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

射頻通信全鏈路系統(tǒng)設(shè)計馬文建等編著機(jī)械工業(yè)出版社第6章射頻通信時鐘系統(tǒng)設(shè)計第6章射頻通信時鐘系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)目標(biāo)了解時鐘同步的概念、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)。理解時鐘抖動與相位噪聲的指標(biāo)定義，掌握兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。熟悉各類時鐘接口(包括LVDS、LVPECL和CML)，能對各接口之間的對接進(jìn)行匹配。掌握時鐘架構(gòu)設(shè)計方案，能根據(jù)特定需求對發(fā)射EVM、接收倒異混頻、轉(zhuǎn)換器參考時鐘、SerDes參考時鐘和時鐘電源進(jìn)行預(yù)算和分析。知識框架6.1時鐘同步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時鐘抖動與相位噪聲6.2.1指標(biāo)定義6.2.2關(guān)系轉(zhuǎn)換6.3時鐘接口6.3.1LVDS6.3.2LVPECL6.3.3CML6.3.4接口對比6.3.5匹配方法6.4時鐘設(shè)計6.4.1時鐘架構(gòu)6.4.2需求分析6.4.3設(shè)計分解6.1時鐘同步同步是所有無線網(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)。以移動通信TDD雙工模式為例，時間是用來區(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，如果相鄰基站沒有采用相同的時間基準(zhǔn)，一個正在下行發(fā)射，另一個卻在上行接收，則發(fā)射基站的信號會進(jìn)入接收基站，產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)無法運轉(zhuǎn)?；鹃g不同步產(chǎn)生的互干擾6.1時鐘同步時鐘同步包括頻率同步和時間(相位)同步兩個方面。其中，頻率同步是通過頻率比對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，即信號間的變化頻率相同，相位差保持恒定；相位同步通過時刻比對將分布在不同地方的鐘時刻值調(diào)整到一定的準(zhǔn)確度或一定的符合度，即要求信號間的時鐘有效沿(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的時鐘上升沿始終與CLKB的時鐘上升沿對齊，即兩個時鐘相位同步。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)定度來衡量，其單位是。它表示在一個特定中心頻率下，允許偏差的值，該值越小則同步精度越高。時間同步指標(biāo)是一個絕對值，即時間的絕對偏差，一般以ns和μs為單位6.1時鐘同步不同通信業(yè)務(wù)對時鐘同步的要求不同。以移動通信基站為例，總的來看，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則屬于一個特例，其雖然采用FDD雙工模式，但其長短碼都是m序列，不用的m序列需要通過相位來區(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時鐘同步的要求6.1時鐘同步對于5GNR來說，時鐘同步指標(biāo)相對比較復(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)可以通過不同的基站收發(fā)，在重疊覆蓋區(qū)域合并多個信號，從而有效提升業(yè)務(wù)帶寬。MIMO和發(fā)射分集技術(shù)的時間偏差要求為65ns，對于帶內(nèi)連續(xù)載波聚合(CA)，Sub6G低頻基站時間偏差要求為260ns，Above6G高頻基站時間偏差要求為130ns。不同基站之間的信號時差必須保持更為嚴(yán)格的同步精度，否則無法合并。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)對時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)用對于時間同步的需求將達(dá)到10ns量級。6.1時鐘同步當(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)星信號中包含有精確的時間信息。通過專用星卡或GNSS授時模組對這些信號加以解碼，即可快速將設(shè)備與衛(wèi)星實現(xiàn)時間同步。4顆衛(wèi)星到達(dá)地面基站的距離可表示為GNSS定位和授時原理示意6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理GNSS同步(1)同步原理根據(jù)上述對GNSS時鐘同步原理的介紹，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)備對衛(wèi)星信號的解算能力。