SDH設備時鐘探討

2019-11-03 10:17:30

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北京潤光泰力科技發展有限公司彭榮國（100083）　　摘要：本文介紹SDH設備時鐘的功能要求、主要性能指標分析及一個成功的方案

　　關鍵詞：SDH、設備時鐘

　　目前，SDH已經被大規模使用，并且伴隨寬帶時代的到來它的應用會越來越廣泛。SDH是在PDH的基礎上發展起來的，和PDH相比它具有很多優點，但同時設計的復雜程度也更高，這主要表現在時鐘處理等方面。從SDH在國內幾年來的應用來看，出現的問題主要是由于時鐘的性能不完善造成的，時鐘處理的質量也是國內設備和國外設備的差距所在。隨著光纖網絡的延伸，SDH得到廣泛應用，終端設備離用戶越來越近，同時體積也越來越小，價格逐步降低。在這種情況下，更應當重視時鐘的質量。如果單純追求簡單化、小型化，而忽視了設備的時鐘性能，可能影響到SDH網絡的穩定性和可靠性，給運營商提供優質的服務埋下了隱患。所以說，改善時鐘性能是增強SDH設備國際競爭力最有效的手段。

一 SDH設備時鐘的功能要求

　　設備時鐘是為設備內部、STM-N光信號發送及交換設備等提供定時信號的，它的參考源可以來自于STM-N的輸入信號（T1）、PDH輸入信號（T2）和外基準同步信號（T3）。如圖1。

注： T1、T2和T3信號可能不止一個。

SETG是同步定時發生器，應具備鎖定、保持和自由運行模式。

T4 為外部設備（如交換機、BITS等）提供定時參考。

T0 為設備內部和發送的STM-N信號提供定時。

　　二 SDH設備時鐘的性能指標分析

　　下面簡要回顧一下時鐘指標要求和相關的技術問題

1，頻率準確度

　　指標要求在自由運行狀態下設備時鐘的輸出頻率準確度優于4.6×10-6。該指標之所以從以前的±20×10-6改為目前的值，主要是因為±4.6×10-6的晶振的實現難度不比±20×10-6復雜太多，而性能卻提高很多。

2，同步和失步范圍

　　指標要求最小同步和失步范圍都是±4.6×10-6，但沒有規定最大范圍，試想如果一個參考信號的頻偏很大，而設備時鐘的同步范圍又很寬，這勢必造成本設備和下游設備工作在一個低等級非正常的狀態。正確的方法應該是當參考信號頻偏超過一定的范圍后，設備時鐘將不再跟蹤，而切換到其它的參考源，或進入保持、自由運行模式。當然由于沒有更好的基準來檢測輸入參考的頻偏，而只能是本地晶振，值得欣慰的是設備時鐘所采用的晶振的頻率準確度通常較高。

3，噪聲產生

　　噪聲產生是指當輸入參考為理想信號的情況下，輸出的噪聲。主要包括兩項：

1) 鎖定模式的漂移

　　指標要求詳見ITU-T G.813相關章節，鎖定模式的漂移導致線路和虛容器之間的產生相位偏差，當多個網元級聯時這種相位偏差通常按線性累積，結果導致指針調整。鎖定時漂移產生的主要原因是設備時鐘的晶振（包括壓控振蕩器）輸出的溫度穩定性不好造成的。如圖2的模擬鎖相環，由于溫度變化導致VCO的輸出頻率產生變化（假如Vo恒定），而根據鎖相環的特性當鎖定時So的頻率和Si的頻率相等，這就要求Vo要向相反的方向變化以阻止So頻率的變化，即要求Vi隨著變化，這也就要求Si和So之間的相位產生變化，于是漂移產生了。

　　根據以上分析，若想減少漂移的產生，須采用溫度穩定性較好的晶振。

2) 輸出抖動

　　指標要求T4口（2.048Mhz or 2.048Mb/s）的輸出抖動在加20hz-100khz的帶通濾波器的條件下，不大于0.05UI。對于這一指標唯一值得注意的是如果采用數字方式產生T4信號，數控振蕩器（DCO）的工作頻率要足夠的高。

STM-N輸出抖動的指標要求見表1, 從表中可以看出盡管不同速率接口的抖動要求相對值相同，但絕對值相差很大，也就是說，速率越高要求輸出抖動的幅度越小。如何有效地抑制輸出抖動，特別是高速接口的輸出抖動是時鐘設計過程中一個非常值得重視的地方。通常對于STM-4速率以上的設備在基本的鎖相電路之后需要一個再處理過程，就是把VCO的輸出再經過一個專用的去抖動芯片處理，再用來作為設備的工作時鐘和發送時鐘。

4，噪聲容限

　　噪聲容限是指在不引起任何告警、不引起時鐘進入保持模式、不引起時鐘的基準倒換，同時維持時鐘在規定的性能范圍內的時鐘輸入端所允許的最小噪聲水平。指標要求請參考ITU-T G.813相關章節，該指標一般不是很難做到的。需要注意的是時鐘的噪聲容限和基于誤碼的設備噪聲容限的測量方法不同。

