1、資料編碼產品名稱使用對象產品版本V2.0編寫部門光網絡支持部資料版本V1.1同步技術基礎擬 制：日 期：1998-11審 核：日 期：審 核：日 期：批 準：日 期：華 為 技 術 有 限 公 司版權所有 侵權必究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同步與數字交換61.1.3同步與數字傳輸71.1.4同步與滑動緩沖器91.1.5滑動產生的影響101.1.6滑動性能指標111.2鎖相與頻率合成131.2.1鎖相環原理131.2.2鎖相環種類151.2.3頻率合成器161.2.4主要技術指標201.3時鐘原理211.3.1時鐘

2、原理211.3.2原子鐘211.3.3晶體鐘231.3.4GPS鐘241.3.5性能對比261.3.6BITS271.4時鐘術語29關鍵詞：同步，同步網，時鐘摘 要：本文檔描述了同步網的基礎知識，內容包括同步的概念、同步的重要性和時鐘原理。縮略語清單：無參考資料清單：無數字同步基礎1.1 同步的重要性1.1.1 同步與異步數字通信是數字信息從發送器向接收器傳送的過程。發送器周期性地發送每位數據，接收器在接收到該數據的半個周期時刻進行采樣并判決其值，以恢復原數據，這種信息收發的位同步非常必要，影響這種協調的方式有同步和異步而二種。圖1-1 異步方式發送的字符v 異步方式異步方式的工作過程如下:

3、發送端先將欲要發送的信息分成一個一個的字符，對每個字符在發送前又進行包裝，在每個字符前端插入起始位、末端插入停止位，構成10bit /字符的結構發送出去，如圖1-1所示。接收端處在隨時接收數據的等待狀態，一旦收到啟始位即受到提醒進入短時間的收發同步狀態，進而進行該字符數據的接收，在收到停止位時，能確認字符接收完畢，并準備下一個字符的接收。可見它是隨機的字符發送方式，要求收發時鐘頻率大體相同才能保證有效接收。因此速率低、數據少、隨機數據通信（如鍵盤、鼠標、遠程終端）等通信場合使用。RS232C即是廣泛采用的一種異步接口標準。v 同步方式同步方式的工作過程則不同，它是將要發送的字符數據集中批量發送

4、，省去了所以字符前的起止位的提醒，大大提高了數據傳輸的效率。在電信網中應包含了4個層次上的同步：（1）位同步 （2）幀同步 （3）時隙同步（4）網同步。它要求發送端和接收端有一致的時鐘信號，既要同頻也要同相。圖12 為幀同步與異步方式的時序構對比示結意圖。圖1異步同步傳輸數據流對比可以看出：在同步方式下，作為額外開銷的同步字符，不隨發送信息的多少而改變，在大量數據傳送時，能有很高的效率。譬如，在發單個數據字符，每塊同步損耗達200，可在發送512個數據字符塊時，則同步損耗僅占0.39%，有非常高的傳送效率，因而同步方式在計算機網絡、數據數字通信中有更為廣泛的應用。而異步方式更適合于終端、繪圖儀

5、、調制解調器等低速信息傳遞。v 同步傳送 通常時鐘信號的獲得來自二種途徑：其一是采用時鐘專線，即將發送端時鐘直接傳送給接收端同步使用；其二是借助鎖相環，利用發送端傳送的信息流中的時鐘頻率、相位信息，進行同步時鐘提取、恢復再使用。有的是從從業務碼流中提取時鐘定時，有的是利用專用載波信號來提取同步定時。直接使用專用定時的情況主要是在小系統的情況。由于接收端始終與發送端保持同步狀態，信息的傳送就省缺了每個字符前的同步提醒，從而能將信息以數據塊（幀）的方式，高速傳遞。同步方式是現在數字通信的主要方式，同步技術的深入研究也已成為數字通信系統不可分割的部分。就通信網看，同步在通信設備中如何保證，又對通信質

6、量有何影響呢？以下就典型的數字交換機和數字傳輸設備來進行分析。1.1.2 同步與數字交換數字交換機是通信網中的一個節點，通過節點的信息交換功能，信息才能在通信網中四通八達。而作為被傳送和交換的數字信息則是以時分復用的方式構成的。其交換方法是數字交換機將收到的數字信息以一種順序寫入存儲器，以另一種順序從存儲器讀出后傳送，因此節點處的信息交換實質是數字信息序列的時隙交換，如圖1-3所示。圖1-3時隙交換的兩種方式因此，數字交換機通過對輸入數字信號中的時隙作重新安排實現了數字信息交換，所以在信號進入交換網絡之前，需要具備時隙交換的條件如下：(1)參加交換的數字信號的幀要在時間上對齊，即各路信號的幀要

