傳輸時(shí)鐘同步技術(shù)分析論文

1、傳輸時(shí)鐘同步技術(shù)分析論文同步模塊是每個(gè)系統(tǒng)的心臟，它為系統(tǒng)中的其他每個(gè)模塊饋送正確的時(shí)鐘信號。因此需要對同步模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)給予特別關(guān)注。本文對影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘特性進(jìn)行了考察，并對信號惡化的原因進(jìn)行了評估。本文還分析了同步惡化的影響，并對標(biāo)準(zhǔn)化組織為確保傳輸質(zhì)量和各種傳輸設(shè)備的互操作性而制定的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了探討。 摘要： 網(wǎng)絡(luò)同步和時(shí)鐘產(chǎn)生是高速傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面。為了通過降低發(fā)射和接收錯(cuò)誤來提高網(wǎng)絡(luò)效率，必須使系統(tǒng)的各個(gè)階段都要使用的時(shí)鐘的質(zhì)量保持特定的等級。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義同步網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及其在標(biāo)準(zhǔn)接口上的預(yù)期性能，以保證傳輸質(zhì)量和傳輸設(shè)備的無縫集成。有大量的同步問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在建

2、立系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)時(shí)必須十分清楚。本文論述了時(shí)鐘惡化的各種來源，如抖動(dòng)和漂移。本文還討論了傳輸系統(tǒng)中時(shí)鐘惡化的原因和影響，并分析了標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了各種實(shí)現(xiàn)技巧。 基本概念：抖動(dòng)和漂移 抖動(dòng)的一般定義可以是“一個(gè)事件對其理想出現(xiàn)的短暫偏離”。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，抖動(dòng)被定義為數(shù)字信號的重要時(shí)刻在時(shí)間上偏離其理想位置的短暫變動(dòng)。重要時(shí)刻可以是一個(gè)周期為T1的位流的最佳采樣時(shí)刻。雖然希望各個(gè)位在T的整數(shù)倍位置出現(xiàn)，但實(shí)際上會(huì)有所不同。這種脈沖位置調(diào)制被認(rèn)為是一種抖動(dòng)。這也被稱為數(shù)字信號的相位噪聲。在下圖中，實(shí)際信號邊沿在理想信號邊沿附近作周期性移動(dòng)，演示了周期性抖動(dòng)的概念。 圖1.抖動(dòng)示意 抖動(dòng)，不同于相位

3、噪聲，它以單位間隔(UI)為單位來表示。一個(gè)單位間隔相當(dāng)于一個(gè)信號周期(T)，等于360度。假設(shè)事件為E，第n次出現(xiàn)表示為tEn。則瞬時(shí)抖動(dòng)可以表示為： 一組包括N個(gè)抖動(dòng)測量的峰到峰抖動(dòng)值使用最小和最大瞬時(shí)抖動(dòng)測量計(jì)算如下： 漂移是低頻抖動(dòng)。兩者之間的典型劃分點(diǎn)為10Hz。抖動(dòng)和漂移所導(dǎo)致的影響會(huì)顯現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)的不同但特定的區(qū)域。 抖動(dòng)類型 根據(jù)產(chǎn)生原因，抖動(dòng)可分成兩種主要類型：隨機(jī)抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)。隨機(jī)抖動(dòng)，正如其名，是不可預(yù)測的，由隨機(jī)的噪聲影響如熱噪聲等引起。隨機(jī)抖動(dòng)通常發(fā)生在數(shù)字信號的邊沿轉(zhuǎn)換期間，造成隨機(jī)的區(qū)間交叉。毫無疑問，隨機(jī)抖動(dòng)具有高斯概率密度函數(shù)(PDF)，由其均值()和均方

4、根值(rms)()決定。由于高斯函數(shù)的尾在均值的兩側(cè)無限延伸，瞬時(shí)抖動(dòng)和峰到峰抖動(dòng)可以是無限值。因此隨機(jī)抖動(dòng)通常采用其均方根值來表示和測量。 圖2.以高斯概率密度函數(shù)表示的隨機(jī)抖動(dòng) 對抖動(dòng)余量來講，峰到峰抖動(dòng)比均方根抖動(dòng)更為有用，因此需要把隨機(jī)抖動(dòng)的均方根值轉(zhuǎn)換成峰到峰值。為將均方根抖動(dòng)轉(zhuǎn)換成峰到峰抖動(dòng)，定義了隨機(jī)抖動(dòng)高斯函數(shù)的任意極限(arbitrarylimit)。誤碼率(BER)是這種轉(zhuǎn)換中的一個(gè)有用參數(shù)，其假設(shè)高斯函數(shù)中的瞬時(shí)抖動(dòng)一旦落在其強(qiáng)制極限之外即出現(xiàn)誤碼。通過下面兩個(gè)公式，就可以得到均方根抖動(dòng)到峰到峰抖動(dòng)的換算。3 由公式可得到下表，表中峰到峰抖動(dòng)對應(yīng)不同的BER值。 確定性抖

