前言

隨著大數據、雲(yun) 計算和物聯網時代的到來，通信係統從(cong) 集中式係統向分布式係統發展，在集中式係統中，所有進程或模塊都從(cong) 係統唯一的全局時鍾中獲取時間，係統內(nei) 任何兩(liang) 個(ge) 事件都有著明確的先後關(guan) 係。

在分布式係統中，係統無法為(wei) 彼此間相互獨立的模塊提供一個(ge) 統一的全局時鍾。由於(yu) 這些本地時鍾的計時速率、運行環境不一致，因此，在一段時間後，這些本地時鍾也會(hui) 出現不一致。為(wei) 了讓這些本地時鍾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通信時鍾同步的相關(guan) 知識進行了解讀。

時鍾同步技術

係統中各時鍾的同步，需要對比各時鍾與(yu) 係統標準時鍾的差值，以及對相對漂移做修正處理。比如，在GPS導航係統用戶設備中，我們(men) 一般通過調整1PPS信號前沿出現時刻，來做時鍾同步。還有一種就是通過以太網的時鍾恢複技術來做時鍾同步，這個(ge) 技術稱為(wei) 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(chuan) 播時間信息，不過這些傳(chuan) 輸方式隻能實現同頻傳(chuan) 輸。

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

GPS時鍾同步

GPS同步三維坐標理論

GPS係統，利用工作衛星確定接收機三維坐標，得到接收機的時鍾偏差，來進行授時。理論上來說，隻要接收到4顆或者4顆以上工作衛星，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(ti) 推導過程不贅述。

GPS高穩頻綜器係統原理

2004年，Nicholls和Carleton提出了著名的N/C係統，N/C係統的核心技術是利用10MHz的OCXO同時接入一個(ge) 分頻器和一個(ge) 倍頻器，分別產(chan) 生1pps和160MHz的信號，利用鎖相環，實時校正OCXO的輸出頻率。

為(wei) 了便於(yu) 直觀分析，我們(men) 重構係統，GPS接收機產(chan) 生1PPS輸出信號，和OCXO產(chan) 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，實現同步。

同步的本質，就是通過鎖相環來調整頻率和相位，數字鎖相環DPLL對數字電路噪聲容忍能力強、捕獲時間快、易於(yu) 集成、可以提供複雜的處理算法。

數字鎖相環主要包括鑒相器、數字環路濾波、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(chan) 生對應相位誤差序列，經過環路濾波，產(chan) 生相位控製字，調節相位，同時，頻率控製字調整頻率輸出。

目前，大多數鎖相環采用一種基於(yu) DDS+PLL的結構，通過分別計算頻率控製字和相位控製字做調整，來實現快速鎖定相位和頻率。

SyncE時鍾同步

SyncE（同步以太網）架構

同步以太網技術，是一種采用以太網鏈路碼流恢複時鍾頻率的技術，簡稱SyncE，在以太網源端使用高精度時鍾，利用現有的以太網物理層接口PHY發送數據，在接收端通過CDR恢複並提取該時鍾頻率，保持高精度時鍾性能，SyncE技術框圖如下：

CDR（時鍾數據恢複）基本原理

以太網PHY層傳(chuan) 輸NRZ碼流，在傳(chuan) 輸側(ce) ，對碼流重新編碼成4B/5B、8B/10B、64B/66B碼，通過CDR（時鍾數據恢複）可以完成時鍾和數據恢複。

CDR原理大致如下：鑒頻環Coarse Loop完成頻率捕獲，鑒相環Fine Loop調整相位和恢複時鍾關(guan) 係，恢複數據信號。

CDR電路主要分為(wei) ：

·雙環結構CDR、由鎖相環和延遲鎖相環組成，鎖相環提供所需頻率的低抖動正交時鍾，鎖相環將正交時鍾的相位調整為(wei) 最佳采樣相位；

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

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

SyncE在時鍾同步中，表現出了非常出色的頻率跟蹤作用，但是SyncE在時鍾傳(chuan) 輸中無法判斷時鍾信號在線路上的傳(chuan) 輸延時。

精確時間協議PTP（Precision time protocol）演進

網絡時間同步協議NTP（Network time protocol）理論

PTP是由NTP演變過來的，我們(men) 先談談NTP網絡協議，從(cong) 時鍾向主時鍾發送一個(ge) 消息包，記錄發出消息包的從(cong) 時間戳T1，主時鍾收到消息包立即記錄主時間戳T2，同時，主時鍾向從(cong) 時鍾返回一個(ge) 帶主時鍾時間戳T3的消息包，從(cong) 時鍾收到返回消息包後，立刻記錄下從(cong) 時鍾的時間戳T4。

同時，我們(men) 假定雙向路徑對稱，即主到從(cong) 或者從(cong) 到主所用時間一致。基於(yu) 以上，我們(men) 可以很輕鬆得出雙向路徑的傳(chuan) 送時間。

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

精確時間協議PTP（Precision time protocol）理論

IEEE1588PTP協議是在NTP協議基礎上做了一些優(you) 化，在硬件上要求每個(ge) 網絡節點必須有一個(ge) 包含實時時鍾的網絡接口卡來滿足時間戳要求。

IEEE1588網絡時鍾主要分成普通時鍾OC（Ordinary clock）、邊界時鍾BC（Boundary clock），隻有一個(ge) PTP通信端口的時鍾是普通時鍾，有多個(ge) PTP通信端口的時鍾是邊界時鍾，每個(ge) PTP端口獨立通信。理論上來說，我們(men) 首先確定一個(ge) 最優(you) 的時鍾作為(wei) 該網主時鍾。PTP通過時戳單元（TSU）來標記主從(cong) 時鍾時間戳，TSU同時監測輸入輸出數據流，當識別到IEEE1588PTP數據包的前導碼時發布一個(ge) 時間戳，用於(yu) 精確標記PTP時間數據包的到達或者離開時間。