7、同步；(2)各路信號的碼率都要以交換設備的時鐘速率為準，轉換為相同碼率，使時隙具有相同的速率。但參加交換的信號可能來自不同的交換節點和傳輸設備，到達時間不可能相同，信號的碼率也可能與本地時鐘不同步，這就需要通過幀緩沖器進行幀同步及比特同步。當外來信號與交換設備內的時鐘頻率有差異時，則在進行比特同步時將產生滑動（詳見1.1.4節），滑動將使信號受到損傷，影響通信質量。1.1.3 同步與數字傳輸數字傳輸系統是對編碼的數字信息以時分復用方式傳送的。現在通信網中使用的時分多路復用傳輸系統主要有兩類：即準同步數字系列（PDH）和同步數字系列（SDH）。v PDH 中的同步PDH的復用是逐級進行的。因為被

8、復接的支路信號可能來自不同方向，各支路信號的碼率和到達時間不可能完全相同，因此在進行復接前各支路的碼率應調至相等，并把劃分比特流段落的幀同步碼對齊，即碼率和幀同碼都要同步。為達到此目的，就要使用碼速調整技術。碼速調整（一般用正向碼速調整）的原理是把參與復接的低次群的準同步碼流調整到一個較高的碼率，其中增加了幀同步碼、業務碼、插入碼及插入標志等。例如PCM一次群在碼速調整過程中將碼率由2.048Mbit/s提高到2.11Mbit/s，使各參與復接的支路信號碼率達到同步，然后才進行復接；復接后的高次群碼流傳送到收信端，先進行幀同步碼檢出，在實現幀同步后再進行分接，分接后的各支路再經碼速恢復單元，將

9、各支路信號恢復為與原輸入碼率相等的準同步碼流。因此可將PDH傳輸系統可看作是“透明”的，即收信端的信號碼率與發信端的碼率相等。但在進行碼速調整時有比特位插入操作，在收信端恢復碼速時，要有刪除被插入的比特操作，因此信號將受到損傷，即信號增加了抖動成分。抖動給通信帶來不良影響，但在PDH傳輸系統內部進行復接同步時，用插入比特的方法產生的抖動無法完全消除，所以這個系統內的的同步方法并不理想。v SDH中的同步SDH是用于光纜傳輸的同步數字系列，是一整套可以進行同步數字傳輸、復用和交叉連接的標準化數字傳送結構系列，用于在物理傳輸網（主要是光纜網）上傳送經適配的凈負荷，如圖1-4所示。同步傳送模塊（ST

10、M1）是SDH的基礎速率，高速率信號都是由N個STM1復用至STMN得到的。從STM1信號變成STMN信號不再有開銷或其它處理，所以STM1是最基本的信息模塊。它由信息凈負荷（payload）、段開銷（SDH Section Over head）、虛容器（Value Container）及管理單元（Administer Unit）指針構成，SDH的凈荷映射方式有幾種，異步映射、浮動字節同步映射、鎖定字節同步映射、比特同步映射。異步映射最為流行，它使用插入比特來調節定時誤差。圖1-4 SDH同步傳送模塊結構E1信號首先映射進虛容器低速VC，VC中含有凈荷及開銷信息，然后再映射進一個高速虛容器，它

11、可用于載運E3信號，其中也有自己的開銷，然后高速VC映射進STM1的AU信號中。通常映射中使用異步影射方式來避免SDH單元間頻差引起滑動，在此異步影響射中，先利用插入比特方法調節SDH與外來業務信息流的定時差，進而用凈荷指針來指出VC幀的開始位置，這樣SDH單元間的頻差不會引起幀滑碼，也無需對業務信號重定時（Timing），SDH系統內各網元如復用器、分插復用器（ADM）及數字交叉連接設備（DXC）之間的頻率差是靠凈荷調節指針值來修正的。如果發送時鐘比接收時鐘快，接收端將引入一個負指針調整，凈荷向前移動一個字節（8比特），反之，如果發送時鐘比接收時鐘慢，接收端將引入一個正指針調整，凈荷向后移動

