Современная электроника №3/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2019 Использование прецизионных генераторов в аппаратуре стандарта 5G Рис. 2. Сравнение профилей изменения температуры Рис. 1. Компенсация старения генератора ( f ( t ) – реальное старение (типовое старение КГ), ϕ ( t ) – прогнозируемое старение) Кварцевые генераторы очень часто используются в телекоммуникационных системах в качестве хранителей шкалы времени. В статье приведены методики оценки временно ′ й ошибки и представлены результаты испытаний новейших высокостабильных кварцевых и рубидиевых генераторов для работы в условиях жёстких требований, налагаемых стандартом 5G. Юрий Иванов, Аркадий Никонов, Александр Котюков (morion@morion.com.ru ) Для работы телекоммуникационных систем необходимо обеспечить их надёжную синхронизацию. В основ- ном она обеспечивается высокоста- бильным временны ′ м сигналом от атомных часов, поступающим от гло- бальной спутниковой сети или с помо- щью серверов точного времени. Одна- ко при работе такой системы могут возникать сбои, связанные с потерей опорного сигнала. Для таких случаев в подобных системах предусмотрены внутренние источники точного време- ни, например прецизионные кварце- вые (КГ) или рубидиевые генераторы. Стабильность их частоты (и, соответ- ственно, времени) ниже, чем стабиль- ность частоты атомных часов. В ито- ге при таком режиме работы системы возникает временна ′ я ошибка TIE (Time Interval Error): TIE = T ref – T int , где T ref – показания точного времени, T int – показания времени КГ или руби- диевого генератора. Пятое поколение мобильной свя- зи 5G, разрабатываемое в данный момент, налагает очень жёсткие тре- бования по временно ′ й ошибке. Так, для опорных устройств сети (первич- ных часов) временна ′ я ошибка должна быть на уровне 400…100 нс за 24 ч [1]. Основными источниками временно ′ й ошибки при использовании прецизи- онных кварцевых и рубидиевых генера- торов являются долговременная и тем- пературная нестабильности частоты. Долговременная нестабильность ча- стоты современных прецизионных КГ составляет 2…7 × 10 –11 за сутки, что при- водит к временно ′ й ошибке 0,9…3,0 мкс за сутки. При этом она сильно зависит от времени непрерывной работы гене- ратора после включения. Для рубиди- евых генераторов величина долговре- менной нестабильности частоты состав- ляет 0,2…2 × 10 –11 за сутки (0,1…0,9 мкс). Как видно, только из-за эффекта старе- ния кварцевые генераторы сами по себе не могут обеспечить столь строгие тре- бования по временно ′ й ошибке. Однако для её уменьшения можно использовать компенсацию ухода частоты генерато- ра во времени. Суть подобной компен- сации сводится к тому, чтобыпо извест- ному ранее поведениючастоты генера- тора предсказать изменение частотына следующий период. Первый период вре- мени, за который происходит оценка старения генератора, называется пери- одом обучения, второй период – пери- од определения временно ′ й ошибки. Процесс обучения представляет собой построение аппроксимирующеймоде- ли дрейфа частоты, которая позволит предсказать дрейфчастоты генератора в последующий период времени. В ито- ге временна ′ я ошибка будет определять- ся уже разницеймежду прогнозируемым и реальным старением (см. рис. 1) [3]. В качестве аппроксимирующей моде- ли можно использовать линейную функцию. Однако при этом следует иметь в виду, что в первые дни после длительного выключения ошибка про- гнозирования линейной аппрокси- мацией будет чрезмерно высокой. На рисунке 1 представлена типовая харак- теристика старения КГ, после длитель- ного выключения. Использование такой компенсации позволяет умень- шить временну ′ ю ошибку, вносимую старением КГ, в 3–5 раз. Таким образом, временна ′ я ошибка при использовании подобной компенсации может состав- лять менее 400 нс за 24 часа, что удов- летворяет требованиям стандарта 5G. Температурная нестабильность часто- ты современных термостатированных КГ может достигать ±3 × 10 –11 в интерва- ле температур –40…+85°С (менее 1 × 10 –11 на каждые 20°C). При небольших темпе- ратурных изменениях ( ~ 5°C), что спра- ведливо для условий работыпервичных часов, вклад температурной нестабиль- ности КГ довольно мал и составляет око- Скользящее временно ′ е окно A O A* A N Время Частота Интервал обучения Интервал оценки f ( ) t t ϕ( ) [ ] (t) (t) TIE f dt ϕ = − ∫ Временна ′ я ошибка, нс Временна ′ я ошибка, нс 36 35 34 33 32 31 30 29 36 35 34 33 32 31 30 29 № 1 0 4 8 12 16 20 24 Температура, °C Температура, °C Время, ч 0 4 8 12 16 20 24 Время, ч № 2 80 40 20 60 0 –20 80 40 20 60 0 –20