當(dāng)前生產(chǎn)GNSS授時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，盡可能放在無遮擋的環(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)通過對衛(wèi)星信號的變頻解調(diào)等信號處理，在本地恢復(fù)出原始時間，輸出1PPS(秒脈沖)信號和串口報文信息。輸出1PPS信號的上升沿為時間同步點，可實現(xiàn)ns級同步精度。GNSS同步1PPS和串行數(shù)據(jù)時序6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理GNSS同步(2)應(yīng)用實現(xiàn)GNSS接收機(jī)產(chǎn)生的1PPS標(biāo)準(zhǔn)時頻信號與本地OCXO時鐘鎖相環(huán)分頻產(chǎn)生的1PPS信號進(jìn)行鑒頻鑒相，得到兩個1PPS信號的相位偏移量，實現(xiàn)時間同步。同時根據(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)時鐘頻率的技術(shù)。在以太網(wǎng)源端使用高精度時鐘，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CDR恢復(fù)并提取該時鐘頻率，保持高精度時鐘性能。在進(jìn)行時鐘同步時，系統(tǒng)會首先選擇最優(yōu)時鐘，假設(shè)外接時鐘源1比外接時鐘源2更可靠，當(dāng)選為最優(yōu)時鐘，則Device1和Device2均同步外接時鐘源1的頻率。SyncE時鐘同步原理示意6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理SyncE同步時鐘恢復(fù)電路一般采用數(shù)字PLL的方式實現(xiàn)。輸入的“時鐘+數(shù)據(jù)”數(shù)字信號和PLL的VCO進(jìn)行鑒相比較，閉環(huán)調(diào)整VCO的輸出時鐘頻率，使其與輸入數(shù)字信號的變化頻率一致，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。另外，鎖定后的時鐘信號對輸入數(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的傳送，即支持頻率同步，不支持時間同步，所以單純的SyncE同步方案只適用于不需要時間同步要求的場景。CDR時鐘恢復(fù)原理示意6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理PTP同步PTP(精確時間協(xié)議)是一種用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間高精度頻率同步和相位同步的時鐘(時間)同步協(xié)議，時間同步精度為亞微秒級，可滿足廣電網(wǎng)絡(luò)、城市軌道交通、無線接入網(wǎng)絡(luò)等場景的高精度時間同步要求。IEEE1588是PTP的基礎(chǔ)協(xié)議，其規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中用于高精度時鐘同步的原理和報文交互處理規(guī)范，最初應(yīng)用于工業(yè)自動化，現(xiàn)在主要用于橋接局域網(wǎng)。因此，PTP也稱為IEEE1588，簡稱1588。當(dāng)前1588分為1588v1和1588v2兩個版本，1588v1只能達(dá)到亞毫秒級的時間同步精度，而1588v2可達(dá)到亞微秒級的時間同步精度，可同時實現(xiàn)相位同步和頻率同步。6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理PTP同步1588通過協(xié)議報文的應(yīng)答實現(xiàn)主從時間同步。通過記錄主從設(shè)備之間時間報文交換時產(chǎn)生的時間戳，計算出主從設(shè)備之間平均路徑延遲和時間偏差，實現(xiàn)主從設(shè)備之間的時間同步。具體操作步驟如下：主設(shè)備在時刻t1發(fā)送Sync報文。如果主設(shè)備為one-step模式，t1隨Sync報文傳送給從設(shè)備；如果主設(shè)備為two-step模式，則t1在隨后的Follow_up報文中傳送給從設(shè)備；從設(shè)備在時刻t2接收到Sync報文，并從Sync報文(單步)或Follow_up(雙步)報文中獲取t1；從設(shè)備在時刻t3發(fā)送Delay_Req報文給主設(shè)備；主設(shè)備在時刻t4接收到Delay_Req報文；主設(shè)備隨后通過Delay_Resp報文將t4反饋給從設(shè)備。6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理PTP同步從設(shè)備計算出時間偏差Offset后即可修正本地時間，使其和主設(shè)備時間同步。