同步技術(shù)基礎(chǔ)參考模板

1、資料編碼產(chǎn)品名稱使用對(duì)象產(chǎn)品版本V2.0編寫部門光網(wǎng)絡(luò)支持部資料版本V1.1同步技術(shù)基礎(chǔ)擬 制：日 期：1998-11審 核：日 期：審 核：日 期：批 準(zhǔn)：日 期：華 為 技 術(shù) 有 限 公 司版權(quán)所有 侵權(quán)必究1 / 40修 訂 記 錄日 期修訂版本作 者描 述目錄1.1同步的重要性51.1.1同步與異步51.1.2同步與數(shù)字交換61.1.3同步與數(shù)字傳輸71.1.4同步與滑動(dòng)緩沖器91.1.5滑動(dòng)產(chǎn)生的影響101.1.6滑動(dòng)性能指標(biāo)111.2鎖相與頻率合成131.2.1鎖相環(huán)原理131.2.2鎖相環(huán)種類151.2.3頻率合成器161.2.4主要技術(shù)指標(biāo)201.3時(shí)鐘原理211.3.1時(shí)鐘

2、原理211.3.2原子鐘211.3.3晶體鐘231.3.4GPS鐘241.3.5性能對(duì)比261.3.6BITS271.4時(shí)鐘術(shù)語(yǔ)29關(guān)鍵詞：同步，同步網(wǎng)，時(shí)鐘摘 要：本文檔描述了同步網(wǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)，內(nèi)容包括同步的概念、同步的重要性和時(shí)鐘原理?？s略語(yǔ)清單：無(wú)參考資料清單：無(wú)數(shù)字同步基礎(chǔ)1.1 同步的重要性1.1.1 同步與異步數(shù)字通信是數(shù)字信息從發(fā)送器向接收器傳送的過(guò)程。發(fā)送器周期性地發(fā)送每位數(shù)據(jù)，接收器在接收到該數(shù)據(jù)的半個(gè)周期時(shí)刻進(jìn)行采樣并判決其值，以恢復(fù)原數(shù)據(jù)，這種信息收發(fā)的位同步非常必要，影響這種協(xié)調(diào)的方式有同步和異步而二種。圖1-1 異步方式發(fā)送的字符v 異步方式異步方式的工作過(guò)程如下:

3、發(fā)送端先將欲要發(fā)送的信息分成一個(gè)一個(gè)的字符，對(duì)每個(gè)字符在發(fā)送前又進(jìn)行包裝，在每個(gè)字符前端插入起始位、末端插入停止位，構(gòu)成10bit /字符的結(jié)構(gòu)發(fā)送出去，如圖1-1所示。接收端處在隨時(shí)接收數(shù)據(jù)的等待狀態(tài)，一旦收到啟始位即受到提醒進(jìn)入短時(shí)間的收發(fā)同步狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行該字符數(shù)據(jù)的接收，在收到停止位時(shí)，能確認(rèn)字符接收完畢，并準(zhǔn)備下一個(gè)字符的接收?？梢?jiàn)它是隨機(jī)的字符發(fā)送方式，要求收發(fā)時(shí)鐘頻率大體相同才能保證有效接收。因此速率低、數(shù)據(jù)少、隨機(jī)數(shù)據(jù)通信（如鍵盤、鼠標(biāo)、遠(yuǎn)程終端）等通信場(chǎng)合使用。RS232C即是廣泛采用的一種異步接口標(biāo)準(zhǔn)。v 同步方式同步方式的工作過(guò)程則不同，它是將要發(fā)送的字符數(shù)據(jù)集中批量發(fā)送

4、，省去了所以字符前的起止位的提醒，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。在電信網(wǎng)中應(yīng)包含了4個(gè)層次上的同步：（1）位同步 （2）幀同步 （3）時(shí)隙同步（4）網(wǎng)同步。它要求發(fā)送端和接收端有一致的時(shí)鐘信號(hào)，既要同頻也要同相。圖12 為幀同步與異步方式的時(shí)序構(gòu)對(duì)比示結(jié)意圖。圖1異步同步傳輸數(shù)據(jù)流對(duì)比可以看出：在同步方式下，作為額外開(kāi)銷的同步字符，不隨發(fā)送信息的多少而改變，在大量數(shù)據(jù)傳送時(shí)，能有很高的效率。譬如，在發(fā)單個(gè)數(shù)據(jù)字符，每塊同步損耗達(dá)200，可在發(fā)送512個(gè)數(shù)據(jù)字符塊時(shí)，則同步損耗僅占0.39%，有非常高的傳送效率，因而同步方式在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)數(shù)字通信中有更為廣泛的應(yīng)用。而異步方式更適合于終端、繪圖儀

5、、調(diào)制解調(diào)器等低速信息傳遞。v 同步傳送 通常時(shí)鐘信號(hào)的獲得來(lái)自二種途徑：其一是采用時(shí)鐘專線，即將發(fā)送端時(shí)鐘直接傳送給接收端同步使用；其二是借助鎖相環(huán)，利用發(fā)送端傳送的信息流中的時(shí)鐘頻率、相位信息，進(jìn)行同步時(shí)鐘提取、恢復(fù)再使用。有的是從從業(yè)務(wù)碼流中提取時(shí)鐘定時(shí)，有的是利用專用載波信號(hào)來(lái)提取同步定時(shí)。直接使用專用定時(shí)的情況主要是在小系統(tǒng)的情況。由于接收端始終與發(fā)送端保持同步狀態(tài)，信息的傳送就省缺了每個(gè)字符前的同步提醒，從而能將信息以數(shù)據(jù)塊（幀）的方式，高速傳遞。同步方式是現(xiàn)在數(shù)字通信的主要方式，同步技術(shù)的深入研究也已成為數(shù)字通信系統(tǒng)不可分割的部分。就通信網(wǎng)看，同步在通信設(shè)備中如何保證，又對(duì)通信質(zhì)

6、量有何影響呢？以下就典型的數(shù)字交換機(jī)和數(shù)字傳輸設(shè)備來(lái)進(jìn)行分析。1.1.2 同步與數(shù)字交換數(shù)字交換機(jī)是通信網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的信息交換功能，信息才能在通信網(wǎng)中四通八達(dá)。而作為被傳送和交換的數(shù)字信息則是以時(shí)分復(fù)用的方式構(gòu)成的。其交換方法是數(shù)字交換機(jī)將收到的數(shù)字信息以一種順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器，以另一種順序從存儲(chǔ)器讀出后傳送，因此節(jié)點(diǎn)處的信息交換實(shí)質(zhì)是數(shù)字信息序列的時(shí)隙交換，如圖1-3所示。圖1-3時(shí)隙交換的兩種方式因此，數(shù)字交換機(jī)通過(guò)對(duì)輸入數(shù)字信號(hào)中的時(shí)隙作重新安排實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信息交換，所以在信號(hào)進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)之前，需要具備時(shí)隙交換的條件如下：(1)參加交換的數(shù)字信號(hào)的幀要在時(shí)間上對(duì)齊，即各路信號(hào)的幀要

7、同步；(2)各路信號(hào)的碼率都要以交換設(shè)備的時(shí)鐘速率為準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換為相同碼率，使時(shí)隙具有相同的速率。但參加交換的信號(hào)可能來(lái)自不同的交換節(jié)點(diǎn)和傳輸設(shè)備，到達(dá)時(shí)間不可能相同，信號(hào)的碼率也可能與本地時(shí)鐘不同步，這就需要通過(guò)幀緩沖器進(jìn)行幀同步及比特同步。當(dāng)外來(lái)信號(hào)與交換設(shè)備內(nèi)的時(shí)鐘頻率有差異時(shí)，則在進(jìn)行比特同步時(shí)將產(chǎn)生滑動(dòng)（詳見(jiàn)1.1.4節(jié)），滑動(dòng)將使信號(hào)受到損傷，影響通信質(zhì)量。1.1.3 同步與數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸系統(tǒng)是對(duì)編碼的數(shù)字信息以時(shí)分復(fù)用方式傳送的?，F(xiàn)在通信網(wǎng)中使用的時(shí)分多路復(fù)用傳輸系統(tǒng)主要有兩類：即準(zhǔn)同步數(shù)字系列（PDH）和同步數(shù)字系列（SDH）。v PDH 中的同步PDH的復(fù)用是逐級(jí)進(jìn)行的。因?yàn)楸?/p>