PTP協議基於(yu) 純軟件同步數據包傳(chuan) 輸，PTP通信報文主要分為(wei) ：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協議時間偏差修正：

·主時鍾向從(cong) 時鍾發送Sync報文，並記錄發送時間tm1，同時啟動定時器，從(cong) 時鍾收到該報文後，記錄接收時間ts1；

·主時鍾接著發送攜帶tm1的Follow_up報文；

·通過以上兩(liang) 條信息，計算偏移時間Offset；

·間隔時間主時鍾向從(cong) 時鍾發送第二條Sync報文，並記錄發送時間tm2，從(cong) 時鍾收到該報文後，記錄接收時間ts2；

·主時鍾接著發送攜帶tm2的Follow_up報文；

·通過以上偏移時間Offset，修正ts時間。

基於(yu) 以上步奏，修正ts時間與(yu) tm時間一致。

IEEE 1588 PTP協議延遲計算：

·主時鍾向從(cong) 時鍾發送Sync報文，並記錄發送時間t1，從(cong) 時鍾收到該報文後，記錄接收時間t2；

·主時鍾接著發送攜帶t1的Follow_up報文；

·從(cong) 時鍾向主時鍾發送Delay_req報文，用於(yu) 發起反向傳(chuan) 輸延時的計算，並記錄發送時間t3，主時鍾收到該報文後，記錄接收時間t4；

·主時鍾收到Delay_req報文之後，回複一個(ge) 攜帶有t4的Delay_resp報文。

基於(yu) 以上4個(ge) 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鍾頻率嚴(yan) 格一致的基礎上，如果上下行鏈路時鍾不一直，那麽(me) 時間同步的精度就會(hui) 大打折扣。

利用SyncE，從(cong) 設備通過以太網獲取主時鍾頻率，恢複出精準的時鍾頻率，協助PTP來實現相位對齊及時間同步。

Microchip解決(jue) 方案

Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu介紹：世健代理的Microchip旗下擁有Zarlink、Maxim Timing&Sync BU、Micrel、Vectron、Vitesse、Actel等近60年曆史的完整時鍾方案提供商，可以給用戶提供交鑰匙方案。

SyncE&IEEE 1588

Microchip多種時間解決(jue) 方案，產(chan) 品涵蓋GPS、SyncE以及IEEE1588混合集中式係統以及精確時間係統，可以滿足高中低檔不同組合的產(chan) 品需求。

ZL30735主要特點

多達5路獨立通道DPLL；

3路NCO、分離XO、備用時鍾模式混合通道DPLL；

多通道Frac_N輸出分頻器；

每個(ge) 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-TG.8262,G.8262.1,G.813,G.812,Telcordia GR-1244,GR-253；

滿足ITU-TG.8261,G.8263,G.8273.2(classA,B,C,D),G.8273.4；

嵌入式PPS；

抖動性能小於(yu) 150fsrms。

OCXO

恒溫晶體(ti) 振蕩器簡稱恒溫晶振OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator），是利用恒溫槽使晶體(ti) 振蕩器中石英晶體(ti) 諧振器的溫度來保持恒定。OCXO是由恒溫槽控製電路和振蕩器電路構成，通常人們(men) 是利用熱敏電阻“電橋”構成的差動串聯放大器，來實現溫度控製。

Microchip推出多種OCXO可以供客戶選擇，輸出頻率最高可達3GHz，溫度穩定性可達0.15ppb，老化率可達20ppb。

VCXO

壓控振蕩器指輸出頻率與(yu) 輸入控製電壓有對應關(guan) 係的振蕩電路(VCO)，頻率是輸入信號電壓的函數的振蕩器VCO，振蕩器的工作狀態或振蕩回路的元件參數受輸入控製電壓的控製，就可構成一個(ge) 壓控振蕩器。

Microchip VCXO選型一覽：

此外，Excelpoint世健可以提供基於(yu) Microchip集成IEEE1588、SyncE的PHY芯片和IP協議包的全套交鑰匙完整方案，助力5G小基站DU、RU及HUB，縮短客戶開發周期。

關(guan) 於(yu) 世健——亞(ya) 太區領先的元器件授權代理商

世健是完整解決(jue) 方案的供應商，為(wei) 亞(ya) 洲電子廠商包括原設備生產(chan) 商(OEM)、原設計生產(chan) 商(ODM)和電子製造服務提供商(EMS)提供優(you) 質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。

世健與(yu) 供應商及電子廠商緊密協作，為(wei) 新的科技與(yu) 趨勢作出定位，並幫助客戶把這些最先進的科技揉合於(yu) 他們(men) 的產(chan) 品當中。集團分別在新加坡、中國及越南設有研發中心，專(zhuan) 業(ye) 的研發團隊不斷創造新的解決(jue) 方案，幫助客戶提高成本效益並縮短產(chan) 品上市時間。世健研發的完整解決(jue) 方案及參考設計可應用於(yu) 工業(ye) 、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，總部設於(yu) 新加坡，擁有約650名員工，業(ye) 務範圍已擴展至亞(ya) 太區40多個(ge) 城市和地區，遍及新加坡、馬來西亞(ya) 、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞(ya) 、菲律賓及澳大利亞(ya) 等十多個(ge) 國家。世健集團在2020年的年營業(ye) 額超過11億(yi) 美元。1993年，世健在香港設立區域總部——世健係統（香港）有限公司，正式開始發展中國業(ye) 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(zhuan) 業(ye) 的研發團隊、頂尖的現場應用支持以及豐(feng) 富的市場經驗，世健在中國業(ye) 內(nei) 享有領先地位。