頻率同步方法相對簡單，通過計算不同Sync消息的發(fā)送時間間隔和接收時間間隔，得到主從時間的頻率調(diào)整因子，修正從時鐘的頻率，實現(xiàn)頻率同步。1588主從設(shè)備平均路徑延時原理6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理空口同步空口同步屬于無線通信特有的同步方式，比如終端與基站之間沒有專用的物理連接，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程，獲取無線網(wǎng)絡(luò)的時間和頻率信息，確定基站發(fā)送的無線數(shù)據(jù)幀的幀頭位置、OFDM符號的起始位置和載波頻偏，完成對頻偏的補(bǔ)償，保證終端的網(wǎng)絡(luò)接入。以5GNR為例，其同步過程主要包括以下幾個步驟：搜索主同步信號(PSS)：在時域?qū)SS信號進(jìn)行互相關(guān)檢測，完成時域粗同步。搜索輔同步信號(SSS)：根據(jù)PSS位置可以獲取SSS位置，由于SSS在第1個Symbol時間內(nèi)，且SSB頻域范圍內(nèi)只有PSS信號，而SSS在的第3個Symbol時間內(nèi)還有PBCH信號，因此無法對SSS信號進(jìn)行時域互相關(guān)檢測，只能在頻域?qū)崿F(xiàn)互相關(guān)檢測，完成頻域粗同步。6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理空口同步空口同步屬于無線通信特有的同步方式，比如終端與基站之間沒有專用的物理連接，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程，獲取無線網(wǎng)絡(luò)的時間和頻率信息，確定基站發(fā)送的無線數(shù)據(jù)幀的幀頭位置、OFDM符號的起始位置和載波頻偏，完成對頻偏的補(bǔ)償，保證終端的網(wǎng)絡(luò)接入。以5GNR為例，其同步過程主要包括以下幾個步驟：搜索主同步信號(PSS)：在時域?qū)SS信號進(jìn)行互相關(guān)檢測，完成時域粗同步。搜索輔同步信號(SSS)：根據(jù)PSS位置可以獲取SSS位置，由于SSS在第1個Symbol時間內(nèi)，且SSB頻域范圍內(nèi)只有PSS信號，而SSS在的第3個Symbol時間內(nèi)還有PBCH信號，因此無法對SSS信號進(jìn)行時域互相關(guān)檢測，只能在頻域?qū)崿F(xiàn)互相關(guān)檢測，完成頻域粗同步。6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理空口同步接收解調(diào)參考信號(DM-RS)：終端利用DM-RS進(jìn)行信道估計，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、半幀信息等信息。鎖定跟蹤參考信號(TRS):5GNR引入了可以根據(jù)需要配置和觸發(fā)的TRS實現(xiàn)時頻精同步。時頻精同步需要終端持續(xù)地進(jìn)行跟蹤和測量同步信息，因此TRS以周期性傳輸為主，在部分特殊場景的配合下可使用非周期TRS。3GPPR16版本協(xié)議可把同步時間分辨率由原來的250ns提升至10ns，并結(jié)合同步算法的優(yōu)化，達(dá)到小于1us的時鐘同步性能?？偟膩碚f，采用空口同步，無需布線，即可完成通信和授時的合一功能，具有應(yīng)用簡單、成本較低的優(yōu)勢。6.1時鐘同步6.1.3技術(shù)原理技術(shù)對比總的來看，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景中使用；SyncE和PTP同步應(yīng)用相對簡單，但SyncE不支持時間同步，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)到時間/頻率同步的最佳性能；空口同步是無線通信最簡單、最經(jīng)濟(jì)的同步方式，但其同步幀結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜，且同步精度較差。6.1時鐘同步6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)5G網(wǎng)絡(luò)對于時間同步的精度和可靠性均提出新的要求，時間同步技術(shù)可以滿足5G無線業(yè)務(wù)基本的±1.5μs精度要求，但100ns甚至10ns量級的同步需求則需要新的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)支撐。從時間同步網(wǎng)通用模型來看，要實現(xiàn)高精度時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)測技術(shù)、智能時鐘運維技術(shù)等。6.1時鐘同步6.1.4應(yīng)用挑戰(zhàn)高精度同步源技術(shù)高精度同步源的實現(xiàn)與衛(wèi)星授時技術(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)星授時技術(shù)中，衛(wèi)星單頻授時應(yīng)用最為廣泛，但由于受到大氣環(huán)境多方面因素影響，授時精度有限，一般無法實現(xiàn)100ns量級以內(nèi)的高精度同步需求。