8、復(fù)接的支路信號(hào)可能來(lái)自不同方向，各支路信號(hào)的碼率和到達(dá)時(shí)間不可能完全相同，因此在進(jìn)行復(fù)接前各支路的碼率應(yīng)調(diào)至相等，并把劃分比特流段落的幀同步碼對(duì)齊，即碼率和幀同碼都要同步。為達(dá)到此目的，就要使用碼速調(diào)整技術(shù)。碼速調(diào)整（一般用正向碼速調(diào)整）的原理是把參與復(fù)接的低次群的準(zhǔn)同步碼流調(diào)整到一個(gè)較高的碼率，其中增加了幀同步碼、業(yè)務(wù)碼、插入碼及插入標(biāo)志等。例如PCM一次群在碼速調(diào)整過(guò)程中將碼率由2.048Mbit/s提高到2.11Mbit/s，使各參與復(fù)接的支路信號(hào)碼率達(dá)到同步，然后才進(jìn)行復(fù)接；復(fù)接后的高次群碼流傳送到收信端，先進(jìn)行幀同步碼檢出，在實(shí)現(xiàn)幀同步后再進(jìn)行分接，分接后的各支路再經(jīng)碼速恢復(fù)單元，將

9、各支路信號(hào)恢復(fù)為與原輸入碼率相等的準(zhǔn)同步碼流。因此可將PDH傳輸系統(tǒng)可看作是“透明”的，即收信端的信號(hào)碼率與發(fā)信端的碼率相等。但在進(jìn)行碼速調(diào)整時(shí)有比特位插入操作，在收信端恢復(fù)碼速時(shí)，要有刪除被插入的比特操作，因此信號(hào)將受到損傷，即信號(hào)增加了抖動(dòng)成分。抖動(dòng)給通信帶來(lái)不良影響，但在PDH傳輸系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行復(fù)接同步時(shí)，用插入比特的方法產(chǎn)生的抖動(dòng)無(wú)法完全消除，所以這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的的同步方法并不理想。v SDH中的同步SDH是用于光纜傳輸?shù)耐綌?shù)字系列，是一整套可以進(jìn)行同步數(shù)字傳輸、復(fù)用和交叉連接的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字傳送結(jié)構(gòu)系列，用于在物理傳輸網(wǎng)（主要是光纜網(wǎng)）上傳送經(jīng)適配的凈負(fù)荷，如圖1-4所示。同步傳送模塊（ST

10、M1）是SDH的基礎(chǔ)速率，高速率信號(hào)都是由N個(gè)STM1復(fù)用至STMN得到的。從STM1信號(hào)變成STMN信號(hào)不再有開(kāi)銷或其它處理，所以STM1是最基本的信息模塊。它由信息凈負(fù)荷（payload）、段開(kāi)銷（SDH Section Over head）、虛容器（Value Container）及管理單元（Administer Unit）指針構(gòu)成，SDH的凈荷映射方式有幾種，異步映射、浮動(dòng)字節(jié)同步映射、鎖定字節(jié)同步映射、比特同步映射。異步映射最為流行，它使用插入比特來(lái)調(diào)節(jié)定時(shí)誤差。圖1-4 SDH同步傳送模塊結(jié)構(gòu)E1信號(hào)首先映射進(jìn)虛容器低速VC，VC中含有凈荷及開(kāi)銷信息，然后再映射進(jìn)一個(gè)高速虛容器，它

11、可用于載運(yùn)E3信號(hào)，其中也有自己的開(kāi)銷，然后高速VC映射進(jìn)STM1的AU信號(hào)中。通常映射中使用異步影射方式來(lái)避免SDH單元間頻差引起滑動(dòng)，在此異步影響射中，先利用插入比特方法調(diào)節(jié)SDH與外來(lái)業(yè)務(wù)信息流的定時(shí)差，進(jìn)而用凈荷指針來(lái)指出VC幀的開(kāi)始位置，這樣SDH單元間的頻差不會(huì)引起幀滑碼，也無(wú)需對(duì)業(yè)務(wù)信號(hào)重定時(shí)（Timing），SDH系統(tǒng)內(nèi)各網(wǎng)元如復(fù)用器、分插復(fù)用器（ADM）及數(shù)字交叉連接設(shè)備（DXC）之間的頻率差是靠?jī)艉烧{(diào)節(jié)指針值來(lái)修正的。如果發(fā)送時(shí)鐘比接收時(shí)鐘快，接收端將引入一個(gè)負(fù)指針調(diào)整，凈荷向前移動(dòng)一個(gè)字節(jié)（8比特），反之，如果發(fā)送時(shí)鐘比接收時(shí)鐘慢，接收端將引入一個(gè)正指針調(diào)整，凈荷向后移動(dòng)

12、一個(gè)字節(jié)（8比特），所以同步不良將引起SDH傳輸鏈路不同的網(wǎng)元間凈荷指針頻繁調(diào)整，因?yàn)镾DH系列是以字節(jié)為單位進(jìn)行復(fù)接的，指針調(diào)節(jié)是把凈負(fù)荷起始點(diǎn)向前或向后移動(dòng)與幀相關(guān)的一個(gè)字節(jié)，它的頻率很低，雖構(gòu)不成抖動(dòng)干擾，但是為起漂移干擾，一次指針調(diào)節(jié)引起的影響可能不超出網(wǎng)絡(luò)接口所規(guī)定的指標(biāo)，但當(dāng)指針的調(diào)節(jié)的速率不能受控制時(shí)將使漂移頻繁地出現(xiàn)、積累并超時(shí)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的規(guī)定指標(biāo)時(shí)，將引起凈負(fù)荷出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此在SDH系統(tǒng)中的網(wǎng)元內(nèi)時(shí)鐘也應(yīng)保持嚴(yán)格同步，同時(shí)也看到使用SDH業(yè)務(wù)來(lái)傳送定時(shí)信號(hào)會(huì)增加其漂移干擾，實(shí)不可取。1.1.4 同步與滑動(dòng)緩沖器數(shù)字交換機(jī)本質(zhì)上是采用時(shí)隙交換（Time Slot Intercha

13、nge）原理實(shí)現(xiàn)的，即將時(shí)隙的數(shù)字信息作重新安排完成的，這種時(shí)隙的重新安排要求時(shí)隙信息的形成和時(shí)隙信息交換有相同的速率。設(shè)想若所有的時(shí)隙切換由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制的話，就根本無(wú)需同步系統(tǒng)。然而數(shù)字交換機(jī)是通過(guò)各種各樣的數(shù)字傳輸系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái)，時(shí)隙往往是在某局產(chǎn)生出來(lái)，而在另外某局完成時(shí)隙交換，這就要求二部相距遙遠(yuǎn)的交換機(jī)有同步的工作時(shí)鐘，否則就無(wú)法完成正確的交換任務(wù)，產(chǎn)生不良后果。滑動(dòng)緩沖器是通訊設(shè)備里廣泛采用調(diào)整同步時(shí)鐘差異的有效措施之一。下面以典型的數(shù)字程控交換機(jī)為例來(lái)分析滑動(dòng)緩沖器功能和同步與滑動(dòng)的關(guān)系。從外部送來(lái)的信號(hào)在進(jìn)行時(shí)隙交換之前，需將其速率轉(zhuǎn)換為本地時(shí)鐘的速率，稱“再定時(shí)”，這通常采用端

14、接（終接）一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器的方法實(shí)現(xiàn)，原理說(shuō)明如圖1-5。圖1-5 滑動(dòng)緩沖器原理此緩沖器是一種“彈性存儲(chǔ)器”，它是在簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)器基礎(chǔ)上采用了獨(dú)立的讀、寫時(shí)鐘。其中寫時(shí)鐘是從外來(lái)的信息流中提取的，讀時(shí)鐘是來(lái)自本地系統(tǒng)時(shí)鐘。這個(gè)緩沖器的大小至少為1個(gè)PCM一次群幀長(zhǎng)度，典型為2個(gè)幀的長(zhǎng)度（2×256bit）。只要寫時(shí)鐘和讀時(shí)鐘有相同速率，緩沖器就不會(huì)上溢，也不會(huì)下溢。任何大于緩沖器長(zhǎng)度的相位變動(dòng)，或收發(fā)頻率偏差則將導(dǎo)致緩沖器信息的上溢或下溢。上溢使得一幀信息丟失，稱為幀丟失，下溢使得一幀信息被重發(fā)，稱為幀重發(fā)。這種幀信息的丟失或重發(fā)就稱為“幀滑動(dòng)”或“受控滑動(dòng)”。由于此滑動(dòng)緩沖器總是處于

