ds1032时钟模块芯片_ds1307时钟芯片的使用方法

时钟同步原理
　　文档结构：

　　1、时钟相关基本概念

　　2、1588时钟同步原理

　　3、同步以太时钟同步原理

　　4、GPS时钟同步原理

　　5、混合时钟同步原理

　　5.1 1588+SyncE同步原理

　　5.2 GPS+SyncE同步原理

　　补充GPS同步相关信息。

　　对于5G NR的应用部署来说，基本通信业务对时钟的需求+-1.5us的精度。{Why？指标是怎么来的？感觉2个方面，一是CA，二是覆盖，根据CP计算的么？}

　　NR当前支持GPS和1588v2同步。新建推荐GPS同步易部署，可慢慢向1588过渡。对成本敏感推荐GPS+1588v2，对安全敏感推荐双层1588v2.

　　在GULNR场景下，支持GUL和NR独立时钟源和共时钟源。

　　1 时钟相关基本概念和原理

　　1.1 什么是时钟

　　时钟就是产生时间信号的设备。时钟信号包含频率、周期、抖动、漂移等参考指标。

　　1.2 同步与异步

　　现代数字通讯是数字信息从发送器向接受器传送的过程。那么接收器如何对接收到的数据进行采样和恢复原始数据，影响这种协调的方式有异步和同步两种。

　　【异步】

　　接受器通过判断数据的起始位和停止位，实现有效数据的接收，是一种短时间的同步。数据流不连续，使用的方式消耗了发送端和接收端速率的差异。

　　【同步】

　　发送器和接受器具有相同的时钟信号，在同步的前提下对数据进行批量传输，提高了数据传输的效率。

　　1.3 同步的分类

　　【频率同步】

　　指两个信号的变化频率相同或者保持固定的比例。信号的相位可以不一致，频率也可以不一致。

　　【时间同步】

　　时间信号是带有年月日时分秒时间信息的时钟信号。目前时间信息业界使用UTC（Universal Time Coordinated）时间信息。UTC时间是世界标准时间。

　　时间同步又称时刻同步，是绝对时间的同步。全网时间和UTC时间保持一致。e.g. B和A同步，CD不同步。

　　时间同步又称为相位同步（Phase Time）指时钟信号与理想信号在对应的有效瞬间（一般指上升沿或下降沿）的延迟时间，简称为“相位”。相位也就是时延。

　　【总结】

　　时间同步：绝对时间的同步；

　　频率同步：相对时间恒定的同步。

　　1.4 1PPS秒脉冲

　　PPS：pulse per second，秒脉冲。1PPS = 1Hz = 1次/秒。

　　顾名思义，就是一秒钟一个脉冲信号，用来指示整秒时刻，该时刻通常由秒脉冲的上升沿来标示。秒脉冲精度可达到ns级别，并且没有累积误差。

　　1.5 晶振和DA

　　石英晶体又称为石英晶体谐振器，就是简称的晶振。当外加交变电压的频率与石英片固有频率（取决于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振。时钟算法通过对频偏值计算出一个DA值，通过DAC输出相应的电压控制晶振频率。时钟软锁方案中，就是通过调整DA的方式来调整相位的。

　　根据时钟源不同，基本原理也略有不同。时钟源分GPS、1588和SYNCETH，这里暂时只记录1588和SyncE。

　　2 1588同步原理

　　2.1 基本概念

　　IEEE1588最初由IEEE提出，用于支持工业自动化领域的精确时间同步，基本功能是实现分布式网络内的时钟同步，随着协议的发展，2008年发布了1588V2，提出了profile的概念：从协议中选择一些或者几个特定的特性来用于某个特定场合或场景，而不仅是工业自动化领域。

　　2.1.1 1588V2设备时钟模式

　　（1）普通时钟（OC：Ordinary Clock）

　　在同步架构中，普通时钟可以做master也可以做slave。

　　master向网络发送基准时钟，slave从网络接收基准时钟。

　　（2）边界时钟（BC：Boundary Clock）

　　边界时钟有2个或2个以上端口，一个作slave，用于跟上级master同步，一个做master，用于给下级slave提供定时。

　　（3）透传时钟（TC：Transparent Clock）

　　同时提供多个时钟端口，透传时钟信号，TC上不部署业务，本地时钟不同步，提供时钟传输延迟补偿。透传时钟又分：

　　（a）End-to-end透传时钟（E2E TC）：透明传输时钟信息。但是在透传节点上，把透传节点内的传输时延加以补偿修正。

　　（b）Peer-to-peer透传时钟（P2P TC）：跟End-to-end透传时钟的区别在于时间戳处理的不同。

　　2.2 同步原理

　　1588通过master和slave之间收发IP报文（携带时间戳）来进行同步的。分频率同步和时间同步。

　　2.2.1 频率同步

　　1588V2的频率同步是通过Master和Slave之间的Sync报文来实现频率同步。Master周期性给Slave发送Sync报文，如果不考虑传输链路的时延变化，在相同的时间间隔内，Master和Slave累积的时间偏差如果相同，那么他们就是同步的。如果不同，根据偏差调整Slave的频率。