5、動(dòng)是有界的，因此可以預(yù)測，且具有確定的幅度極限?？紤]集成電路(IC)系統(tǒng)，有大量的工藝、器件和系統(tǒng)級因素將會(huì)影響確定性抖動(dòng)。占空比失真(DCD)和脈沖寬度失真(PWD)會(huì)造成數(shù)字信號的失真，使過零區(qū)間偏離理想位置，向上或向下移動(dòng)。這些失真通常是由信號的上升沿和下降沿之間時(shí)序不同而造成。如果非平衡系統(tǒng)中存在地電位漂移、差分輸入之間存在電壓偏移、信號的上升和下降時(shí)間出現(xiàn)變化等，也可能造成這種失真。 圖3，總抖動(dòng)的雙模表示 數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)(DDJ)和符號間干擾(ISI)致使信號具有不同的過零區(qū)間電平，導(dǎo)致每種唯一的位型出現(xiàn)不同的信號轉(zhuǎn)換。這也稱為模式相關(guān)抖動(dòng)(PDJ)。信號路徑的低頻截止點(diǎn)和高頻帶寬將

6、影響DDJ。當(dāng)信號路徑的帶寬可與信號的帶寬進(jìn)行比較時(shí)，位就會(huì)延伸到相鄰位時(shí)間內(nèi)，造成符號間干擾(ISI)。低頻截止點(diǎn)會(huì)使低頻器件的信號出現(xiàn)失真，而系統(tǒng)的高頻帶寬限制將使高頻器件性能下降。7 正弦抖動(dòng)以正弦模式調(diào)制信號邊沿。這可能是由于供給整個(gè)系統(tǒng)的電源或者甚至系統(tǒng)中的其他振蕩造成。接地反彈和其他電源變動(dòng)也可能造成正弦抖動(dòng)。正弦抖動(dòng)廣泛用于抖動(dòng)環(huán)境的測試和仿真。不相關(guān)抖動(dòng)可能由電源噪聲或串?dāng)_和其他電磁干擾造成。 考慮抖動(dòng)對數(shù)字信號的影響時(shí)，需要將整個(gè)確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)考慮在內(nèi)。確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)的總計(jì)結(jié)果將產(chǎn)生另外一種概率分布4：雙模響應(yīng)，其中部表示確定性抖動(dòng)，尾部為高斯響應(yīng)，表示隨機(jī)抖動(dòng)分

7、量。 抖動(dòng)測量TIE、MITE和TEDV 時(shí)間間隔誤差(TIE)是通過對實(shí)際時(shí)鐘間隔的測量和對理想?yún)⒖紩r(shí)鐘同一間隔的測量得到的。在給定時(shí)間t，以一個(gè)稱為觀測間隔的時(shí)間間隔產(chǎn)生時(shí)間T(t)的時(shí)鐘，其相對于時(shí)鐘Tref(t)的TIE可通過下面公式表示。（x(t)稱為誤差函數(shù)。） TIE表示信號中的高頻相位噪聲，提供了實(shí)際時(shí)鐘的每個(gè)周期偏離理想情況的直接信息。TIE用于計(jì)算大量統(tǒng)計(jì)派生函數(shù)如MTIE、TDEV等。 最大時(shí)間間隔誤差(MTIE)定義為，在一個(gè)觀測時(shí)間(t=nt0)內(nèi)，一個(gè)給定時(shí)鐘信號相對于一個(gè)理想時(shí)鐘信號的最大峰到峰延遲變化，其中該長度的所有觀測時(shí)間均在測量周期(T)之內(nèi)。使用下面公式