15、PCM一次群終接的位置，幀信息在緩沖器之前已被提取，所以受控滑動(dòng)幀不會(huì)影響幀的結(jié)構(gòu)。由此看到幀緩沖器具有如下功能：用本地時(shí)鐘取代了外來(lái)信息流時(shí)鐘，交換（或傳輸）的數(shù)字信號(hào)與本地時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了位同步，并在一定程度上吸收了外來(lái)數(shù)字信號(hào)的相位抖動(dòng)或漂移。對(duì)來(lái)自不同地點(diǎn)的外部數(shù)據(jù)信息，幀定位信號(hào)存在不同延時(shí)，幀緩沖器進(jìn)行了一定的調(diào)整吸收，使幀定位信號(hào)實(shí)現(xiàn)了本地同步。外輸入信號(hào)與本地時(shí)鐘的頻率偏差被轉(zhuǎn)化為幀滑動(dòng)，但仍能保持幀同步。幀緩沖器在數(shù)字通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，滑動(dòng)是數(shù)字通信中主要的信息損傷源之一，隨著通訊向著大容量、高速率的發(fā)展，消除滑動(dòng)損傷越來(lái)越成為不容忽視的課題。1.1.5 滑動(dòng)產(chǎn)生的影響抖動(dòng)、

16、漂移和相位瞬變是產(chǎn)生滑動(dòng)損傷的主要根源。抖動(dòng)是指數(shù)字信號(hào)相對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生的短期相位變動(dòng)（指相位瞬變的頻率在10秒以上）。漂移是指數(shù)字信號(hào)相對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)（或稱理想）信號(hào)產(chǎn)生的長(zhǎng)期的相位變動(dòng)（指相位瞬變頻率小于10Hz）。相位瞬變則是指在在有限的時(shí)間內(nèi)有相當(dāng)大的相位跳變情況，超過(guò)了系統(tǒng)的忍受能力。抖動(dòng)以二種方式來(lái)影響數(shù)字業(yè)務(wù)，其一是使幀緩沖器上溢或下溢，其二是使外來(lái)的碼流抽樣錯(cuò)誤。因此，對(duì)時(shí)鐘的抖動(dòng)有一定的指標(biāo)要求。抖動(dòng)的產(chǎn)生有二個(gè)來(lái)源，重發(fā)器和復(fù)用器。重發(fā)器使用特殊電路來(lái)從數(shù)字信號(hào)中恢復(fù)定時(shí)信息，每個(gè)重發(fā)器都對(duì)整個(gè)抖動(dòng)產(chǎn)生作用。復(fù)用器則使用插入比特碼流的方法來(lái)緩沖低速信號(hào)流，而在刪除此比特碼流的操

17、作中也常來(lái)了抖動(dòng)。漂移則以如下二種方式來(lái)影響業(yè)務(wù)，幀滑動(dòng)和SDH中的指針調(diào)整。特別，外輸入?yún)⒖荚吹钠颇苡绊憰r(shí)鐘的保持性能，時(shí)鐘的精度是通過(guò)多個(gè)外參考的頻率的平均獲得的，漂移將使得這個(gè)精度降低。漂移的產(chǎn)生來(lái)自同步的時(shí)鐘，同步時(shí)鐘采用一些技術(shù)來(lái)鎖定它的基準(zhǔn)，由于控制手段的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的漂移。另外，環(huán)境溫度，傳輸線介質(zhì)，也能產(chǎn)生漂移。譬如Bellcore曾做過(guò)實(shí)驗(yàn)，在36攝氏度環(huán)境變化情況下，使用150英尺同軸電纜傳送2Mbit/s信號(hào)，將產(chǎn)生3.5ms(5.4UI)的漂移。這就是說(shuō)環(huán)境溫度的變化能夠產(chǎn)生時(shí)鐘相位的漂移，但多數(shù)情況漂移還是來(lái)自時(shí)鐘本身（SDH傳輸也是漂移產(chǎn)生的一個(gè)原因）。相位瞬

18、變時(shí)常出現(xiàn)在工作狀態(tài)重新安排的情況下，如參考源的切換，硬件保護(hù)切換，SDH中負(fù)荷信號(hào)的指針調(diào)整等，均可能超過(guò)限制，產(chǎn)生告警，進(jìn)入保護(hù)工作狀態(tài)，并產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。因此滑動(dòng)降低了通信質(zhì)量、可靠性，各種數(shù)字設(shè)備對(duì)時(shí)鐘同步的需求不同，滑動(dòng)產(chǎn)生的影響以也以信號(hào)運(yùn)載的業(yè)務(wù)不同而不同 。對(duì)一般話音業(yè)務(wù)。通常產(chǎn)生噪音，一次滑動(dòng)可能聽(tīng)不到或產(chǎn)生一次“喀達(dá)”聲，在滑動(dòng)速率很高時(shí)，才會(huì)感到話音業(yè)務(wù)的質(zhì)量降級(jí)。對(duì)于移動(dòng)通信話音，則產(chǎn)生中斷、阻塞或靜音現(xiàn)象，特別是采用CDMA、TDMA技術(shù)的GSM通信，隨著城市用戶數(shù)量的急劇增加，話音質(zhì)量將受到影響。對(duì)一般數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)是以包或塊的方式發(fā)送，一次滑動(dòng)產(chǎn)生一次丟包，

19、高層協(xié)議經(jīng)檢測(cè)要通過(guò)重發(fā)功能更正此包，顯然這樣將降低數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的質(zhì)量。對(duì)特殊加密數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，將使業(yè)務(wù)質(zhì)量大大降低，這是因?yàn)橐淮位瑒?dòng)就要求除了數(shù)據(jù)重發(fā)外，此數(shù)據(jù)的密鑰信息也要重發(fā)，這就大大降低了數(shù)據(jù)加密的可靠性和業(yè)務(wù)質(zhì)量。對(duì)壓縮視頻更是一種極受滑動(dòng)影響的業(yè)務(wù)。一次滑動(dòng)將導(dǎo)致視頻圖象在一段時(shí)間“凍結(jié)”的現(xiàn)象。對(duì)調(diào)制解調(diào)器類業(yè)務(wù)，大多調(diào)制解調(diào)器是使用載波信號(hào)相位來(lái)傳送數(shù)據(jù)（調(diào)相），對(duì)1kHz載波有450的相移而言，調(diào)制解調(diào)器需要在6秒時(shí)間來(lái)恢復(fù)一次滑動(dòng)。對(duì)三類傳真設(shè)備，如使用6900波特率的調(diào)制解調(diào)器，一次滑動(dòng)能導(dǎo)致0.08inch寬的圖文丟失。對(duì)7號(hào)信令業(yè)務(wù)，每天一次滑動(dòng)也將使通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不允許的

20、致命錯(cuò)誤。1.1.6 滑動(dòng)性能指標(biāo)滑動(dòng)已是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信中影響通信質(zhì)量而不容忽視的問(wèn)題，為此國(guó)際電信組織制定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制滑動(dòng)產(chǎn)生的影響。如 ITUT G.822即為標(biāo)準(zhǔn)之一。表11給出了27500Km長(zhǎng)的國(guó)際電路連接試驗(yàn)中，將滑動(dòng)對(duì)性能影響的質(zhì)量分級(jí)如下：(a) 為理想滑動(dòng)指標(biāo)。(b) 為可用滑動(dòng)指標(biāo)。(超過(guò)此門限即開(kāi)始影響性能，使某些服務(wù)質(zhì)量下降)。(c) 為降級(jí)滑動(dòng)指標(biāo)(已使通信質(zhì)量嚴(yán)重降級(jí))。如此給出了典型的端到端最大滑動(dòng)極限要求。 表1-1 滑動(dòng)性能分類性能類別按平均滑動(dòng)率按可用時(shí)間百分比(a)5次/24h>98.9%(b)>5次/24h30次/1h<1.0%<98

