神話是基于系統(tǒng)中精確時(shí)鐘參考的可用性,用于進(jìn)行精確的分?jǐn)?shù)頻率偏差測(cè)量,以及OCXO的日常老化曲線的線性模型,OCXO晶振已經(jīng)老化了至少幾個(gè)小時(shí).系統(tǒng)進(jìn)入保持模式之前.

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