8、進(jìn)行估計(jì)： MTIE是針對時(shí)間的緩變或漂移而定義的。當(dāng)需要分析時(shí)鐘的長期特性時(shí)，就需要對MTIE進(jìn)行測量。MTIE值是對一個(gè)時(shí)鐘信號的長期穩(wěn)定性的一種衡量。 圖4.TIE的圖形表示 TDEV是另外一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，作為集成時(shí)間的函數(shù)對一個(gè)信號的預(yù)期時(shí)間變化的測量。DEV也能提供有關(guān)信號相位（時(shí)間）噪聲頻譜分量的信息。TIE圖中每個(gè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是對一個(gè)觀測間隔計(jì)算的，該觀測間隔滑過整個(gè)測量時(shí)間。該值在整個(gè)上述測量時(shí)間內(nèi)進(jìn)行平均以得到該特定間隔的TDEV值。增大觀測間隔，重復(fù)測量過程。TDEV是對短期穩(wěn)定性的一種衡量，在評估時(shí)鐘振蕩器性能時(shí)有用。TDEV屬于時(shí)間單位。 高速傳輸系統(tǒng)中抖動(dòng)和漂移的原因

9、最常用的一種時(shí)鐘體系結(jié)構(gòu)是，在備板上運(yùn)行一個(gè)低頻時(shí)鐘，在每個(gè)傳輸卡上產(chǎn)生同步的高頻時(shí)鐘。低頻時(shí)鐘在集成電路內(nèi)或通過分立PLL實(shí)現(xiàn)進(jìn)行倍頻以產(chǎn)生高頻時(shí)鐘。通過典型的PLL倍頻，倍頻后時(shí)鐘上的相位噪聲增大為原來時(shí)鐘相位噪聲的20*log(N)次方，其中N為倍頻系數(shù)。此外，PLL參考時(shí)鐘輸入上的抖動(dòng)將延長鎖定時(shí)間，且當(dāng)輸入抖動(dòng)過大時(shí)高速PLL甚至無法實(shí)現(xiàn)鎖定。在備板上采用一種更高速的差分時(shí)鐘將比采用低速單端時(shí)鐘具有更好的抖動(dòng)性能。 由于VCO對輸入電壓變化較為敏感，因此電源噪聲是增大時(shí)鐘抖動(dòng)的一個(gè)主要因素。輸出時(shí)鐘抖動(dòng)幅度與電源噪聲幅度、VCO增益成正比，與噪聲頻率成反比。因?qū)Ь€電阻形成的電阻下降和

10、因?qū)Ь€電感形成的電感噪聲而造成的電源或接地反彈，會(huì)對上述輸出時(shí)鐘抖動(dòng)產(chǎn)生相似的影響。在系統(tǒng)板上對電源進(jìn)行充分過濾，靠近集成電路電源引腳提供去耦電容，可以確保PLL獲得更高的抖動(dòng)性能。 在系統(tǒng)板內(nèi)，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，發(fā)射和接收端在啟動(dòng)、保持和延遲時(shí)間方面的變化對高速率非常關(guān)鍵。因數(shù)據(jù)和時(shí)鐘路徑中存在不同有源元件而使數(shù)據(jù)和時(shí)鐘路徑之間出現(xiàn)傳播延遲差異，時(shí)鐘路徑之間的接線延遲差異，數(shù)據(jù)位之間的接線延遲差異，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘路徑之間不同的負(fù)載情況，分組長度差異等等，均可能造成上述變化。在規(guī)劃系統(tǒng)抖動(dòng)余量時(shí)，必須將不同信號路徑的變化考慮在內(nèi)。 當(dāng)在一段距離上進(jìn)行傳輸時(shí)，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的很多點(diǎn)上存在抖動(dòng)累

11、積。在發(fā)射機(jī)物理層實(shí)現(xiàn)中，DAC非線性或激光非線性等非線性特性會(huì)加重信號失真。在傳輸介質(zhì)和接收機(jī)中，除了外部亂真源（大多在銅導(dǎo)線中）之外，因不同頻率和調(diào)制效應(yīng)而導(dǎo)致的光纖失真、因接收機(jī)實(shí)現(xiàn)（主要與帶寬有關(guān)）和時(shí)鐘提取電路實(shí)現(xiàn)而導(dǎo)致的信號相關(guān)相位偏離，會(huì)加重信號流的抖動(dòng)。 圖5.來自TIE圖的MTIE偏差 具體到SDH（同步數(shù)字系列）傳輸，有大量的系統(tǒng)級事件會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)。在將PDH（準(zhǔn)同步數(shù)字系列）支路映射為SDH幀并通過SDHNE（網(wǎng)絡(luò)組件）進(jìn)行傳輸?shù)牡湫蛡鬏斚到y(tǒng)中，在PDH支路于SDH的終端多路分配器解映射之前，將在每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)VC（虛擬容器）的重新同步。有間隙的時(shí)鐘用于將各個(gè)支路映射到