21、.9%(c)>30次/1h<0.1%針對(duì)典型參考電路連接結(jié)構(gòu)圖1-6，包含五個(gè)國(guó)際轉(zhuǎn)接、三個(gè)國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)接、一個(gè)本地節(jié)點(diǎn)，由于不同級(jí)別的局點(diǎn)，業(yè)務(wù)重要程度不同，因此采用不同比例的滑動(dòng)分配如表12所示。對(duì)國(guó)際段分配8滑動(dòng)，對(duì)國(guó)內(nèi)段分配6滑動(dòng)，對(duì)本地段分配40的滑動(dòng)，保證端到端的滑動(dòng)次數(shù)在給定的滑動(dòng)指標(biāo)范圍內(nèi)。針對(duì)各個(gè)區(qū)段級(jí)聯(lián)多少，進(jìn)而提出對(duì)各級(jí)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的最低保持頻率準(zhǔn)確度要求。 圖1-6 國(guó)際電路參考連接表1-2 受控滑動(dòng)性能的指標(biāo)分配區(qū)間(a)類(b)類(c) 類國(guó)際轉(zhuǎn)接部分8.0%0.08%0.008%每個(gè)國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)接部分6.0%0.06%0.006%每個(gè)本地部分40.%0.4%0.04%

22、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)參考連接見(jiàn)下圖1-7所示，圖1-7 國(guó)內(nèi)電路參考連接目前隨著NO.7信令、SDH和各種新業(yè)務(wù)的的規(guī)?；瘧?yīng)用，對(duì)滑動(dòng)指標(biāo)和定時(shí)性能提出更高要求。如NO.7要求每天有不超過(guò)1次的滑動(dòng)出現(xiàn)，因此同步定時(shí)鏈路的漂移積累也變的重要起來(lái)，每當(dāng)存在超過(guò)18US的定時(shí)誤差積累時(shí)，就極可能導(dǎo)致一次滑動(dòng)出現(xiàn)，所以除了滑動(dòng)指標(biāo)分配外，同步網(wǎng)上的漂移累積限制、漂移指標(biāo)分配成為現(xiàn)代同步組網(wǎng)和時(shí)鐘設(shè)計(jì)所關(guān)注的焦點(diǎn)。所以國(guó)際組織積極開(kāi)展電信網(wǎng)上定時(shí)的漂移指標(biāo)分配研究，對(duì)現(xiàn)有的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)設(shè)備提出全新的性能要求。我國(guó)對(duì)國(guó)內(nèi)區(qū)段的總的滑動(dòng)要求如下表13 。表1-3 國(guó)內(nèi)滑動(dòng)損傷指標(biāo)限定傳輸設(shè)備1次/24h,超出規(guī)定的傳輸性

23、能二級(jí)節(jié)點(diǎn)0次/24h指正常情況及僅一條同步鏈路故障時(shí)的值。0次/24h正常情況三級(jí)節(jié)點(diǎn)1次/24h僅有一條同步鏈路故障情況16次/24h全部鏈路發(fā)生故障情況可以看出，對(duì)數(shù)字傳輸設(shè)備產(chǎn)生的損傷，分配給它的滑動(dòng)時(shí)間間隔應(yīng)大于24小時(shí)。對(duì)長(zhǎng)途交換中心，采用較高精度的時(shí)鐘，在正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)無(wú)滑動(dòng)出現(xiàn)，即使同步鏈路故障，24小時(shí)內(nèi)也應(yīng)不產(chǎn)生一次滑動(dòng)。對(duì)三級(jí)節(jié)點(diǎn)在無(wú)故障運(yùn)行時(shí)，應(yīng)為無(wú)滑動(dòng)出現(xiàn)；在一路外同步鏈路發(fā)生故障時(shí)，允許有一次滑動(dòng)出現(xiàn)，若主備2條同步鏈路全部發(fā)生故障，滑動(dòng)次數(shù)在一天內(nèi)也不應(yīng)超過(guò)16次。對(duì)四級(jí)節(jié)點(diǎn)，滑動(dòng)未作規(guī)定。1.2 鎖相與頻率合成鎖相與頻率合成是實(shí)現(xiàn)同步定時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)對(duì)它們?cè)?/p>

24、理的認(rèn)識(shí)，有助于澄清一些重要的概念、明確定時(shí)的一些指標(biāo)。1.2.1 鎖相環(huán)原理v 鎖相環(huán)組成鎖相是指通過(guò)圖1-8所示的閉合控制的環(huán)路，使壓控振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)能跟蹤外參考輸入信號(hào)，達(dá)到同頻、同相狀態(tài)的工作過(guò)程。它有三個(gè)核心部件組成：圖1-8鎖相環(huán)原理框圖1. 鑒相器（PD）又稱相位檢波器或相位敏感器，它能鑒別2個(gè)輸入信號(hào)的相位差，輸出相差控制電壓。既能鑒相又可鑒頻的鑒相器稱為鑒頻鑒相器，在二個(gè)輸入信號(hào)有頻差時(shí)它起鑒頻作用，當(dāng)有相差時(shí)則起鑒相作用，只要有差別，則就有相差控制電壓輸出。鑒相器對(duì)不同頻率范圍的信號(hào)用不同鑒相器，其電路實(shí)現(xiàn)也多種多樣，如平衡電流開(kāi)關(guān)鑒相器，數(shù)字鑒相器等。2. 環(huán)路濾波器（

25、LPF）它能將PD輸出的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到低頻直流控制電壓去控制壓控蕩振器頻率。LPF一般是一階低通濾波器，無(wú)源或有源，RC積分濾波器或RC比例積分濾波器等，其性能各不相同，適用于不同用途如調(diào)制、解調(diào)、跟蹤等。3. 壓控振蕩器（VCO）它能在其中心頻率附近按受控電壓大小改變輸出頻率。此VCO，有LC振蕩式，RC振蕩式、多諧振蕩式，更多的是集成電路VCO。v 鎖相環(huán)工作狀態(tài)鎖相環(huán)工作過(guò)程可分自由振蕩（free run）、捕捉(pull in)和鎖定(lock)、跟蹤（tracing）三種狀態(tài)?，F(xiàn)分述如下：1. 自由振蕩過(guò)程鎖相環(huán)在上電初期，或無(wú)外參考信號(hào)輸入時(shí)，鑒相器不輸出鑒相控制電壓，此時(shí)

26、VCO按照偏置的工作電壓振蕩輸出信號(hào)，此工作狀態(tài)稱為自由振蕩狀態(tài)。2. 捕捉過(guò)程一旦出現(xiàn)外參考輸入信號(hào)u1(t)，u1(t)與VCO輸出信號(hào)u2(t)存在相位差，PD就不斷產(chǎn)生正確極性的誤差控制電壓，經(jīng)LPF濾波后，控制VCO調(diào)整頻率或相位，通過(guò)環(huán)路負(fù)反饋系統(tǒng)，使得u1(t)朝著與u2(t)頻率相位誤差減小的方向變化，u1(t)和u2(t)的偏差越來(lái)越小，此工作狀態(tài)稱為捕捉。3. 跟蹤過(guò)程當(dāng)u1(t)和u2(t)相差足夠小時(shí)，鎖相環(huán)可視為進(jìn)入鎖定于外參考信號(hào)的工作狀態(tài)，稱為鎖定狀態(tài)。進(jìn)入鎖定后，若外輸入信號(hào)繼續(xù)存在頻率或相位的一定范圍變化，u2(t)還繼續(xù)跟蹤u1(t)的變化，時(shí)時(shí)有PD輸出的