相對于單頻接收機(jī)而言，雙頻接收機(jī)可同時接收單個衛(wèi)星系統(tǒng)的2個頻點載波信號(如GPS的L1、L2或BDS的B1、B2)，由于不同頻率的信號通過相同介質(zhì)的折射率不同，通過相關(guān)算法可以有效消除電離層對電磁波信號的延遲誤差，提升衛(wèi)星授時精度至優(yōu)于30ns量級。6.1時鐘同步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，將其作為比對的中間媒介，在地面需要時間比對的2個地方分別安裝接收設(shè)備，同時觀測同一顆衛(wèi)星，通過交換數(shù)據(jù)抵消中間源及其共有誤差的影響，實現(xiàn)高精度比對，其時間比對不確定度可優(yōu)于10ns。衛(wèi)星共視技術(shù)相對較成熟，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，具有無法獨立部署應(yīng)用的缺點。6.1時鐘同步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鏈路，是5G高精度時間同步組網(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)備在單跳時間下的同步精度為±30ns，在遠(yuǎn)距離多跳節(jié)點傳輸時，同步精度顯然無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)不同類型的協(xié)同增強(qiáng)技術(shù)對時鐘同步的需求?？紤]到現(xiàn)有IEEE1588v2已經(jīng)規(guī)模部署，在現(xiàn)有配置基礎(chǔ)上通過優(yōu)化實現(xiàn)精度的提升，更有利于5G高精度時間同步網(wǎng)絡(luò)的快速部署。為提升單節(jié)點精度，需從以下幾方面對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)和動態(tài)延時誤差。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)實時時鐘(RTC)同步精度，保證系統(tǒng)內(nèi)部RTC之間的同步對齊。選取優(yōu)質(zhì)晶振，提升本地時鐘的穩(wěn)定度。對于采用提升單節(jié)點精度也無法滿足超高同步需求的情況，可考慮同步源下沉的方案，通過減少跳數(shù)來提高同步精度。6.1時鐘同步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)鏈路時鐘頻率存在較大差異，時間同步的精度將大打折扣?；诖?，利用SyncE同步技術(shù)，從設(shè)備通過以太網(wǎng)獲取主時鐘頻率，恢復(fù)出精準(zhǔn)的時鐘頻率，實現(xiàn)頻率同步。同時，軟件解析1588報文，并利用SyncE恢復(fù)出的精準(zhǔn)時鐘頻率獲取時間戳信息，與1PPS拉齊1588相位，實現(xiàn)時間同步。“SyncE頻率同步＋PTP時間同步”綜合同步方案的優(yōu)勢在于：更高精度通過SyncE實現(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)時鐘頻率實現(xiàn)時間同步，同步精度可穩(wěn)定在ns級別。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時鐘源故障或者鏈路故障，導(dǎo)致頻率同步信號丟失，設(shè)備會啟用PTP頻率同步。另外，SyncE和PTP可以共用時鐘源，也可以分別使用獨立的時鐘源。當(dāng)PTP功能故障導(dǎo)致PTP時間信號丟失時，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)備間的時間偏差仍能控制在可接受的范圍內(nèi)。6.1時鐘同步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TI公司的LMK05028低抖動雙通道網(wǎng)絡(luò)同步時鐘芯片進(jìn)行實現(xiàn)。LMK05028內(nèi)部有兩個鎖相環(huán)：一個用于SyncE，一個用于PTP。FPGA或CPU處理器管理IEEE1588協(xié)議棧、打時間戳、時序邏輯、伺服控制環(huán)路和抗混疊濾波器。時間戳模塊可以從以太網(wǎng)接口上的PTP數(shù)據(jù)恢復(fù)PTP時鐘，或通過LMK05028鎖定來自外部GNSS同步的1PPS輸入。6.2時鐘抖動與相位噪聲時鐘抖動和相位噪聲是衡量時鐘綜合性能的最主要的指標(biāo)。理想的時鐘電路提供絕對穩(wěn)定周期的時鐘信號，但實際電路往往會有一定的相位噪聲和抖動。相位噪聲和抖動分別表征信號質(zhì)量的頻域和時域參數(shù)。嚴(yán)重的相位噪聲和抖動可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號建立和保持時間不夠，串行信號接收端誤碼率高，以及系統(tǒng)不穩(wěn)定等現(xiàn)象發(fā)生。