在使用Crystal Oscillator过程中,部分由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因,因此也称零点漂移为温度漂移,一般我们简称温漂.发生这种情况必须要马上处理,因为会影响石英晶体振荡器使用性能,产品也会不稳定.为了解决这个比较严重的问题,几十年来国内外众多晶体制造商,都在研究方法,让Crystal Oscillator保持自适应漂移补偿,是其中一种,也是应用比较广泛的方法之一.

移动宽带和电信网络依赖于称为Stratum时钟的高度稳定和精确的定时源,以满足表1中所示的严格的相位和同步要求.在典型的网络部署中,有一个主要参考时钟源(PRS)可追溯到Stratum-1或Cesium原子钟.典型的网络节点定时时钟源:Stratum-3或-3E源自更精确的上游Stratum-2时钟.每个Stratum级别的时钟必须满足标准规定的频率稳定性和20年以上的长期老化-Stratum-2级时钟比下游衍生的Stratum-3或3E时钟具有更高的频率稳定性和精度.Stratum-n精度和保持规格详细信息将在章节中介绍.

表1:LT+/5G网络中的频率和相位要求

*Network=Fronthaul/Backhaul,Air=从天线到UE(RF)的空中接口

每个衍生的Stratum-N时钟,N=3,3E使用局部恒温晶振(OCXO)作为备用时钟源,以便在上行Stratum-1或-2时钟丢失更高精度.通常,主时钟参考(PCR)的丢失持续时间在30分钟至24小时的范围内.Stratum-3/3E时钟的这种状态称为’保持’模式.

图-1:时钟的概念框图,显示振荡器如何在保持中起作用.

由于OCXO必须在主时钟丢失的情况下维持或’保持’定时同步,因此至关重要的是OCXO表现出与上游Startum-2时钟一样好的定时特性,直到恢复携带PCR的链路为止.当OXCO’保持’最后的同步或合成频率时,Stratum时钟的状态称为’保持’状态.

1.1网络中的定时参考源

无线网络中每个节点上的所有同步分布式时钟都可追溯到可追溯到Stratum-1时钟的PRTC(主参考定时时钟)或PRC(主参考时钟).各种Stratum级时钟及其关系如下图3所示.

图3:电信网络中的同步层次结构

第0层:基于铯基于原子钟的参考时钟源,用于中继UTC(协调世界时)并且具有很少或没有延迟,被称为第0层设备.Stratum-0服务器不能在网络上使用;相反,它们直接连接到计算机,然后计算机作为主时间服务器运行.

第1层:网络中最准确的时钟源;晶振频率精度:±0.01ppb至UTC.也称为核心网网关中使用的主参考时钟(PRC).PRC锁定到GPS/GNSS接收器时钟,该时钟可追溯到Stratum-0原子钟.

第2层:接收来自PRC的同步信号,良好的保持能力;频率精度:±16ppb.也称为建筑集成定时源(BITS),用于中央办公室.

第3层:使用线路定时时钟恢复技术从BITS接收同步信号;保持能力;频率精度:±4.6ppm.也称为网元从时钟(NES),用于移动交换中心.基于频率稳定性有两种变体:Stratum-3,频率稳定性为±300ppb;Stratum-3E,频率稳定性为±10ppb.

1.2保持类型和贡献因素

保持石英振荡器的特点是两个关键性能参数:

1.频率保持-‘保持’期间的最大频率偏差.频率偏差是从进入’保持’状态之前的平均频率开始测量的.

2.时间保持-参考同步参考的时间误差(TE)累积.保持性能受3个因素的影响:

1.环境温度变化

2.艾伦方差

3.老化

根据NIST特刊1065[3],可以根据以下等式预测由于上述影响因素的综合影响而导致的时间误差:

由环境温度变化引起的频率漂移的程度是驱动频率与振荡器的温度斜率.鉴于精密OCXO的ppt级别DF/DT值和保持期间温度的微小变化(+/-1°C),由于温度变化引起的频率漂移贡献对整体保持性能有良好的影响,可以忽略不计.

Allan方差(AVAR)表征了恒定环境条件下器件的短期频率稳定性.AVAR是一种统计指标,用于量化OCXO固有的低频噪声过程.此保持因子是一个随机实体,难以弥补,超出了本文的范围.老化是保持振荡器在恒定环境条件下的长期频率漂移,并且直接受OCXO结构和结构的影响.本白皮书讨论了通过自适应地补偿保持振荡器的长期漂移来扩展现成的低成本TCXO晶振或OCXO晶振的保持性能的技术.

2.OCXO的老化概况

为了自适应地补偿每日漂移,必须了解在不同操作条件下每日漂移曲线如何随时间变化有几个因素会影响老化曲线:

1.焊料回流偏移-这种效果是短期的,通常需要24到48小时才能使包装减压

2.工作温度影响-在较低温度下每日漂移更好

3.存储影响-该配置文件与Oscillator保存或非工作(未通电)的温度以及存储在何处的温度直接相关.

4.回退影响-取决于Crystal Oscillator的上电时间以及振荡器保持断电的持续时间,每个电源开/关周期都会显示不同的曲线.

OCXO的典型老化曲线显示为在85℃的恒定环境温度下30天内的分数频率偏差图,如下面的图4所示.该图显示了偏移消除标称值后的频率偏差.此外,在器件上电一小时后测量频率,以消除焊料移位相关的伪影.

图-4:老化曲线显示了领先的精密OCXO的频率偏差与时间的关系.上电一小时后测量的频率.

随着振荡器老化或保持运行超过几个小时,轮廓呈现出线性的每日漂移趋势.此外,根据情节,每日漂移从开机后2小时减慢到5小时.我们将使用这种老化轮廓特征来应用我们在下一节中描述的自适应补偿方法.

3自适应补偿方法

自适应补偿频率漂移的基本前提是双重的:

1.使用系统定时参考进行连续和精确的频率测量,该参考比OCXO有源晶振更精确.在系统进入保持状态之前,这些定时参考可以来自GPS/GNSS接收器或通过SyncE链路的PTP时间戳.

2.将Crystal Oscillator每日漂移建模为线性趋势,使得在时钟进入保持状态之后仅可以自适应地预测斜率.这种线性模型假设是基于操作几天后的事实,大多数OCXO表现出线性日常漂移曲线,如图-4所示.

图-5:老化图显示自适应补偿的应用预测从上电开始约5小时的保持期间的每日速率.自适应补偿OCXO的方法归结为以下步骤:

1.基于连续和精确的测量,确定参考标称频率的每日ppb/天的老化速率.

2.以秒为单位生成时间向量,分辨率与步骤1中获取的频率数据对齐.

3.在保持期间,预测OCXO石英晶振由于每日老化引起的频率变化,将步骤1中的老化率乘以步骤2中的时间向量中的步骤.

实现上述过程的数学说明在图6中所示的图中示出.

图-6:使用每日漂移的线性模型进行老化补偿的图示.

由于下一代无线网络具有严格的时间和频率同步要求,因此网络节点时钟设计人员应用自适应补偿技术来预测保持状态期间的频率变化,以消除或减少老化对时间误差的影响,这一点至关重要.这里介绍的自适应补偿神话是基于系统中精确时钟参考的可用性,用于进行精确的分数频率偏差测量,以及OCXO的日常老化曲线的线性模型,OCXO晶振已经老化了至少几个小时.系统进入保持模式之前.