27、誤差控制電壓輸出，控制VCO的頻率相位不斷調(diào)整則此過(guò)程稱為跟蹤?？梢?jiàn)對(duì)鎖相環(huán)而言鎖定狀態(tài)是相對(duì)的，跟蹤狀態(tài)才是絕對(duì)的。v 鎖相環(huán)的主要指標(biāo)從整個(gè)過(guò)程可見(jiàn)鎖相環(huán)有如下的重要指標(biāo)：1. 捕捉范圍在捕捉時(shí)，鎖相環(huán)能夠捕捉到的外輸入信號(hào)頻率的偏差范圍是有限的，過(guò)大的頻差使鎖相環(huán)不能達(dá)到鎖定狀態(tài)，此最大頻差范圍稱作捕捉范圍（pull in range）。2. 快捕帶若開(kāi)始捕捉時(shí)，u1(t)和u2(t)只存在相位誤差，而無(wú)頻差，則能經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期的振蕩，鎖相環(huán)就能夠完成捕捉達(dá)到鎖定狀態(tài)，此稱為快速捕捉。能夠通過(guò)快速捕捉就達(dá)到鎖定的初始頻差范圍就稱為快捕帶。3. 同步帶在跟蹤狀態(tài)下，為了維持環(huán)路持續(xù)鎖定，外參

28、考輸入信號(hào)的變動(dòng)范圍也是有要求的，外參考輸入信號(hào)的過(guò)大的頻率相位偏移，也會(huì)使鎖相環(huán)再次進(jìn)入自由振蕩狀態(tài)，此最大頻差范圍稱為同步帶。4. 捕捉時(shí)間鎖相環(huán)從開(kāi)始捕捉到到進(jìn)入鎖定時(shí)間叫捕捉時(shí)間(pull in time)。5. 環(huán)路時(shí)間常數(shù)環(huán)路濾波的低通截止轉(zhuǎn)折頻率的倒數(shù)?？觳稁?，捕捉帶和同步帶之間存在的關(guān)系如圖1-9示。一般，快捕帶小于捕捉帶，捕捉帶小于同步帶。圖1-9 快捕帶、捕捉帶、同步帶之間的關(guān)系1.2.2 鎖相環(huán)種類按照鎖相實(shí)現(xiàn)時(shí)采用的器件不同分為硬件鎖相和軟件鎖相。按鑒相器處理的信號(hào)不同分為模擬鎖相環(huán)和數(shù)字鎖相環(huán)；按VCO使用的器件不同分為晶體鎖相環(huán)、RC鎖相環(huán)、IC鎖相環(huán)；按總的鎖相環(huán)

29、的數(shù)量不同可分為單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)鎖相；按環(huán)路分頻方式不同可分為可變頻率鎖相環(huán)和固定頻率鎖相環(huán)。通常不同的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)使用于不同的頻率范圍、場(chǎng)合。如：可用作同步跟蹤，還可用作載波信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、混頻，頻率合成等。通常的鎖相電路，是完全依賴于系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，不具備智能性，故又稱硬鎖相。除此之外，若采用微處理器結(jié)構(gòu)，通過(guò)頻率計(jì)數(shù)方法，數(shù)字鑒相器、D/A電路，軟件編程也能夠很好地完成鎖相環(huán)功能，更適用于復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)合，這種基于微處理器實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)功能的系統(tǒng)稱為軟鎖相。其典型結(jié)構(gòu)如圖1-10示，由四大部分組成：圖1-10 軟件鎖相原理框圖1. 數(shù)字鑒相器完成輸入信號(hào)比相功能。當(dāng)內(nèi)部VCO振蕩信號(hào)與外

30、輸入信號(hào)存在相位頻率差時(shí)，數(shù)字鑒相器通過(guò)計(jì)數(shù)方式能夠判斷出輸入信號(hào)沿存在的相差，相差大小通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖反映出來(lái)。此數(shù)據(jù)經(jīng)適當(dāng)處理即可輸出控制VCO。2. 參考基準(zhǔn)源是比輸入信號(hào)頻率高得多得多的脈沖源，靠對(duì)其脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)獲得輸入信號(hào)相差的大小。有此可見(jiàn)，其頻率越高，鑒相精度就越高。3. D/A變換器CPU輸出鑒相誤差控制電壓給D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換的直流控制量，用于VCO頻率相位校正控制。4. VCO壓控制振蕩器在控制電壓的作用下進(jìn)行振蕩，整個(gè)系統(tǒng)在負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，能夠從捕捉到鎖定后不斷跟蹤。這種軟鎖相的最大優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)采用各種數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理技術(shù)，獲得有效控制VCO的電壓，產(chǎn)生效果不同的

31、鎖相結(jié)果，如除去外輸入信源抖動(dòng)、漂移、補(bǔ)償VCO長(zhǎng)期的頻率相位漂移、設(shè)定可變的低通濾波常數(shù)等等，因而獲得廣泛應(yīng)用?；炬i相環(huán)結(jié)構(gòu)稍做改進(jìn)就能廣泛應(yīng)用于倍頻、頻率合成等場(chǎng)合。1.2.3 頻率合成器用鎖相環(huán)路將一個(gè)高精度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)參考源，經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)路的混頻、倍頻和分頻等，最終合成輸出幾十個(gè)乃至更多的具有同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源設(shè)備稱作頻率合成器，它在同步設(shè)備中也獲得應(yīng)用。v 直接頻率合成法將一個(gè)或幾個(gè)高精度和高穩(wěn)定度的頻率源，利用混頻器、倍頻器、分頻器和濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的四則運(yùn)算，最后產(chǎn)生大量的離散的頻率信號(hào)，叫直接頻率合成法。圖1-11所示的是一個(gè)直接頻率合成器的原理方框圖，從中可以看出

32、直接頻率合成法的組成、工作原理和它的特點(diǎn)。圖1-11 直接頻率合成器的原理框圖示例上圖中的標(biāo)準(zhǔn)頻率源是一個(gè)具有恒溫控制的5MHz的晶體振蕩器。利用諧波產(chǎn)生電路形成豐富的諧波，再利用倍頻、濾波的方法得到09十個(gè)頻率。通過(guò)對(duì)十個(gè)頻率的分頻、倍頻、濾波、混頻等方法，可以組合成需要的各種頻率。例如，為了從5MHz晶體振蕩器中獲得頻率為26.8MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，把2MHz、6MHz、8MHz的信號(hào)引入到頻率合成電路即可。可以看出，直接頻率合成方法突出的優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，并能產(chǎn)生小數(shù)值的頻率增量。其缺點(diǎn)是：由于采用了大量的倍頻、混頻、濾波、分頻及濾波器，使頻率合成器的體積、重量加大；輸出的諧波噪聲及寄

33、生頻率的干擾很難抑制掉，造成了輸出信號(hào)譜純度不高。v 間接頻率合成法由一個(gè)高穩(wěn)定度、高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源，利用鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的加、減、乘、除的四則運(yùn)算，最終獲得若干離散的、高精度、高穩(wěn)定度的頻率源。由于頻率的倍頻、混頻、濾波等是在鎖相環(huán)路內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，其閉環(huán)控制特點(diǎn)就顯露出來(lái)。圖1-12 所示的方案是利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率的除法運(yùn)算的原理框圖。在實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算時(shí)，一般不在環(huán)路的反饋支路上設(shè)置倍頻器而獲得分頻的方法。這樣做使環(huán)路的階數(shù)增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，電路復(fù)雜，調(diào)整困難。通常采用前置分頻法設(shè)置除R分頻器，對(duì)fr實(shí)現(xiàn)固定分頻或程序分頻。后置分頻法設(shè)置除V、N分頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)f0的固定分頻或程序分頻。圖1-

34、12 鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率的乘除法運(yùn)算的原理框圖從上面敘述的工作原理可以看出，利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率的合成，其信號(hào)的輸出是從VCO獲得的，其幅度及譜純度很高，尤其帶通濾波電路插到反饋支路中，環(huán)路鎖定后，濾波器帶寬的大小對(duì)輸出信號(hào)的影響幾乎沒(méi)有，這樣對(duì)濾波器的要求也就不高了，最終獲得的信號(hào)中寄生頻率也就不存在了。v 直接數(shù)字頻率合成法（DDS）采用數(shù)字方法合成模擬信號(hào)的方法已不顯見(jiàn)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，就能將幅度、時(shí)間離散的數(shù)字信息變換為模擬量。若用此種方法形成多種頻率的正弦波，則并非易事了。這是因?yàn)檎也ㄍǔ１磉_(dá)為a(t)=sin(wt)或a(t)=cos(wt)形式，波形幅度與時(shí)間不是線性關(guān)系，除非采用

