自从电信行业出现以来，网络同步一直是语音通信的一个重要因素。早期，采用频率同步来确保高质量和高度可靠的电话通话。在当今的网络中，数据流量消耗了大部分网络带宽。尽管语音通信现在只占网络带宽的一小部分，但频率和时间/相位同步仍然是确保网络运行和可靠性所必需的。

当网络开始使用时分双工（TDD）时，时间同步变得重要。随着 5G 的即将推出，非常严格的时间/相位同步以及频率同步对于这些网络提高数据吞吐量以支持自动驾驶、远程手术和更精确的地理定位等新兴应用的需求将是必不可少的。

位于网络节点中的本地振荡器在系统的整体同步性能中起着至关重要的作用。这对于使用同步以太网的频率同步系统、使用 IEEE 1588 中描述的精确时间协议（PTP）的时间/相位/频率同步系统或两者的组合都是如此。在 5G 网络中，整个系统的严格时间对齐要求至关重要。基站天线的对齐要求可能非常严格，低至 65 纳秒（ns），具体取决于 MIMO、载波聚合和发射机分集。此外，回程网络（网络交换机、路由器）中每个网络节点允许的附加定时误差量可以低至每个节点 5ns。

在这样的同步系统中，每个网络节点都有一个本地振荡器，为同步锁相环（PLL）提供时钟。根据实现方式，PLL 环路带宽通常设置在 1mHz 至 0.1Hz 的范围内。有许多因素会影响时间误差性能。本地振荡器的稳定性是节点中产生时间误差的主要因素。PLL 滤波能力（PLL 环路阶数、PLL 环路带宽）和输入信号中的漂移量也是影响因素。

使用实时数据进行实际时间误差分析是一个复杂且冗长的过程，可能需要数周至数月。为了帮助缓解这些问题，SiTime 开发了时间误差模拟器软件，在参考输入理想且无漂移的情况下，模拟本地振荡器的不稳定性所产生的漂移量。该工具能够在各种不同的系统参数和温度曲线下快速模拟时间误差。 

SiTime 时间误差模拟器软件需要振荡器的以下三个基本性能数据区域（在组件级别测量）：

1. 振荡器的频率随温度变化行为 - 以模拟温度变化的影响。

2. 振荡器的频率随时间变化行为（至少 1 小时的频率趋势） - 以模拟振荡器的漂移影响。

3. 一天的频率老化 - 以模拟振荡器的老化影响。

此数据可在实验室中获取，数据采集时间不超过一天。或者，它也可由振荡器供应商提供。根据用户个人电脑的性能，24 小时频率老化的模拟时间可能只需半小时，这比进行实时测量要快得多。

本文讨论了使用时间误差模拟器软件对 PTP 和 PTP + SyncE 应用的时间误差模拟所使用的各种模型。

1、仅 PTP 仿真模型

仅 PTP 仿真模式模拟了本地振荡器频率变化对不具有物理层频率支持的单个电信时钟（如 T-BC）性能的影响。在这种情况下，模型是单个 PLL 模型。

时间误差模拟器软件支持系统锁定状态的仿真。图 1 说明了仿真模型图。

图 1：PTP 系统节点仿真模型

PLL 模型的输入是本地振荡器随时间的频率行为。可以选择本地振荡器频率变化的多个影响因素：可变温度效应、振荡器漂移效应和日老化效应。振荡器行为的仿真细节在第 3 节中讨论。

对于锁定状态仿真，假定 PTP 输入是理想的，因此时间误差为 0。这种方法用于模拟本地振荡器不稳定性的影响。本地振荡器随时间的频率趋势用于从理想时钟计算频率误差。该频率误差被积分以计算时间误差。然后，将本地振荡器对 PLL 输出贡献的模型应用于时间误差，以模拟 PLL 输出的最终时间误差。本地振荡器对 PLL 输出影响的简化模型是截止频率与环路滤波器带宽相同的高通滤波器。滤波器带宽和阶数参数由用户定义。

仅 PTP 仿真模式也可用于估计 SyncE eEEC 性能，因为该软件生成通用的 PLL 仿真。但是，时钟带宽会有所不同。在电信应用中，PTP 带宽通常在几 mHz 到 20 mHz 之间，而 SyncE 带宽在 0.1 Hz 到 10 Hz 之间。

2. 混合（PTP + SyncE）仿真模型

混合（PTP + SyncE）仿真模式模拟了本地振荡器对单个 T-BC 或 T-BC 链性能的影响。该模型假设为混合 T-BC，其中通过 SyncE 提供物理层频率支持。该软件实现了锁定状态仿真。图 2 展示了在 G.8273.2 中定义的 T-BC 模型。图 3 展示了在软件中实现的 T-BC 仿真模型。

图 2：在 G.8273.2 中定义的 T-BC 模型

 图 3：在软件中实现的 T-BC 仿真模型

本地振荡器随时间的频率行为与输入到 T-BC 模型的仅 PTP 仿真相同。假定 PTP 主时钟和 SyncE 主参考时钟都是理想的。在链仿真中，输入到节点的 PTP 和 SyncE 是前一个节点的相应输出。假定链中所有 T-BC 的本地振荡器行为相同。

本地振荡器随时间的频率趋势测量用于计算与理想时钟的频率误差。该频率误差被积分以计算时间误差。然后，将本地振荡器对 T-BC 输出的贡献模型应用于时间误差，以模拟 T-BC 输出产生的时间误差。T-BC 被模拟为两个级联的锁相环 - SyncE 锁相环和 PTP 锁相环（见图 4）。SyncE 锁相环的输出是 PTP 锁相环的参考。

图 4：SyncE-PTP 锁相环级联

如图 3 所示，振荡器时间误差到 SyncE 输出的传递函数近似为带宽等于 SyncE 带宽的高通滤波器。SyncE 输入时间误差到 SyncE 输出时间误差的传递函数近似为具有相同带宽的低通滤波器。SyncE 可以被视为 T-BC 的 PTP 模块的本地振荡器。为了对 PTP 锁相环进行建模，使用与 SyncE 锁相环相同的概念：对于本地振荡器贡献（SyncE 输出）为高通传递函数，对于 PTP 输入贡献为低通传递函数。

3、本地振荡器频率变化的模拟

使用时间误差模拟器软件可以模拟各种因素对本地振荡器时间误差的影响。这些因素包括：

1. 温度变化 

2. 振荡器的漂移 

3. 每日老化 

在典型情况下，对所有这些因素的综合影响进行模拟以应对实际情况。但也可以分别模拟每个因素的影响。图 5 展示了上述每个不同因素的模拟模型。

图 5：振荡器时间误差影响因素的模拟模型 

代表每个影响因素的随时间变化的频率趋势相加，以计算总的频率变化。然后，对其进行积分以计算时间误差。时间误差通过高通滤波器进行滤波，以表示系统对本地振荡器不稳定性的响应。以下各节将更详细地讨论每个因素的输入数据模型。

 3.1、温度变化

温度变化影响的模拟需要两个输入：

1. 所关注的振荡器的频率随温度特性 

2. 模拟期间代表温度变化的时间温度曲线 

图 6 展示了温度变化模拟模型的框图。

图6：温度变化影响模拟模型

振荡器的频率随温度数据用高阶多项式建模。该多项式用于根据温度曲线数据计算随时间变化的频率行为。所得的随时间变化的频率特性是环境温度的影响，必须与其他因素一起考虑（图 5）。