12、一個字節（8比特），所以同步不良將引起SDH傳輸鏈路不同的網元間凈荷指針頻繁調整，因為SDH系列是以字節為單位進行復接的，指針調節是把凈負荷起始點向前或向后移動與幀相關的一個字節，它的頻率很低，雖構不成抖動干擾，但是為起漂移干擾，一次指針調節引起的影響可能不超出網絡接口所規定的指標，但當指針的調節的速率不能受控制時將使漂移頻繁地出現、積累并超時網絡抖動的規定指標時，將引起凈負荷出現錯誤，因此在SDH系統中的網元內時鐘也應保持嚴格同步，同時也看到使用SDH業務來傳送定時信號會增加其漂移干擾，實不可取。1.1.4 同步與滑動緩沖器數字交換機本質上是采用時隙交換（Time Slot Intercha

13、nge）原理實現的，即將時隙的數字信息作重新安排完成的，這種時隙的重新安排要求時隙信息的形成和時隙信息交換有相同的速率。設想若所有的時隙切換由一個開關控制的話，就根本無需同步系統。然而數字交換機是通過各種各樣的數字傳輸系統聯接起來，時隙往往是在某局產生出來，而在另外某局完成時隙交換，這就要求二部相距遙遠的交換機有同步的工作時鐘，否則就無法完成正確的交換任務，產生不良后果。滑動緩沖器是通訊設備里廣泛采用調整同步時鐘差異的有效措施之一。下面以典型的數字程控交換機為例來分析滑動緩沖器功能和同步與滑動的關系。從外部送來的信號在進行時隙交換之前，需將其速率轉換為本地時鐘的速率，稱“再定時”，這通常采用端

14、接（終接）一個緩沖存儲器的方法實現，原理說明如圖1-5。圖1-5 滑動緩沖器原理此緩沖器是一種“彈性存儲器”，它是在簡單的存儲器基礎上采用了獨立的讀、寫時鐘。其中寫時鐘是從外來的信息流中提取的，讀時鐘是來自本地系統時鐘。這個緩沖器的大小至少為1個PCM一次群幀長度，典型為2個幀的長度（2×256bit）。只要寫時鐘和讀時鐘有相同速率，緩沖器就不會上溢，也不會下溢。任何大于緩沖器長度的相位變動，或收發頻率偏差則將導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，稱為幀重發。這種幀信息的丟失或重發就稱為“幀滑動”或“受控滑動”。由于此滑動緩沖器總是處于

15、PCM一次群終接的位置，幀信息在緩沖器之前已被提取，所以受控滑動幀不會影響幀的結構。由此看到幀緩沖器具有如下功能：用本地時鐘取代了外來信息流時鐘，交換（或傳輸）的數字信號與本地時鐘實現了位同步，并在一定程度上吸收了外來數字信號的相位抖動或漂移。對來自不同地點的外部數據信息，幀定位信號存在不同延時，幀緩沖器進行了一定的調整吸收，使幀定位信號實現了本地同步。外輸入信號與本地時鐘的頻率偏差被轉化為幀滑動，但仍能保持幀同步。幀緩沖器在數字通信領域得到廣泛的應用，滑動是數字通信中主要的信息損傷源之一，隨著通訊向著大容量、高速率的發展，消除滑動損傷越來越成為不容忽視的課題。1.1.5 滑動產生的影響抖動、

16、漂移和相位瞬變是產生滑動損傷的主要根源。抖動是指數字信號相對其標準信號產生的短期相位變動（指相位瞬變的頻率在10秒以上）。漂移是指數字信號相對其標準（或稱理想）信號產生的長期的相位變動（指相位瞬變頻率小于10Hz）。相位瞬變則是指在在有限的時間內有相當大的相位跳變情況，超過了系統的忍受能力。抖動以二種方式來影響數字業務，其一是使幀緩沖器上溢或下溢，其二是使外來的碼流抽樣錯誤。因此，對時鐘的抖動有一定的指標要求。抖動的產生有二個來源，重發器和復用器。重發器使用特殊電路來從數字信號中恢復定時信息，每個重發器都對整個抖動產生作用。復用器則使用插入比特碼流的方法來緩沖低速信號流，而在刪除此比特碼流的操

