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移動寬帶和電信網絡依靠稱為 Stratum 時鐘的高度穩定和準確的定時源來滿足表 1 中所示的嚴格相位和同步要求。 在典型的網絡部署中，有一個可追溯到 Stratum-1 的主要參考時鐘源 (PRS)或銫原子鐘。一個典型的網絡節點計時時鐘源：Stratum-3 或 -3E 源自更準確的上游 Stratum-2 時鐘。每個 Stratum 級別的時鐘必須滿足標準規定的頻率穩定性和 20 年以上的長期老化。Stratum-n 精度和保持規范的詳細信息在以下部分中描述。

簡介

移動寬帶和電信網絡依靠稱為 Stratum 時鐘的高度穩定和準確的定時源來滿足表 1 中所示的嚴格相位和同步要求。在典型的網絡部署中，有一個主要參考時鐘源 (PRS) 可追溯到 Stratum- 1 或銫原子鐘。 一個典型的網絡節點計時時鐘源：Stratum-3 或 -3E 源自更準確的上游 Stratum-2 時鐘。 每個 Stratum 級別的時鐘必須滿足標準規定的頻率穩定性和 20 年以上的長期老化。 Stratum-n 精度和保持規范的詳細信息在以下部分中描述。

表 1：LT+/5G 網絡中的頻率和相位要求

*Network = Fronthaul/Backhaul, Air = Air interface from Antenna to UE (RF)

每個派生的 Stratum-n 時鐘，n = 3，3E 使用本地恒溫振蕩器 (OCXO) 作為備用時鐘源，以防丟失更高精度的上游 Stratum-1 或 -2 時鐘。 通常，主要時鐘參考 (PCR) 丟失的持續時間在 30 分鐘到 24 小時的范圍內。 Stratum-3/3E 時鐘的這種狀態稱為“保持”模式。

圖 1：時鐘的概念框圖顯示了振蕩器在保持中的作用

由于 OCXO 必須在主時鐘丟失的情況下保持或“保持”定時同步，因此在承載 PCR 的鏈路恢復之前，OCXO 表現出與上游 Startum-2 時鐘一樣好的定時特性至關重要。 當 OXCO“保持”最后一個同步或同步頻率時，Stratum 時鐘的狀態稱為“保持”狀態。

網絡中的時序參考源

無線網絡中每個節點的所有同步分布式時鐘都可追溯到 PRTC（主參考時鐘）或可追溯到 Stratum-1 時鐘的 PRC[2]。 各種 Stratum 級別時鐘及其關系如圖 2 所示。

圖 2：電信網絡中的同步層次結構

Stratum 0：一種基于銫原子的參考時鐘源，它中繼 UTC（協調世界時）并且幾乎沒有延遲，被稱為 0 層設備。 網絡上不能使用 Stratum-0 服務器； 相反，它們直接連接到作為主要時間服務器運行的計算機。

Stratum 1：網絡中最準確的時鐘源。 頻率精度為 UTC 的 ±0.01 ppb。 也稱為主參考時鐘 (PRC)，用于核心網絡的網關。 PRC 被鎖定到可追溯到 Stratum-0 原子鐘的 GPS/GNSS 接收器時鐘。

Stratum 2：接收來自PRC的同步信號，具有良好的保持能力。 頻率精度為 ±16 ppb。 也稱為樓宇綜合計時源 (BITS)，用于中央辦公室。

Stratum 3：使用線路定時時鐘恢復技術從 BITS 接收同步信號，并具有合理的保持能力。 頻率精度為 ±4.6 ppm。 也稱為網元從時鐘 (NES)，用于移動交換中心。 有兩種基于頻率穩定性的變體：頻率穩定性為 ±300 ppb 的 Stratum-3 和頻率穩定性為 ±10 ppb 的 Stratum-3E。

滯留類型和影響因素

保持振蕩器的特征在于兩個關鍵性能參數：

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之前的平均頻率測量。

2. 時間保持 – 保持期間參考同步參考 (PRC) 的時間誤差 (TE) 累積。

由于上述影響因素的綜合影響導致的時間誤差可以按照以下等式進行預測：

由于環境溫度變化引起的頻率漂移程度由振蕩器的頻率與溫度斜率 (ΔF/ΔT) 決定。 鑒于精密 OCXO 的 ppt 級 ΔF/ΔT 值和保持期間溫度的微小變化 (±1°C)，溫度變化引起的頻率漂移對整體保持性能有良性影響，可以忽略不計。

艾倫方差 (AVAR) 表征設備在恒定環境條件下的短期頻率穩定性。 AVAR 是一種統計指標，用于量化 OCXO 固有的低頻噪聲過程。 因為這個保持影響因素是一個隨機實體并且很難補償，所以它不在本文的范圍內。