35、極為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。圖1-13正弦波形非線形和相位線形對(duì)比然而從jwt的相位表達(dá)式中可以看出j與t之間卻是線性關(guān)系，并且相位j總是在02p之間周期變化。如圖1-13示：DDS正是從相位線性的規(guī)律著手，解決復(fù)雜問(wèn)題的。因?yàn)閖=w·dt w=2*pi*ft?。篸t=1/fclock （作最小時(shí)間片分割即fclock為參考基準(zhǔn)源）則f=j·fclock / 2pi 由此可知，給定相位增量j即可獲得一個(gè)合成頻率f，適當(dāng)對(duì)j值調(diào)整即可進(jìn)行波形相位調(diào)節(jié)。DDS系統(tǒng)正是基于控制j值來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率f合成和相位控制的，如圖1-14所示，DDS主要有三部分構(gòu)成的，現(xiàn)對(duì)DDS組成原理介紹如下：主要有三部

36、分構(gòu)成：圖1-14 DDS組成原理框圖（1）. 相位增量控制器功能：形成線性相位數(shù)據(jù)。通過(guò)累加計(jì)算形成線性變化的相位數(shù)據(jù)。其中：相位增量寄存器放j常數(shù)，相位偏移寄存器放相位偏移調(diào)整所需相位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)j目前j過(guò)去+j增量 可獲得當(dāng)前的值。對(duì)32bit的數(shù)據(jù)線20對(duì)應(yīng)相位是0，232對(duì)應(yīng)相位是2pi，隨著時(shí)間推移，相位值在0232間周而復(fù)始改變。（2）.查正弦余弦表功能：根據(jù)當(dāng)前的相位數(shù)據(jù)，獲得對(duì)應(yīng)正弦波形的幅度數(shù)據(jù)值。據(jù)相位計(jì)算正弦波幅值非常困難，通過(guò)查一個(gè)正弦波形表，變的非常容易了，只不過(guò)要求波形，表要有足夠的幅度精度和相位采樣點(diǎn)精度，為此在RAM中放置一個(gè)完整的正弦波數(shù)據(jù)表如下圖1-15示。

37、其中水平方向的相位精度，是合成一個(gè)周期的采樣點(diǎn)的數(shù)，稱為水平分辯率，垂直方向的幅度精度，是電壓幅度數(shù)據(jù)位數(shù)大小，稱為垂直分辯率，例如：地址為32bit的12位數(shù)據(jù)RAM表，其水平分辯率達(dá)2p/232級(jí)，垂直分辯率達(dá)峰峰值1/212量級(jí)。圖1-15 DDS正弦表圖可見(jiàn)，以順序算出的相位數(shù)據(jù)為地址變量，通過(guò)查表，就可迅速獲得正弦波形的幅度數(shù)據(jù)。信號(hào)相位從02pi線性變化，對(duì)應(yīng)查表地址也就從低到高線性變化，此幅度值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換就形成的正弦波的雛形，通過(guò)LPF濾波，就能獲得純度較高的正弦波形。進(jìn)一步看出，若Dj增大一倍，則查表時(shí)地址增量就得加快一倍，一個(gè)正弦周期下來(lái)采樣點(diǎn)數(shù)就要減少一半，合成頻率就能高

38、出一倍。故Dj越小，則合成頻率越低，最低為合成頻率取決于水平分辯率的值。Dj越大，則合成的頻率越高，最高合成頻率受Neguist定律限制，為抽樣頻率fclock的1/2倍（一個(gè)周期最少有2次采樣）。（3）.D/A變換與低通濾波器：將獲得的正弦波幅度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬量輸出，再經(jīng)LPF濾波器濾除高頻諧波，獲得純凈的正弦波形。由此看出DDS合成的正弦波靈活、易控制，故很快得到廣泛應(yīng)用。1.2.4 主要技術(shù)指標(biāo)（1）.頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和輸出的最高頻率fomax之間的變化范圍，也可以用頻率覆蓋系數(shù)k= fomax/ fomin來(lái)表示。（2）.輸出的頻率穩(wěn)定度輸

39、出頻率穩(wěn)定度的定義為：式中，f0為輸出標(biāo)稱頻率，f/T為單位時(shí)間內(nèi)的頻率漂移量，輸出頻率的穩(wěn)定度主要取決于參考頻率源的穩(wěn)定度和環(huán)路噪聲的大小等因素。一般參考頻率的穩(wěn)定度有：普通晶體振蕩源： /每月；恒溫控制的晶體源： /每月；只要環(huán)路設(shè)計(jì)合理時(shí)，合成的頻率的穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)參考頻率相等或十分接近。（3）.頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間Ts頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器在某頻率范圍內(nèi)，從某一頻率轉(zhuǎn)換為另一頻率，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于頻率分辨率和環(huán)路參數(shù)的選取上。一般為： Ts=25 / fr 式中fr為參考頻率。1.3 時(shí)鐘原理1.3.1 時(shí)鐘原理時(shí)鐘是產(chǎn)生盡可能高的頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度的振蕩源，提供

40、時(shí)間或頻率的基準(zhǔn)。完全工作在自由振蕩方式下的時(shí)鐘是很少的，因?yàn)椋?）常見(jiàn)的振蕩源的頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度都不夠高，有很高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的振蕩源價(jià)格又很貴。（2）振蕩源產(chǎn)生的頻率幾乎都不恰好正是輸出所需要的振蕩頻率。（3）同步通常是相距遙遠(yuǎn)的不同電路或信號(hào)間的同步。因此由一個(gè)同步另一個(gè)很重要，所以幾乎實(shí)際應(yīng)用都是通過(guò)輔助電路來(lái)構(gòu)成鎖相環(huán)，形成所需要的時(shí)鐘信號(hào)。鎖相環(huán)的性能就直接反映了時(shí)鐘的性能，鎖相環(huán)的模式也就是時(shí)鐘工作模式（通過(guò)使用鎖相環(huán)還能靠跟蹤使低性能的振蕩源獲得更高、更穩(wěn)的時(shí)鐘），所以時(shí)鐘工作模式與鎖相環(huán)的模式極為相似，分四種模式：(1)自由振蕩；(2)捕捉；(3)跟蹤；(4)保持，顯然

41、與鎖相環(huán)類同。1.3.2 原子鐘原子鐘是世界上具有最高穩(wěn)定度的振蕩源，它是基于原子的能級(jí)躍遷產(chǎn)生固定振蕩頻率的原理制造出來(lái)的。常用于最高級(jí)別時(shí)鐘基準(zhǔn)源，而且沒(méi)有老化現(xiàn)象，其原理如下：根據(jù)原子物理學(xué)和量子力學(xué)的理論，原子從一種能量狀態(tài)躍變到另一種能量狀態(tài)吸收或釋放能量，可產(chǎn)生一定的諧振頻率,該頻率的計(jì)算如下：f(E2E1)/h式中，f為電輻射的振頻率，h為普朗克常數(shù)，E2E1為能量變化值?？梢钥闯觯硬皇芡饨缬绊憰r(shí)，二個(gè)能級(jí)間的躍遷通常產(chǎn)生一固定的頻率，由此能獲得一個(gè)準(zhǔn)確而固定的頻率。實(shí)事上，在常溫下，原子從低能態(tài)升遷到高能態(tài)與原子從高能態(tài)跳變到低能態(tài)的概率相當(dāng)，根本無(wú)法檢測(cè)到諧振信號(hào)的存在，

42、為此需采用某種方法，將二種原子分開(kāi)集中處理，常見(jiàn)的方法有二種，磁場(chǎng)選態(tài)法和光抽運(yùn)選態(tài)法。磁場(chǎng)選態(tài)法是通過(guò)對(duì)原子施加可變磁場(chǎng)作用，能量不同的原子因受力不同而分離，使得每束原子具有相同的能級(jí)態(tài)。光抽運(yùn)選態(tài)法，則是利用特定光波去激發(fā)原子中少部分原子躍遷達(dá)到相同能態(tài)的一種辦法，入射光反復(fù)激勵(lì)使得原子能態(tài)逐漸集中。經(jīng)過(guò)選態(tài)后的原子已具有一定的統(tǒng)一能級(jí)，在微波諧振腔中施加磁波輻射，當(dāng)電磁波信號(hào)頻率與原子能級(jí)躍遷頻率相等時(shí)，產(chǎn)生了原子諧振。若諧振腔材料、尺寸設(shè)計(jì)的合理，則將產(chǎn)生自激振蕩，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、驅(qū)動(dòng)后輸出。通過(guò)檢測(cè)維持振蕩的外加電磁波輸入之信號(hào)電平，即能測(cè)得原子諧振和狀態(tài)。依使用原子種類的不同，而有氫