6.2時鐘抖動與相位噪聲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。如果沒有相位噪聲，信號的整個功率都應(yīng)集中在頻率f=fo處。相位噪聲將信號的一部分功率擴(kuò)展到相鄰頻率上，產(chǎn)生邊帶。一個信號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)的信號功率與信號總功率的比值。抖動表現(xiàn)為時域上信號周期長度發(fā)生的一定變化，導(dǎo)致信號的上升或下降沿的不確定性。任何非期望的時間變化都被看作是噪聲，而噪聲則是產(chǎn)生時鐘抖動的根源。6.2時鐘抖動與相位噪聲6.2.1指標(biāo)定義抖動一般分為隨機(jī)抖動和固有抖動。隨機(jī)抖動隨機(jī)抖動來源于隨機(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)抖動機(jī)理固有抖動固有抖動不是高斯分布，不能進(jìn)行統(tǒng)計分析。固有抖動通常是有邊際的，是由可識別的干擾信號造成的，是可重復(fù)可預(yù)測的。信號的反射、串?dāng)_、開關(guān)噪聲、電源干擾、EMI等都會產(chǎn)生固有抖動。6.2時鐘抖動與相位噪聲6.2.2關(guān)系轉(zhuǎn)換下面以一個典型的正弦信號為例說明時鐘相位噪聲和抖動之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：設(shè)時鐘信號

表明信號時域抖動與頻域相位噪聲有著近似對應(yīng)關(guān)系6.2時鐘抖動與相位噪聲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

在實際換算過程中，首先測試信號的相位噪聲，對所需帶寬內(nèi)的噪聲進(jìn)行積分運算，求出總噪聲功率。6.2時鐘抖動與相位噪聲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)換為相位抖動相位噪聲功率譜最后得到時間抖動舉例：6.3時鐘接口工程應(yīng)用中比較常見的數(shù)字時鐘電平類型，單端的一般是LVCMOS，差分的比如LVDS、LVPECL、CML。時鐘發(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鐘接口的性能6.3時鐘接口6.3.1LVDSLVDS(低電壓差分信號)是美國國家半導(dǎo)體于1994年提出的一種信號傳輸模式的電平標(biāo)準(zhǔn)，其采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)點對點或者一點對多點的連接。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典型輸入級由一個使用NMOS晶體管的差分對組成，輸入端(IN+和IN-)需要一個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PCB布線要求較高，差分線要求嚴(yán)格等長。另外，100Ω端接電阻離接收端口盡量控制在300mil以內(nèi)。6.3時鐘接口6.3.2LVPECLLVPECL(低壓正發(fā)射極耦合邏輯)，差分輸出的發(fā)射極通過電流源接地，集電極驅(qū)動一對射極跟隨器，為OUT+和OUT-提供電流驅(qū)動。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)動能力，多用于背板傳輸和長距離傳輸。LVPECL傳輸速度快，很容易達(dá)到幾百M的應(yīng)用，最高可到10Gbps以上。6.3時鐘接口6.3.3CMLCML(電流模式邏輯)電路主要靠電流驅(qū)動。CML輸出端由開漏差分對和NMOS壓控電流源組成，輸出需端接上拉電阻，用于有效驅(qū)動后級電路。壓控電流源用于改變驅(qū)動后級的能量，即改變輸出擺幅。CML輸入端一般由電壓跟隨器和NMOS差分對組成，電壓跟隨器起到隔離和增加驅(qū)動能力的作用，上拉的50Ω電阻是為了保證與前級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時鐘接口6.3.4接口對比對LVDS、LVPECL和CML三種接口進(jìn)行對比：驅(qū)動模式三者都輸入電流驅(qū)動，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無法支持極高速率。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范只有LVDS電平在國際上有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。6.3時鐘接口6.3.5匹配方法保證中頻時鐘接口的合理匹配是保證時鐘設(shè)計的關(guān)鍵所在。