12、STM-N幀和從STM-N幀解映射，發(fā)出與開銷、固定填充和調(diào)整位相應(yīng)的脈沖，因而造成映射抖動(dòng)。采用調(diào)整機(jī)會(huì)位補(bǔ)償PDF支路中頻率偏移的方法會(huì)造成等待時(shí)間抖動(dòng)。還有指針調(diào)整機(jī)制，用于對來自初始NE的輸入VC與本地產(chǎn)生的輸出STM-N幀之間的相位波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)頻率偏離，VC在STM-N幀中前后移動(dòng)。這將使VC提取點(diǎn)看到位流中的突然變化，導(dǎo)致稱為指針抖動(dòng)的類型抖動(dòng)。所有上述系統(tǒng)級抖動(dòng)都將加重總的確定性抖動(dòng)。 盡管所有上述因素都會(huì)加重從源到目的地之間信號傳播的抖動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)要求仍然規(guī)定在傳輸點(diǎn)需具有比理論值更低的抖動(dòng)數(shù)值。這樣，考慮到時(shí)鐘倍頻、電源變化、電-光-電轉(zhuǎn)換、發(fā)射和接收影響以及其他致使實(shí)際信

13、號惡化的失真信號的影響，在源處驅(qū)動(dòng)信號的時(shí)鐘將具有一個(gè)相對很低的抖動(dòng)數(shù)值。 抖動(dòng)對收發(fā)器的影響 理想情況下，數(shù)字信號是在兩個(gè)相鄰電平轉(zhuǎn)換點(diǎn)的中點(diǎn)進(jìn)行采樣的。抖動(dòng)之所以會(huì)造成誤碼，是由于相對于理想中點(diǎn)，它改變了信號的邊沿轉(zhuǎn)換點(diǎn)。誤碼可能由于信號流邊沿變化太晚（在時(shí)間上比理想中點(diǎn)晚0.5UI（單位間隔相當(dāng)于信號的一個(gè)周期）或太早（在時(shí)間上比理想中點(diǎn)早0.5UI）所致。當(dāng)時(shí)鐘采樣邊沿在信號流的任何一側(cè)錯(cuò)過0.5UI時(shí)，將出現(xiàn)50%的誤碼概率，假設(shè)平均轉(zhuǎn)換密度為0.5。7如果分別知道確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)，可通過上述兩個(gè)數(shù)字和將峰到峰抖動(dòng)值與均方根抖動(dòng)值聯(lián)系在一起的表，來估計(jì)誤碼率。校準(zhǔn)抖動(dòng)，定義為數(shù)字

14、信號的最佳采樣時(shí)刻與從其提取出來的采樣時(shí)鐘之間的短期變化，可以造成上述誤碼。對于商業(yè)應(yīng)用，源時(shí)鐘和源發(fā)射接口抖動(dòng)規(guī)范將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1UI。 發(fā)射接口抖動(dòng)規(guī)范通常與接收端的輸入抖動(dòng)容限相匹配。對于抖動(dòng)測量回路濾波器截止頻率，尤其如此。例如，在SDH系統(tǒng)中，有兩種抖動(dòng)測量帶寬，分別規(guī)定：一個(gè)用于寬帶測量濾波器（f1到f4），一個(gè)用于高頻帶測量濾波器（f3到f4）。數(shù)值f1指可在線路系統(tǒng)的PLL中使用的輸出時(shí)鐘信號的最窄時(shí)鐘截止頻率。低于此帶寬的頻率的抖動(dòng)將通過系統(tǒng)，而較高頻率的抖動(dòng)則被部分吸收。數(shù)值f3表示輸入時(shí)鐘捕獲電路的帶寬。高于此頻率的抖動(dòng)將導(dǎo)致校準(zhǔn)抖動(dòng)。校準(zhǔn)抖動(dòng)造成光功率損失，需要額外光功率以

15、防各種惡化。因此限制發(fā)射機(jī)端高頻帶頻譜的抖動(dòng)十分重要。 漂移對收發(fā)器的影響 市場上銷售的大多數(shù)電信接收機(jī)都使用了一個(gè)緩沖器，以適應(yīng)線路信號中存在的隨機(jī)波動(dòng)。下面框圖6詳細(xì)表示出這一概念?；謴?fù)時(shí)鐘將數(shù)據(jù)送入富有彈性的緩沖器，而系統(tǒng)時(shí)鐘則將數(shù)據(jù)送出到設(shè)備的核心部位。 在準(zhǔn)同步傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作在相互獨(dú)立而又極為接近的頻率上，fL和Fs分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻率。當(dāng)兩者之間存在相位或頻率差異時(shí)，彈性存儲(chǔ)會(huì)將其消除，否則緩沖器將出現(xiàn)欠載或溢出（取決于差異的幅度和彈性緩沖器的大?。?，造成一次可控的幀滑動(dòng)（基本速率傳輸）或一次位調(diào)整（高階異步多路復(fù)用器）。 在準(zhǔn)同步應(yīng)用中，根據(jù)可接受的緩沖滑