17、作中也常來了抖動。漂移則以如下二種方式來影響業務，幀滑動和SDH中的指針調整。特別，外輸入參考源的漂移能影響時鐘的保持性能，時鐘的精度是通過多個外參考的頻率的平均獲得的，漂移將使得這個精度降低。漂移的產生來自同步的時鐘，同步時鐘采用一些技術來鎖定它的基準，由于控制手段的不同，會產生不同的漂移。另外，環境溫度，傳輸線介質，也能產生漂移。譬如Bellcore曾做過實驗，在36攝氏度環境變化情況下，使用150英尺同軸電纜傳送2Mbit/s信號，將產生3.5ms(5.4UI)的漂移。這就是說環境溫度的變化能夠產生時鐘相位的漂移，但多數情況漂移還是來自時鐘本身（SDH傳輸也是漂移產生的一個原因）。相位瞬

18、變時常出現在工作狀態重新安排的情況下，如參考源的切換，硬件保護切換，SDH中負荷信號的指針調整等，均可能超過限制，產生告警，進入保護工作狀態，并產生數據傳輸錯誤。因此滑動降低了通信質量、可靠性，各種數字設備對時鐘同步的需求不同，滑動產生的影響以也以信號運載的業務不同而不同 。對一般話音業務。通常產生噪音，一次滑動可能聽不到或產生一次“喀達”聲，在滑動速率很高時，才會感到話音業務的質量降級。對于移動通信話音，則產生中斷、阻塞或靜音現象，特別是采用CDMA、TDMA技術的GSM通信，隨著城市用戶數量的急劇增加，話音質量將受到影響。對一般數字數據業務，數據是以包或塊的方式發送，一次滑動產生一次丟包，

19、高層協議經檢測要通過重發功能更正此包，顯然這樣將降低數字數據業務的質量。對特殊加密數據業務，將使業務質量大大降低，這是因為一次滑動就要求除了數據重發外，此數據的密鑰信息也要重發，這就大大降低了數據加密的可靠性和業務質量。對壓縮視頻更是一種極受滑動影響的業務。一次滑動將導致視頻圖象在一段時間“凍結”的現象。對調制解調器類業務，大多調制解調器是使用載波信號相位來傳送數據（調相），對1kHz載波有450的相移而言，調制解調器需要在6秒時間來恢復一次滑動。對三類傳真設備，如使用6900波特率的調制解調器，一次滑動能導致0.08inch寬的圖文丟失。對7號信令業務，每天一次滑動也將使通訊網絡產生不允許的

20、致命錯誤。1.1.6 滑動性能指標滑動已是數字數據通信中影響通信質量而不容忽視的問題，為此國際電信組織制定標準來控制滑動產生的影響。如 ITUT G.822即為標準之一。表11給出了27500Km長的國際電路連接試驗中，將滑動對性能影響的質量分級如下：(a) 為理想滑動指標。(b) 為可用滑動指標。(超過此門限即開始影響性能，使某些服務質量下降)。(c) 為降級滑動指標(已使通信質量嚴重降級)。如此給出了典型的端到端最大滑動極限要求。 表1-1 滑動性能分類性能類別按平均滑動率按可用時間百分比(a)5次/24h>98.9%(b)>5次/24h30次/1h<1.0%<98

21、.9%(c)>30次/1h<0.1%針對典型參考電路連接結構圖1-6，包含五個國際轉接、三個國內轉接、一個本地節點，由于不同級別的局點，業務重要程度不同，因此采用不同比例的滑動分配如表12所示。對國際段分配8滑動，對國內段分配6滑動，對本地段分配40的滑動，保證端到端的滑動次數在給定的滑動指標范圍內。針對各個區段級聯多少，進而提出對各級時鐘節點的最低保持頻率準確度要求。 圖1-6 國際電路參考連接表1-2 受控滑動性能的指標分配區間(a)類(b)類(c) 類國際轉接部分8.0%0.08%0.008%每個國內轉接部分6.0%0.06%0.006%每個本地部分40.%0.4%0.04%

22、國內標準參考連接見下圖1-7所示，圖1-7 國內電路參考連接目前隨著NO.7信令、SDH和各種新業務的的規模化應用，對滑動指標和定時性能提出更高要求。如NO.7要求每天有不超過1次的滑動出現，因此同步定時鏈路的漂移積累也變的重要起來，每當存在超過18US的定時誤差積累時，就極可能導致一次滑動出現，所以除了滑動指標分配外，同步網上的漂移累積限制、漂移指標分配成為現代同步組網和時鐘設計所關注的焦點。所以國際組織積極開展電信網上定時的漂移指標分配研究，對現有的時鐘節點設備提出全新的性能要求。我國對國內區段的總的滑動要求如下表13 。表1-3 國內滑動損傷指標限定傳輸設備1次/24h,超出規定的傳輸性