時鐘接口輸入/輸出典型參數(shù)常用時鐘接口輸入/輸出典型特性6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——LVDS到LVDS的連接6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——LVDS到LVPECL的連接6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——LVPECL到LVDS的連接6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——LVPECL到LVPECL的連接6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——LVPECL到CML的連接6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——CML到LVDS的連接6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——CML到LVPECL的連接6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——CML到CML的連接6.3時鐘接口6.3.5匹配方法——交流耦合電容的選擇當(dāng)時鐘接口之間連接采用交流耦合時，耦合電容會與負(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，電容會造成接收輸入端電壓下降，并產(chǎn)生過零點偏移等問題交流耦合造成過零點偏移為防止連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。下面主要從時序?qū)Υ诉M(jìn)行分析，首先，一階高通RC濾波的時域響應(yīng)為

6.3時鐘接口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)用場景6.4時鐘設(shè)計6.4.1時鐘架構(gòu)時鐘處理在RRU設(shè)備中主要完成與BBU提供的時鐘建立同步，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鐘，保證整個中射頻系統(tǒng)滿足相關(guān)無線指標(biāo)。整個時鐘處理模塊包括系統(tǒng)時鐘和同步時鐘兩大部分：系統(tǒng)時鐘不需要同步，設(shè)備上電即工作；同步時鐘需要同步，根據(jù)設(shè)定的同步源進(jìn)行工作。系統(tǒng)時鐘的時鐘源一般來自普通晶體振蕩器XO，對其穩(wěn)定度要求不高，經(jīng)過時鐘Buffer或(和)PLL為ASIC、FPGA等數(shù)字部分提供工作時鐘。同步時鐘的時鐘源根據(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。同步時鐘中頻PLL根據(jù)選定的參考時鐘產(chǎn)生所需的時鐘頻率，為保證在較寬輸出頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)超低的抖動性能。經(jīng)過中頻PLL產(chǎn)生的同步時鐘分別送給數(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鐘條數(shù)可簡化至RFIC的個數(shù)。6.4時鐘設(shè)計6.4.1時鐘架構(gòu)6.4時鐘設(shè)計6.4.2需求分析時鐘設(shè)計需求主要來自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，一般要求時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要求參考時鐘初始頻偏在±200ppm范圍內(nèi)。對于兩級PLL方案，第一級采用外置VCXO作為本地時鐘域的基準(zhǔn)源，時鐘初始頻偏由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、老化和電源波動等影響。各種CPRI數(shù)據(jù)速率的時鐘頻率6.4時鐘設(shè)計6.4.2需求分析時鐘設(shè)計需求主要來自CPRI硬鎖、OCXO軟鎖和相位噪聲三方面。OCXO軟鎖需求在軟鎖過程中，通過時鐘同步算法軟件調(diào)整OCXO壓控值實現(xiàn)時鐘同步，根據(jù)OCXO和VCXO的短期/長期穩(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時鐘設(shè)計6.4.2需求分析時鐘設(shè)計需求主要來自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。對于CPRI硬鎖方案，由于CPRI恢復(fù)時鐘在環(huán)路帶寬內(nèi)的相噪會直接傳遞給后級時鐘輸出，因此需要根據(jù)發(fā)射通道對調(diào)制精度(EVM)分解到發(fā)射積分相噪的需求指標(biāo)，考慮CPRI鏈路多級級聯(lián)場景下的相噪惡化。對于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。6.4時鐘設(shè)計6.4.3設(shè)計分解CPRI硬鎖和OCXO軟鎖屬于時鐘方案架構(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，分別對發(fā)射EVM、接收倒異混