16、動(dòng)對頻率變化和緩沖器深度進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。最初的網(wǎng)絡(luò)主要用于語音傳輸，在一定的頻率門限之下不會(huì)造成語音質(zhì)量下降。ITU-T規(guī)范規(guī)定該變化為+/-50ppm。但是隨著網(wǎng)絡(luò)開始傳送壓縮語音、傳真格式的數(shù)據(jù)、視頻以及其他種類的媒體應(yīng)用，對于差錯(cuò)和重傳以及剛剛興起的同步網(wǎng)絡(luò)，滑動(dòng)使效率嚴(yán)重下降。 在同步傳輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)時(shí)鐘通常同步到用于接收更高時(shí)鐘等級信號的接口的恢復(fù)時(shí)鐘上?；謴?fù)時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘之間相位和頻率的瞬時(shí)和累積差異將被彈性緩沖器吸收，否則將導(dǎo)致彈性存儲(chǔ)器溢出/欠載（取決于緩沖器大小和變化的幅度），造成指針調(diào)整而延遲或提前幀傳輸、幀滑動(dòng)或系統(tǒng)中某處出現(xiàn)位調(diào)整。 在同步系統(tǒng)中，所有網(wǎng)絡(luò)組件工作在同一平

17、均頻率，可以通過指針機(jī)制消除幀惡化。這些指針機(jī)制將提前或延遲有效載荷在傳輸幀中的位置，從而調(diào)整接收和系統(tǒng)時(shí)鐘中存在的頻率和相位變化。SDH收發(fā)器中的緩沖器比PDH收發(fā)器中的要小，而且對于SDH系統(tǒng)中可能導(dǎo)致的指針移動(dòng)等不規(guī)則性有限制。因此，與PDH系統(tǒng)相比，同步系統(tǒng)的要求更為嚴(yán)格。由于網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的歷史和不同網(wǎng)絡(luò)之間的互操作連接，在某些階段或其他階段，這些同步網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過準(zhǔn)同步網(wǎng)絡(luò)來連接。因此PDH網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘體系結(jié)構(gòu)也要考慮在內(nèi)。 MTIE提供了時(shí)鐘相對于已知理想?yún)⒖紩r(shí)鐘的峰值時(shí)間變化。在同步傳輸和交換設(shè)備的彈性緩沖器的設(shè)計(jì)中將用到MTIE值。在彈性存儲(chǔ)中，緩沖器填充水平與輸入數(shù)字信號和本地系統(tǒng)時(shí)鐘

18、之間的TIE成正比。確保時(shí)鐘符合有關(guān)MTIE的時(shí)鐘規(guī)范，將保證不會(huì)超過一定的緩沖器門限。因此，在緩沖器設(shè)計(jì)中，其大小取決于MTIE的規(guī)定極限。 圖6，典型傳輸系統(tǒng)的接收機(jī)接口 系統(tǒng)時(shí)鐘輸出相位擾動(dòng)對收發(fā)器的影響 一個(gè)時(shí)鐘的輸出相位變化可以通過分析其MTIE信息獲得。漂移產(chǎn)生（在自由振蕩模式和同步模式中）主要指系統(tǒng)中所用時(shí)鐘振蕩器的長期穩(wěn)定性，在自由振蕩模式中系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅受振蕩器的穩(wěn)定性影響。除了漂移產(chǎn)生之外，輸出時(shí)鐘相位還受到大量系統(tǒng)不規(guī)則特性的影響。 特別是對一個(gè)系統(tǒng)同步器而言，將參考源從一個(gè)不良或惡化參考時(shí)鐘轉(zhuǎn)換到一個(gè)正常參考時(shí)鐘可能會(huì)導(dǎo)致輸出相位擾動(dòng)。傳輸用高速PLL中使用的傳統(tǒng)VCO（壓控振蕩器）在改變參考時(shí)鐘時(shí)采用了切換電容器組的方法。這種切換轉(zhuǎn)換會(huì)對輸出時(shí)鐘造成暫時(shí)的相位偏移。采用超低抖動(dòng)時(shí)鐘倍頻器電路可以解決這個(gè)問題。 高性能網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘在系統(tǒng)的所有參考時(shí)鐘都失去時(shí)采用一種稱為“保持”的機(jī)制。這是通過記憶存儲(chǔ)技術(shù)