　　2.2.2 时间同步

　　1588V2的时间同步是通过Master和Slave之间多次交互报文（携带时间戳）实现的。

　　原理如下图所示，很简单，假设Master和Slave之间的传输时延是对称的，那么Slave与Master之间的时间偏差就是（（t2-t1）-（t4-t3））/2

　　Slave就根据这个时间偏差，来调节自身的时间以达到和Master同步的效果。

　　从1588V2同步的上述原理可以看出，该同步技术需要建立在Master和Slave之间收发链路的时延对称基础上的，如果不对称，则将引入同步误差。误差=不对称时延/2。如果不对称时延是固定的，还可以通过补偿的方式进行修正。

　　3 SyncE同步原理

　　3.1 基本概念

　　同步以太和传统SDH同步类似，是一种基于物理层码流携带和恢复频率信息的同步技术。通过以太网线路的物理层芯片从串行数据码流中恢复出发送端的时钟，然后通过以太网把频率向下游网络传递，使得时钟频率可以通过以太网传送。时钟的质量等级信息可以在以太网上通过专门的SSM帧进行传送。

　　同步以太优势：

　　（1）比GPS施工、安全的成本低；

　　（2）可以应用于现有以太网，摆脱对GPS的依赖。

　　劣势：

　　只有频率同步，没有时间同步。在需要时间同步的应用场景下，需要结合其他同步技术一起使用。

　　3.1.1 以太网PHY

　　PHY是物理接口收发器，它实现了七层网络协议的物理层。

　　PHY的工作过程是：PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据流而不管什么地址，数据还是CRC），每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则（10Based-T 的NRZ编码或100Based-T的曼彻斯特编码）把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时反之。

　　3.1.2 SSM帧

　　用于时钟选择算法，暂不介绍了，有兴趣自己搜着看吧。

　　3.2 同步基本原理

　　同步以太技术从以太网线路的串行码流里提取时钟，通过选源算法后，送给设备系统时钟锁相环跟踪产生系统时钟，然后通过系统时钟把该端口的线路时钟作为其他同步以太端口的发送参考时钟，在发送的串行码流中发送出去。

　　4 GPS同步原理

　　4.1 GPS概述

　　目前的卫星导航系统主要有美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、欧洲的伽利略卫星定位系统（Galileo）、中国的北斗卫星导航系统（COMPASS），被使用较多的是美国的GPS系统。

　　系统分三部分组成：

　　（1）太空卫星部分：N颗卫星组成，分不同轨道运行。每个卫星均持续发射有卫星轨道和时间信息的无线电波，供地球上的接收机设备来接收。

　　（2）地面管制部分：跟踪和控制上述卫星运转的监控控制点。

　　（3）接收机部分：可以接收所有GPS卫星信号，并实时地计算接收机所在位置的坐标、移动速度及时间。

　　4.2 GPS接收机

　　现在GPS接收机一般都是12通道，可以同时接收12颗卫星。

　　GPS信号接收需要在开阔可见天空的地方。并且受大气气体、云、雨、雾等衰减损耗。因此有时候天气不好卫星信号也不好。

　　强电磁信号也可能干扰GPS信号。

　　4.3 GPS原子时

　　传统GPS信号由3部分组成：数据码（导航电文）、测距码（C/A码）和载波（L1和L2）。GPS接收机的作用就是接收来自GPS的卫星信号，输出UTC时间和1pps，其中UTC时间就是年月日时分秒的时间信息，而它的起始点就是1pps秒脉冲的上升沿。接收设备就可以通过这2个信息进行精确的时间+频率同步。

　　不同GNSS系统中采用的时间系统不同，详细信息网上可以搜到。

　　4.4 GPS同步方案

　　小站直接在DU处理，1pps送给FPGA鉴相，时钟软件得到鉴相数据后，计算频偏调整晶振，以达到时钟同步。

　　宏站通过主控和星卡板，CI互连获得UTC时间和1pps，处理如上。

　　5 混合时钟同步原理

　　2~4章介绍了三种同步技术：

　　1588同步对网络要求比较高，网络时延会引入误差。在频率同步上SyncE相对更稳定，但是SyncE又没有时间同步。因此部分场景下会考虑混合时钟源的方式进行部署。

　　5.1 1588+SyncE同步原理

　　（1）频率同步：PHY恢复SyncE时钟源，送给锁相环进行硬锁，同时生成122.88MHz工作钟送给业务用；

　　（2）时间同步：软件解析1588报文，时间戳信息，再与1PPS拉齐1588相位。

　　然后频率和相位都锁定拉齐后的1PPS。

　　异常场景：

　　如果SyncE时钟源出现问题，1588正常，就会切回1588锁频和锁相，也就是简称的软锁方案。

　　如果1588异常，SyncE正常，相位会跟踪异常的1588时钟源，最终可能出现很大的相偏。

　　如果1588丢失，SyncE正常，因为SyncE的1PPS相位已经和1588拉齐，1588的相位信息一直存在，所以锁相环状态会一直处于锁定。

　　5.2 GPS+SyncE同步原理

　　（暂无）