5，噪聲傳遞

　　指標要求在通帶內網元時鐘的相位增益應不大于0.2dB.所謂通帶是指時鐘模塊串聯的所有鎖相環級聯之后的帶寬，當圖1中的SETG的帶寬遠遠小于其它的鎖相環帶寬時也可近似地認為SETG的帶寬就是時鐘模塊的帶寬，要求此帶寬在1-10Hz之間。噪聲傳遞是要求盡量不要把通帶內的噪聲擴大。當采用模擬的方式實現時由于元器件是溫度敏感的，環境因素的影響而容易使相位增益過大，采用數字方式實現時能夠避免這種影響，但要求有效字長要長一些，這樣要浪費一些資源。

6，短期相位瞬變響應

　　當在同源的輸入參考源之間切換時，在輸出口所產生的相位變化稱為短期相位瞬變響應。這種相位變化要限定在一定的范圍內，它包括設備時鐘脫離一個參考源而進入暫時的保持時的相位跳變、保持時的初始頻差（將在“長期相位瞬變響應”時詳細介紹）、由保持進入鎖定另一個參考源時的相位跳變。

7，長期相位瞬變響應（保持）

　　指標要求當網元時鐘丟失其基準源而進入保持模式時，在丟失基準的瞬間，輸出信號相對其輸入信號的相位誤差在任意觀察時間S大于15s時，不應超過以下限值：

ΔT(S)=[(a1+a2)·S + 0.05bS2 + C ] ns

其中：a1=5×10-8，表示初始頻差。

a2=2×10-6，表示進入保持狀態后，由溫度變化引起的頻率變化。（注：國內標準經過換算為a2=0.315×10-6）

b=1.16×10-4ns/S2，是由老化引起的頻率變化。

C=120ns，是初始相位偏移。

　　為了使設備時鐘具備保持功能，需要在鎖定的時不停地存儲參考源的頻率信息，a1其實是參考源的實際頻率和存儲器記憶的頻率之間的誤差，該值和記憶的時間段長度以及位長有關，通常增加位長對其影響較大。

　　a2決定于VCO或溫補晶振的溫度穩定性。國內指標要求以每天為基礎測試，考慮溫度在20-30℃范圍變化，1天頻偏≤0.37×10-6，該要求實際上是對VCO或溫補晶振提出的最高要求，選擇晶振要以此為準。

　　b一般也僅和VCO或溫補晶振有關。

　　C是進入保持時的一次性相位跳變，和“短期相位響應”中的含義相同，通常和鎖相環的阻尼系數有關。三 SDH設備中和時鐘相關的其他方面

1,Transceiver

　　從光模塊來的STM-N信號，經過Transceiver時鐘恢復、分頻、串并變換后送給時鐘處理摸塊和其它模塊（如開銷、映射），經處理后再送回Transceiver倍頻、并串變換后送光模塊發送，這就構成了一臺SDH設備。值得注意的時Transceiver要有足夠的抖動容限，另外其倍頻時的鎖相環帶寬通常是幾百Khz，甚至幾Mhz，這就要求工作時鐘的噪聲在低頻段要比較理想。

2,同步狀態消息（SSM Synchronization Status Message）

　　SSM是時鐘質量等級的標識，STM-N信號使用復用段開銷字節S1的低4位來傳遞，而對于E1（2.048Mb/s）則使用PCM復幀的第一個子復幀內奇數幀T0時隙的第4-8個比特中的某一個來傳遞，我國使用第4比特。

　　在定時模式改變時，SSM要做相應的改變，并且這種改變有延時的要求。對拓撲越復雜的網絡，SSM越重要，而SSM和定時模式的緊密結合是保證網絡穩定性和避免定時環路的有效手段。有關SSM的更多信息請參考IUT-T G.781或YDN 121-1999。

四一個時鐘芯片的范例

　　RC7820是一款由潤光泰力公司設計的一種典型的設備時鐘方案，SDH設備時鐘的專用集成電路，單片完成設備時鐘的全部功能，同時具備兩個STM-1 Transceiver和完善的SSM處理功能。用在STM-1設備上不需任何其它器件，即可完成時鐘恢復、串并變換、時鐘處理、并串變換、發送等功能，用于STM-4、STM-16時僅需很少的外圍器件。它的功能結構如圖3。支持多達8個線路參考，每個線路參考可有多種速率選擇；2個T2信號，芯片內部具備E1時鐘恢復和解碼電路，支持SSM；2個T3信號，2.048Mhz和2.048Mb/s可選，當為2.048Mb/s時，芯片內部能進行時鐘恢復和解碼，支持SSM。輸出2個2.048Mhz和2.048Mb/s可選的T4信號和多個速率等級的T0信號。同時具備微處理器接口（MPI）和邊界掃描功能。

　　選擇器B從輸入參考中選擇一個作為DPLL1的參考，DPLL1是一個基于DSP技術的全數字的鎖相環，帶寬為0.05Hz-20Hz可選，并采用獨特的存儲保持方式，保持精度（即初始頻差）可達1×10-9以上，達到了3級鐘的要求。DPLL1輸出的信號經APLL濾波(濾除數字方式產生的高頻抖動)、倍頻到155.52Mhz,作為Transceiver的發送時鐘，155.52Mhz分頻后可作為設備的工作時鐘。DPLL2完成頻率變換功能。選擇器A從T1信號中選擇2個，分別作為兩個DPLL3的輸入參考。選擇器C從3個輸入信號中選擇2個作為輸出時鐘（T4）。由于T4口的輸出全部采用數字方式實現，使得抖動和飄移的控制變得非常容易。

CHINA通信網組稿

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