老化是保持振蕩器在恒定環境條件下的長期頻率漂移，直接受 OCXO 結構和構造的影響。 本文討論了通過自適應補償保持振蕩器的長期漂移來擴展現成的低成本 TCXO 或 OCXO 保持性能的技術。

以下部分重點介紹領先 OCXO（例如 SiTime SiT5711）的老化曲線，并提供有關自適應補償技術的指導，以擴展精密 OCXO 的老化相關保持性能。

OCXO 的老化曲線

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. 回流焊轉移——這種影響是短期的，通常需要 24 到 48 小時讓封裝去應力

2. 工作溫度影響——每日漂移在較低溫度下更好

3 . 存儲影響 - 配置文件與振蕩器保存或不工作（未通電）的時間以及存儲溫度直接相關

4. 回掃影響 - 取決于振蕩器通電的時間和持續時間 它保持斷電，振蕩器將在每個電源開/關周期顯示不同的配置文件

OCXO 的典型老化曲線顯示為在 85°C 恒定環境溫度下 30 天的頻率偏差分數圖，如圖 3 所示。該圖顯示了從標稱偏移消除后的頻率偏差。 此外，在設備通電后一小時測量頻率，以消除與焊料偏移相關的偽影。

圖 3：老化曲線顯示 SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的頻率偏差與時間； 開機一小時測得的頻率

隨著振蕩器老化或保持運行時間超過幾個小時，該曲線呈現線性每日漂移趨勢。 此外，根據情節，每日漂移從通電后 2 小時減慢到 5 小時。 我們將使用此老化曲線特征來應用我們在下一節中描述的自適應補償方法。

自適應補償方法

自適應補償頻率漂移的基本前提有兩個：

1. 使用比 OCXO 精確一個數量級的系統定時參考進行連續和精確的頻率測量。 在系統進入保持狀態之前，這些定時參考可以來自 GPS/GNSS 接收器或 SyncE 鏈路上的 PTP 時間戳。

2. 將每日漂移建模為線性趨勢，以便在時鐘進入保持狀態后只能自適應地預測斜率。 這種線性模型假設基于這樣一個事實，即在運行幾天后，大多數 OCXO 表現出線性每日漂移曲線，如圖 4 所示。

圖 4：SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的老化圖，顯示了應用自適應補償來預測開機后約 5 小時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. 基于連續和精確的測量，參考標稱頻率確定以 ppb/天為單位的每日老化率。

2. 生成一個以秒為單位的時間向量，其分辨率與步驟 1 中獲取的頻率數據一致。

3. 在保持期間，預測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長。

實現上述過程的數學說明如圖 5 所示。

圖 5：使用每日漂移的線性模型進行老化補償的圖示

結論

隨著下一代無線網絡對時間和頻率同步的嚴格要求，網絡節點時鐘設計者應用自適應補償技術來預測保持狀態期間的頻率變化以消除或減少老化對時間誤差的影響至關重要。 此處介紹的自適應補償方法基于系統中精確時鐘參考的可用性，該系統用于進行精確的分數頻率偏差測量，以及已老化至少幾個小時的 OCXO 每日老化曲線的線性模型。 進入保持模式之前的系統。

關于SiTime公司

SiTime是一家專注于全硅MEMS時鐘解決方案的Fabless半導體設計公司。公司成立于2005年，于2019年在美國納斯達克上市。截至2021年底，全球累積出貨量已超過20億片，占據全球MEMS硅晶振市場90%以上份額。

SiTime采用MEMS技術與CMOS半導體技術相結合，依托先進的堆疊封裝工藝制作而成。無需更改PCB設計,即可P2P完全替代所有傳統石英振蕩器產品。大尺度頻率覆蓋范圍、國際標準封裝、靈活的產品組合，快捷的可編程交付方式。所有產品可在24小時內提供32KHz--725MHz任一頻率樣品供應,實現更高性能時鐘樣品的快速交付。SiTime硅晶振以穩定的性能和超高的性價比成為了大多數高性能主控芯片的理想時鐘選擇和強健的心臟。不僅可以縮短研發周期，節約開發調試成本，而能降低未來產品返修風險，快給你的電路換上一顆SiTime硅晶振吧。

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SiTime樣品中心成立于2014年，由SiTime公司聯合北京晶圓電子有限公司共同創立，并由晶圓電子全權負責全面運營、客戶服務以及國內的交付任務。SiTime樣品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市場在大中華地區的應用普及,助力中國客戶產品時鐘解決方案升級換代。提供售前售后技術服務、24小時快速供樣、以及國內中小批量現貨支持和重要客戶的全方位策略服務。更多資訊可訪問SiTime樣品中心官網(www.sitimechina.com)。