43、鐘、銫鐘、銣鐘等類別，商用主要是銫鐘與銣鐘。1.銫鐘銫原子鐘又稱銫頻標(biāo)，是國(guó)際網(wǎng)中少量使用的高精度頻率信號(hào)發(fā)生器，其核心部件是銫素管，屬受激型原子鐘。下圖1-17給出了使用銫素管部件制作出的5M振蕩源的方框圖。圖1-17 銫頻標(biāo)結(jié)構(gòu)圖由于銫束管直接提供的信號(hào)諧振頻率為9192631770Hz無(wú)法使用，需進(jìn)行頻率變換，得到5M后輸出使用，故采用了VCO壓控石英晶體振蕩器先去跟蹤銫束管諧振頻率，再由晶體振蕩器通過(guò)頻率合成輸出可用信號(hào)。VCO產(chǎn)生5MHz信號(hào)輸出給倍頻器去36倍頻及51倍頻，另一路經(jīng)緩沖放大去頻率合成獲得12.631MHz，二路信號(hào)頻率復(fù)合得到5×36×5112.

44、6319192631MHz，去激發(fā)銫束管，銫束管輸出的信號(hào)與137Hz的調(diào)制振蕩器進(jìn)行同步檢測(cè)取得誤差信號(hào)，銫束管頻率偏離了標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，則誤差電壓就作出相應(yīng)極性反應(yīng)，此誤差電壓經(jīng)伺服放大電路去校正VCO的振蕩頻率和相位，鎖相環(huán)使VCO有一個(gè)相對(duì)銫束管頻率有了非常穩(wěn)定的振蕩信號(hào)。實(shí)用的銫頻標(biāo)一般有了銫鐘組成，并增加了輔加的接口和頻率轉(zhuǎn)換電路，能夠獨(dú)立工作，也能夠通過(guò)多數(shù)表決獲得最佳性能，輸出頻率有2.048MHz 、10MHz 、1MHz 、64kHz 等。2.銣鐘銣原子鐘與銫原子鐘原理相似，銣鐘與銫鐘相比，雖然穩(wěn)定度有所下降，但成本更低，體積更小、預(yù)熱時(shí)間更短，因而也得到更為廣泛的應(yīng)用。典型的銣

45、鐘結(jié)構(gòu)如下圖1-18所示：銣元素在燈泡內(nèi)被激勵(lì)后，發(fā)出銣光束，光束經(jīng)過(guò)過(guò)濾器能濾掉Rb85的成分，有的廠家使用特別合成銣同位素，可不用Rb85過(guò)濾器，光束直達(dá)諧振腔，按前述的光抽運(yùn)過(guò)程，激勵(lì)用的入射光達(dá)到光檢測(cè)器上，信號(hào)輸出送幅度及相位檢測(cè)器上。光檢測(cè)器測(cè)出的信號(hào)是微弱的變化，因此需用音頻（如f=254Hz ）對(duì)諧振腔的微弱信號(hào)加以調(diào)制，光檢測(cè)器的電流也受到同樣變化的調(diào)制。當(dāng)微波頻率fc等于諧振頻率fRb時(shí)，鑒相器輸出2f的交流成分；當(dāng)fc>fRb時(shí)，鑒相器輸出fm交流信號(hào)。反之fc<fRb時(shí)，鑒相輸出與fm 反相的fm交流信號(hào)。這種鑒相誤差電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換最終成直流了分量去控制VCO，

46、VCO的輸出信號(hào)經(jīng)頻率合成器施加到調(diào)制振蕩源上去控制調(diào)制信號(hào)，構(gòu)成閉合環(huán)路的鎖相，最終從VCO獲得穩(wěn)定、高精度的5MHz 或10MHz 的輸出信號(hào)。圖1-18 銣鐘鑒頻原理示意圖1.3.3 晶體鐘石英諧振器簡(jiǎn)稱晶體，是晶體振蕩器的核心元件。用晶體穩(wěn)頻的歷史已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)流暢，主要原因是：石英晶體無(wú)論物理還是化學(xué)上都是較為穩(wěn)定的材料，其諧振頻率也十分穩(wěn)定；石英晶體具有彈性振動(dòng)損耗極小的特點(diǎn)，而品質(zhì)因數(shù)可達(dá)數(shù)百萬(wàn)；選擇不同的切割方位和幾何形狀，可獲得良好的頻率溫度特性。晶體使用中最首要的問(wèn)題就是頻率溫度特性，雖然它的溫度系數(shù)較小，只是在一個(gè)較小的范圍，當(dāng)溫度范圍較寬時(shí)，所有切型的晶體的振動(dòng)頻率都隨溫度變

47、化有較大的變化，為此采用具有一定溫控精度的晶體恒溫箱時(shí)，晶體的頻率溫度特性越好，則晶振的頻率穩(wěn)定度就越高，對(duì)同一頻率溫度特性的晶體，采用恒溫箱的溫控精度越高，則晶振的頻率穩(wěn)定度就越高。常見(jiàn)的晶體振蕩器的類型如下：v 通用型晶振這是最簡(jiǎn)單的也是應(yīng)用較廣泛的一種，它用石英晶體做主要的穩(wěn)頻元件。如圖119所示。圖1-19 通用型晶振結(jié)構(gòu)這種電路不加恒溫措施，所以溫度變化成為影響頻率穩(wěn)定度的主要因素。采用AT切割的50250兆赫的晶體，工作在-20+70的溫度范圍內(nèi)，穩(wěn)定度可達(dá)±5×104。這種晶振中老化引起的頻率變化相對(duì)于溫度引起的變化來(lái)說(shuō)不是主要的。v 溫度補(bǔ)償晶振（TCXO）

48、這種晶振也不用恒溫箱，而采用電路因此體積小，重量輕，電路簡(jiǎn)單。圖1-20示出一種溫度被償晶振方框圖。圖1- 20 溫度補(bǔ)償型晶振結(jié)構(gòu)這種晶振有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)不需加熱功率 (2)晶體老化較小，（晶體在高溫下老化大） (3)不需要加熱時(shí)間。其穩(wěn)定度不高，一般在1×10-6量級(jí)。當(dāng)采用復(fù)雜的設(shè)計(jì)，溫度補(bǔ)償效果較好的情況下，工作于3兆赫時(shí)，在-30+50的范圍內(nèi)穩(wěn)定度可達(dá)1×10-7。三、高穩(wěn)定晶體振蕩器 （OCXO溫控晶體振蕩器）高穩(wěn)晶體振蕩器采用了恒溫箱（單層或雙層），嚴(yán)格控制其環(huán)境，溫度使頻率穩(wěn)定使獲得極大提高。達(dá)10-9量級(jí)，圖1-21示出其方框圖：圖1-21 高穩(wěn)晶體振

49、蕩器即使是高穩(wěn)晶體振蕩器，其短期的頻率穩(wěn)定性能夠很好，但是長(zhǎng)期的頻率穩(wěn)定性將會(huì)很差，為此要采取其他的措施進(jìn)行處理補(bǔ)償才行。1.3.4 GPS鐘GPS（Globe Positioning System）是美國(guó)海軍天文臺(tái)設(shè)置一套衛(wèi)星定時(shí)、定位（NAVSTARNAVigation Satellite Timing and Ranging）系統(tǒng)，它是全天候射頻、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它有控制站、空間站和地面接受站組成。GPS的空間部分由離地面約2083KM遠(yuǎn)的24顆衛(wèi)星組成，占6條軌道成55度角平面，所有的衛(wèi)星定時(shí)下發(fā)的衛(wèi)星精確位置和UTC時(shí)間等信息，其中GPS衛(wèi)星下發(fā)的信息使用2個(gè)L波段頻率（L1 1.57