23、能二級節點0次/24h指正常情況及僅一條同步鏈路故障時的值。0次/24h正常情況三級節點1次/24h僅有一條同步鏈路故障情況16次/24h全部鏈路發生故障情況可以看出，對數字傳輸設備產生的損傷，分配給它的滑動時間間隔應大于24小時。對長途交換中心，采用較高精度的時鐘，在正常運行時，應無滑動出現，即使同步鏈路故障，24小時內也應不產生一次滑動。對三級節點在無故障運行時，應為無滑動出現；在一路外同步鏈路發生故障時，允許有一次滑動出現，若主備2條同步鏈路全部發生故障，滑動次數在一天內也不應超過16次。對四級節點，滑動未作規定。1.2 鎖相與頻率合成鎖相與頻率合成是實現同步定時的關鍵技術，通過對它們原

24、理的認識，有助于澄清一些重要的概念、明確定時的一些指標。1.2.1 鎖相環原理v 鎖相環組成鎖相是指通過圖1-8所示的閉合控制的環路，使壓控振蕩器產生的信號能跟蹤外參考輸入信號，達到同頻、同相狀態的工作過程。它有三個核心部件組成：圖1-8鎖相環原理框圖1. 鑒相器（PD）又稱相位檢波器或相位敏感器，它能鑒別2個輸入信號的相位差，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，在二個輸入信號有頻差時它起鑒頻作用，當有相差時則起鑒相作用，只要有差別，則就有相差控制電壓輸出。鑒相器對不同頻率范圍的信號用不同鑒相器，其電路實現也多種多樣，如平衡電流開關鑒相器，數字鑒相器等。2. 環路濾波器（

25、LPF）它能將PD輸出的信號進行低通濾波，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制、解調、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 鎖相環工作狀態鎖相環工作過程可分自由振蕩（free run）、捕捉(pull in)和鎖定(lock)、跟蹤（tracing）三種狀態。現分述如下：1. 自由振蕩過程鎖相環在上電初期，或無外參考信號輸入時，鑒相器不輸出鑒相控制電壓，此時

26、VCO按照偏置的工作電壓振蕩輸出信號，此工作狀態稱為自由振蕩狀態。2. 捕捉過程一旦出現外參考輸入信號u1(t)，u1(t)與VCO輸出信號u2(t)存在相位差，PD就不斷產生正確極性的誤差控制電壓，經LPF濾波后，控制VCO調整頻率或相位，通過環路負反饋系統，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)的偏差越來越小，此工作狀態稱為捕捉。3. 跟蹤過程當u1(t)和u2(t)相差足夠小時，鎖相環可視為進入鎖定于外參考信號的工作狀態，稱為鎖定狀態。進入鎖定后，若外輸入信號繼續存在頻率或相位的一定范圍變化，u2(t)還繼續跟蹤u1(t)的變化，時時有PD輸出的

27、誤差控制電壓輸出，控制VCO的頻率相位不斷調整則此過程稱為跟蹤。可見對鎖相環而言鎖定狀態是相對的，跟蹤狀態才是絕對的。v 鎖相環的主要指標從整個過程可見鎖相環有如下的重要指標：1. 捕捉范圍在捕捉時，鎖相環能夠捕捉到的外輸入信號頻率的偏差范圍是有限的，過大的頻差使鎖相環不能達到鎖定狀態，此最大頻差范圍稱作捕捉范圍（pull in range）。2. 快捕帶若開始捕捉時，u1(t)和u2(t)只存在相位誤差，而無頻差，則能經過幾個周期的振蕩，鎖相環就能夠完成捕捉達到鎖定狀態，此稱為快速捕捉。能夠通過快速捕捉就達到鎖定的初始頻差范圍就稱為快捕帶。3. 同步帶在跟蹤狀態下，為了維持環路持續鎖定，外參

