保持Crystal Oscillator自適應漂移補償?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】

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

移動寬帶和電信網(wǎng)絡依賴于稱為Stratum時鐘的高度穩(wěn)定和精確的定時源,以滿足表1中所示的嚴格的相位和同步要求.在典型的網(wǎng)絡部署中,有一個主要參考時鐘源(PRS)可追溯到Stratum-1或Cesium原子鐘.典型的網(wǎng)絡節(jié)點定時時鐘源:Stratum-3或-3E源自更精確的上游Stratum-2時鐘.每個Stratum級別的時鐘必須滿足標準規(guī)定的頻率穩(wěn)定性和20年以上的長期老化-Stratum-2級時鐘比下游衍生的Stratum-3或3E時鐘具有更高的頻率穩(wěn)定性和精度.Stratum-n精度和保持規(guī)格詳細信息將在章節(jié)中介紹.

表1:LT+/5G網(wǎng)絡中的頻率和相位要求

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

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

圖-1:時鐘的概念框圖,顯示振蕩器如何在保持中起作用.

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

1.1網(wǎng)絡中的定時參考源

無線網(wǎng)絡中每個節(jié)點上的所有同步分布式時鐘都可追溯到可追溯到Stratum-1時鐘的PRTC(主參考定時時鐘)或PRC(主參考時鐘).各種Stratum級時鐘及其關系如下圖3所示.

圖3:電信網(wǎng)絡中的同步層次結構

第0層:基于銫基于原子鐘的參考時鐘源,用于中繼UTC(協(xié)調世界時)并且具有很少或沒有延遲,被稱為第0層設備.Stratum-0服務器不能在網(wǎng)絡上使用;相反,它們直接連接到計算機,然后計算機作為主時間服務器運行.

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

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

第3層:使用線路定時時鐘恢復技術從BITS接收同步信號;保持能力;頻率精度:±4.6ppm.也稱為網(wǎng)元從時鐘(NES),用于移動交換中心.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保持類型和貢獻因素

保持石英振蕩器的特點是兩個關鍵性能參數(shù):

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

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

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)以下等式預測由于上述影響因素的綜合影響而導致的時間誤差:

由環(huán)境溫度變化引起的頻率漂移的程度是驅動頻率與振蕩器的溫度斜率.鑒于精密OCXO的ppt級別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對整體保持性能有良好的影響,可以忽略不計.

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)計指標,用于量化OCXO固有的低頻噪聲過程.此保持因子是一個隨機實體,難以彌補,超出了本文的范圍.老化是保持振蕩器在恒定環(huán)境條件下的長期頻率漂移,并且直接受OCXO結構和結構的影響.本白皮書討論了通過自適應地補償保持振蕩器的長期漂移來擴展現(xiàn)成的低成本TCXO晶振或OCXO晶振的保持性能的技術.

2.OCXO的老化概況

為了自適應地補償每日漂移,必須了解在不同操作條件下每日漂移曲線如何隨時間變化有幾個因素會影響老化曲線:

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)的溫度以及存儲在何處的溫度直接相關.

4.回退影響-取決于Crystal Oscillator的上電時間以及振蕩器保持斷電的持續(xù)時間,每個電源開/關周期都會顯示不同的曲線.

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

圖-4:老化曲線顯示了領先的精密OCXO的頻率偏差與時間的關系.上電一小時后測量的頻率.

隨著振蕩器老化或保持運行超過幾個小時,輪廓呈現(xiàn)出線性的每日漂移趨勢.此外,根據(jù)情節(jié),每日漂移從開機后2小時減慢到5小時.我們將使用這種老化輪廓特征來應用我們在下一節(jié)中描述的自適應補償方法.

3自適應補償方法

自適應補償頻率漂移的基本前提是雙重的:

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

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

圖-5:老化圖顯示自適應補償?shù)膽妙A測從上電開始約5小時的保持期間的每日速率.自適應補償OCXO的方法歸結為以下步驟:

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

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

3.在保持期間,預測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中的時間向量中的步驟.

實現(xiàn)上述過程的數(shù)學說明在圖6中所示的圖中示出.

圖-6:使用每日漂移的線性模型進行老化補償?shù)膱D示.

由于下一代無線網(wǎng)絡具有嚴格的時間和頻率同步要求,因此網(wǎng)絡節(jié)點時鐘設計人員應用自適應補償技術來預測保持狀態(tài)期間的頻率變化,以消除或減少老化對時間誤差的影響,這一點至關重要.這里介紹的自適應補償神話是基于系統(tǒng)中精確時鐘參考的可用性,用于進行精確的分數(shù)頻率偏差測量,以及OCXO的日常老化曲線的線性模型,OCXO晶振已經(jīng)老化了至少幾個小時.系統(tǒng)進入保持模式之前.

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