50、542GHz 、L2 1.22726GHz），L1載頻被P碼（PRIVATE CODE）和C/A碼（CUSTOM CODE）先以1.023MHz 和10.23MHz 擾碼處理，然后P碼以38天為周期的長(zhǎng)偽隨機(jī)碼加密處理，C/A碼以微秒周期的短偽隨機(jī)碼加密處理，最后進(jìn)行調(diào)制發(fā)射。C/A碼和P碼用L1載頻調(diào)制發(fā)射，P碼只用L2載頻調(diào)制發(fā)射，以保證能夠校正信號(hào)在電離層傳播時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延，P碼用于軍事場(chǎng)合，C/A碼供國(guó)內(nèi)用戶，通常用戶只能成功獲得C/A碼，。GPS提供的精確定時(shí)是跟蹤UTC信號(hào)基準(zhǔn)的，由于其中增加了這種S/A（SELCTED AVALABLE）干擾，使定時(shí)和定位精度大大劣化，但是，通過(guò)特

51、殊濾波技術(shù)，如卡耳曼濾波技術(shù)能夠?qū)⒍〞r(shí)信號(hào)恢復(fù)足夠高的精度，具有非常高的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期精確度，可有廣泛的應(yīng)用。如將GPS鐘與晶體鐘或銣鐘配合使用，能夠使得振蕩源既可有很高的短期的頻率穩(wěn)定度，同時(shí)又大大提高了振蕩源長(zhǎng)期期的頻率穩(wěn)定度，年美國(guó)DOD計(jì)劃取消S/A干擾，屆時(shí)更能夠大大推廣GPS定時(shí)和定位的應(yīng)用。下圖1-22為GPS的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1-22 GPS系統(tǒng)的組成示意圖GPS定時(shí)和定位的基本原理如下，借助GPS衛(wèi)星信號(hào)接受器，通過(guò)擴(kuò)頻碼分多址接受技術(shù)，從微弱的信號(hào)中獲取恢復(fù)出不同衛(wèi)星定時(shí)下發(fā)的衛(wèi)星精確位置和UTC時(shí)間等信息，通過(guò)如下方程式的運(yùn)算可得到地面接受站的具體位置（X，Y，Z）、時(shí)間

52、（ ）等信息，如獲得當(dāng)前時(shí)間、經(jīng)度、緯度衛(wèi)星數(shù)目等有效信息。故通常最初的定位需要衛(wèi)星的數(shù)目在顆以上，并且可能最多同時(shí)收到的衛(wèi)星信號(hào)有12顆。其定時(shí)原理如圖123所示：圖1-23 GPS定時(shí)定位原理1.3.5 性能對(duì)比時(shí)鐘的振蕩源是時(shí)鐘的核心器件，通常，采用LC振蕩器頻率穩(wěn)定度大約是2×10-2，很難做到10-4量級(jí)；采用RC振蕩器頻率穩(wěn)定度為10-210-3級(jí)；采用機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)（如音叉振蕩器）產(chǎn)生的振蕩源，穩(wěn)定度可達(dá)±5×10-6但只能用于音頻范圍；采用低精度的晶體穩(wěn)定度可達(dá)10-4量級(jí)；采用中精度的晶體可達(dá)10-6量級(jí)，加單層溫度控制后可達(dá)10-710-8級(jí)；采

53、用高精密晶體單層溫度控制可達(dá)10-810-9量級(jí)；采用雙層溫度控制在實(shí)驗(yàn)室條件下可達(dá)10-910-11量級(jí)。晶體振蕩器的缺點(diǎn)是需要較長(zhǎng)的加熱時(shí)間，并且因?yàn)橛袊?yán)重的老化現(xiàn)象，需要經(jīng)常與高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)，更好的外振蕩源是原子鐘如氫原子鐘、銫原子鐘、銣原子鐘等，其中氫原子鐘只能工作于實(shí)驗(yàn)環(huán)境。各種時(shí)鐘的主要性能對(duì)比如下表： 表1-4 時(shí)鐘源性能價(jià)格對(duì)比一覽表圖1-16是各種時(shí)鐘穩(wěn)定度的曲線對(duì)比圖。圖1-16 各種振蕩源的性能對(duì)比1.3.6 BITS傳統(tǒng)網(wǎng)同步是采用以網(wǎng)上的數(shù)字交換機(jī)時(shí)鐘為核心，以PDH傳輸為手段構(gòu)成自上而下的主從同步方式，滿足基本的通訊服務(wù)和質(zhì)量的。而現(xiàn)在隨著數(shù)字通訊時(shí)代的到來(lái)，SD

54、H傳輸網(wǎng)、N0.7信令網(wǎng)、ISDN網(wǎng)、DDN的網(wǎng)、基于TDMA、CDMA的GSM網(wǎng)等新設(shè)備和新業(yè)務(wù)正在迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)定時(shí)性能特別是穩(wěn)定度性能和漂移性能，越來(lái)越極大地影響新設(shè)備和新業(yè)務(wù)的通訊質(zhì)量和數(shù)量。為此提出組建現(xiàn)代數(shù)字同步網(wǎng)，BITS成為關(guān)鍵設(shè)備，利用BITS組網(wǎng)，同步定時(shí)信號(hào)能夠?qū)⒆罡呔鹊幕鶞?zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)（PRC 或PRS），自上而下去同步網(wǎng)中的低級(jí)BITS，大大消除滑碼損傷和漂移損傷，它不僅能使電信網(wǎng)上的數(shù)字同步設(shè)備獲得高質(zhì)量、凈化了的定時(shí)信號(hào)，而且大大簡(jiǎn)化目前雜亂的同步組網(wǎng)，使得新型的同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、清晰，極便于同步網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一監(jiān)控、管理和維護(hù)。BITS提供的主要性能和功能指標(biāo)有：v 系統(tǒng)

55、的性能指標(biāo)1 保持的頻率準(zhǔn)確度；2 輸出漂移；3 輸出抖動(dòng)；4 輸入漂移抖動(dòng)容限；5 漂移產(chǎn)生；6 漂移轉(zhuǎn)移；7 相位不連續(xù)性v 時(shí)鐘的性能指標(biāo)1 最低準(zhǔn)確度 ； 2 保持能力；3牽引范圍 ；4保持到跟蹤的性能v 外基準(zhǔn)輸入源指外基準(zhǔn)輸入信號(hào)數(shù)量、種類等。通常有設(shè)置輸入信號(hào)門限功能,當(dāng)?shù)陀陂T限值時(shí),設(shè)備應(yīng)能發(fā)出告警,并自動(dòng)倒換輸入信號(hào)到次優(yōu)先級(jí)信號(hào)或轉(zhuǎn)入保持。v 定時(shí)輸出方面定時(shí)輸出中用量最大量是2048kbit/s和2048kHz兩類，也可提供其他各類如模擬信號(hào)8kHz、16kHz、64kHz、1.544MHz、2.048MHz、5MHz、10MHz， 阻抗75 用于某些地方供儀表用。v 處

56、理設(shè)備SSMB同步狀態(tài)信息BITS設(shè)備2048kbit/s輸入信號(hào)和2048kbit/s輸出信號(hào)中具有處理同步狀態(tài)信息SSM（符合ITU-T的G704建議）的功能。系統(tǒng)能按SSM來(lái)?yè)裼?、倒換輸入基準(zhǔn)信號(hào)也能根據(jù)時(shí)鐘工作狀態(tài)從輸出口輸出SSM。v 定時(shí)監(jiān)測(cè)與監(jiān)測(cè)告警設(shè)備檢測(cè)有：(1)定時(shí)信號(hào)狀態(tài)及性能監(jiān)測(cè)信號(hào)丟失(LOS)； 幀丟失(OOF)； 傳輸系統(tǒng)告警指示信號(hào)(AIS)； 循環(huán)冗余檢查(CRC)； 雙極性破壞(BPV)； 頻率偏移(ff)； 最大時(shí)間間隔誤差(MTIE)； 時(shí)間偏差(TDEV)； 原始相位數(shù)據(jù)(Raw phase)， BITS能暫存一天以上連續(xù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)集。(2)同步供給設(shè)備工作狀態(tài)顯示 同步時(shí)鐘單元的工作模式（快捕、鎖定、保持、自由運(yùn)行）； 輸入?yún)⒖夹盘?hào)的優(yōu)先級(jí)別和工作狀態(tài)； 輸入卡工作狀態(tài)。(3)告警指示 設(shè)備的告警