28、考輸入信號的變動范圍也是有要求的，外參考輸入信號的過大的頻率相位偏移，也會使鎖相環再次進入自由振蕩狀態，此最大頻差范圍稱為同步帶。4. 捕捉時間鎖相環從開始捕捉到到進入鎖定時間叫捕捉時間(pull in time)。5. 環路時間常數環路濾波的低通截止轉折頻率的倒數。快捕帶，捕捉帶和同步帶之間存在的關系如圖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、同步帶之間的關系1.2.2 鎖相環種類按照鎖相實現時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不同分為模擬鎖相環和數字鎖相環；按VCO使用的器件不同分為晶體鎖相環、RC鎖相環、IC鎖相環；按總的鎖相環

29、的數量不同可分為單環、雙環、多環鎖相；按環路分頻方式不同可分為可變頻率鎖相環和固定頻率鎖相環。通常不同的鎖相環結構使用于不同的頻率范圍、場合。如：可用作同步跟蹤，還可用作載波信號的調制與解調、混頻，頻率合成等。通常的鎖相電路，是完全依賴于系統硬件結構實現，不具備智能性，故又稱硬鎖相。除此之外，若采用微處理器結構，通過頻率計數方法，數字鑒相器、D/A電路，軟件編程也能夠很好地完成鎖相環功能，更適用于復雜多變的應用場合，這種基于微處理器實現鎖相環功能的系統稱為軟鎖相。其典型結構如圖1-10示，由四大部分組成：圖1-10 軟件鎖相原理框圖1. 數字鑒相器完成輸入信號比相功能。當內部VCO振蕩信號與外

30、輸入信號存在相位頻率差時，數字鑒相器通過計數方式能夠判斷出輸入信號沿存在的相差，相差大小通過計數脈沖反映出來。此數據經適當處理即可輸出控制VCO。2. 參考基準源是比輸入信號頻率高得多得多的脈沖源，靠對其脈沖的計數來獲得輸入信號相差的大小。有此可見，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轉換器，將數字控制量轉換的直流控制量，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行振蕩，整個系統在負反饋作用下，能夠從捕捉到鎖定后不斷跟蹤。這種軟鎖相的最大優點在于通過采用各種數字濾波、數據處理技術，獲得有效控制VCO的電壓，產生效果不同的

31、鎖相結果，如除去外輸入信源抖動、漂移、補償VCO長期的頻率相位漂移、設定可變的低通濾波常數等等，因而獲得廣泛應用。基本鎖相環結構稍做改進就能廣泛應用于倍頻、頻率合成等場合。1.2.3 頻率合成器用鎖相環路將一個高精度和高穩定度的標準參考源，經過鎖相環路的混頻、倍頻和分頻等，最終合成輸出幾十個乃至更多的具有同樣精確度和穩定度的頻率源設備稱作頻率合成器，它在同步設備中也獲得應用。v 直接頻率合成法將一個或幾個高精度和高穩定度的頻率源，利用混頻器、倍頻器、分頻器和濾波器實現對頻率的四則運算，最后產生大量的離散的頻率信號，叫直接頻率合成法。圖1-11所示的是一個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。圖1-11 直接頻率合成器的原理框圖示例上圖中的標準頻率源是一個具有恒溫控制的5MHz的晶體振蕩器。利用諧波產生電路形成豐富的諧波，再利用倍頻、濾波的方法得到09十個頻率。通過對十個頻率的分頻、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的標準信號，把2MHz、6MHz、8MHz的信號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點是頻率轉換時間短，并能產生小數值的頻率增量。其缺點是：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，造成了輸出信號譜純度不高。v 間接頻率合成法由一個高穩定度、高精度的標準頻率源，利用鎖相環路實現對頻率的加、減、乘、除的四則運算，最終獲得若干離散的、高精度、高穩定度的頻率源。由于頻率的倍頻、混頻、濾波等是在鎖相環路內實現的，其閉環控制特點就顯露出來。圖1-12 所示的方案是利用鎖相環實現頻率的除法運算的原理框圖。在實現除法運算時，一般不在環路的反饋支路上設置倍頻器而獲得分頻的方法。這樣做使環路的階數增加，系統的穩定性差，電路復雜，調整困難。通常采用前置分頻法設置除R分頻器，對fr實現固定分頻或程序分頻。后置分頻法設置除V、N分頻器實現對f0的固定分頻或程序分頻。圖1-

34、12 鎖相環實現頻率的乘除法運算的原理框圖從上面敘述的工作原理可以看出，利用鎖相環實現頻率的合成，其信號的輸出是從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，環路鎖定后，濾波器帶寬的大小對輸出信號的影響幾乎沒有，這樣對濾波器的要求也就不高了，最終獲得的信號中寄生頻率也就不存在了。v 直接數字頻率合成法（DDS）采用數字方法合成模擬信號的方法已不顯見，通過D/A轉換器，就能將幅度、時間離散的數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。這是因為正弦波通常表達為a(t)=sin(wt)或a(t)=cos(wt)形式，波形幅度與時間不是線性關系，除非采用

35、極為復雜的結構。圖1-13正弦波形非線形和相位線形對比然而從jwt的相位表達式中可以看出j與t之間卻是線性關系，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律著手，解決復雜問題的。因為j=w·dt w=2*pi*ft取：dt=1/fclock （作最小時間片分割即fclock為參考基準源）則f=j·fclock / 2pi 由此可知，給定相位增量j即可獲得一個合成頻率f，適當對j值調整即可進行波形相位調節。DDS系統正是基于控制j值來實現頻率f合成和相位控制的，如圖1-14所示，DDS主要有三部分構成的，現對DDS組成原理介紹如下：主要有三部

36、分構成：圖1-14 DDS組成原理框圖（1）. 相位增量控制器功能：形成線性相位數據。通過累加計算形成線性變化的相位數據。其中：相位增量寄存器放j常數，相位偏移寄存器放相位偏移調整所需相位數據，經過j目前j過去+j增量 可獲得當前的值。對32bit的數據線20對應相位是0，232對應相位是2pi，隨著時間推移，相位值在0232間周而復始改變。（2）.查正弦余弦表功能：根據當前的相位數據，獲得對應正弦波形的幅度數據值。據相位計算正弦波幅值非常困難，通過查一個正弦波形表，變的非常容易了，只不過要求波形，表要有足夠的幅度精度和相位采樣點精度，為此在RAM中放置一個完整的正弦波數據表如下圖1-15示。

37、其中水平方向的相位精度，是合成一個周期的采樣點的數，稱為水平分辯率，垂直方向的幅度精度，是電壓幅度數據位數大小，稱為垂直分辯率，例如：地址為32bit的12位數據RAM表，其水平分辯率達2p/232級，垂直分辯率達峰峰值1/212量級。圖1-15 DDS正弦表圖可見，以順序算出的相位數據為地址變量，通過查表，就可迅速獲得正弦波形的幅度數據。信號相位從02pi線性變化，對應查表地址也就從低到高線性變化，此幅度值經D/A轉換就形成的正弦波的雛形，通過LPF濾波，就能獲得純度較高的正弦波形。進一步看出，若Dj增大一倍，則查表時地址增量就得加快一倍，一個正弦周期下來采樣點數就要減少一半，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據，轉換為連續的模擬量輸出，再經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，故很快得到廣泛應用。1.2.4 主要技術指標（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k= fomax/ fomin來表示。（2）.輸出的頻率穩定度輸

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

40、時間或頻率的基準。完全工作在自由振蕩方式下的時鐘是很少的，因為（1）常見的振蕩源的頻率準確度和頻率穩定度都不夠高，有很高準確度和穩定度的振蕩源價格又很貴。（2）振蕩源產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的不同電路或信號間的同步。因此由一個同步另一個很重要，所以幾乎實際應用都是通過輔助電路來構成鎖相環，形成所需要的時鐘信號。鎖相環的性能就直接反映了時鐘的性能，鎖相環的模式也就是時鐘工作模式（通過使用鎖相環還能靠跟蹤使低性能的振蕩源獲得更高、更穩的時鐘），所以時鐘工作模式與鎖相環的模式極為相似，分四種模式：(1)自由振蕩；(2)捕捉；(3)跟蹤；(4)保持，顯然

41、與鎖相環類同。1.3.2 原子鐘原子鐘是世界上具有最高穩定度的振蕩源，它是基于原子的能級躍遷產生固定振蕩頻率的原理制造出來的。常用于最高級別時鐘基準源，而且沒有老化現象，其原理如下：根據原子物理學和量子力學的理論，原子從一種能量狀態躍變到另一種能量狀態吸收或釋放能量，可產生一定的諧振頻率,該頻率的計算如下：f(E2E1)/h式中，f為電輻射的振頻率，h為普朗克常數，E2E1為能量變化值。可以看出，原子不受外界影響時，二個能級間的躍遷通常產生一固定的頻率，由此能獲得一個準確而固定的頻率。實事上，在常溫下，原子從低能態升遷到高能態與原子從高能態跳變到低能態的概率相當，根本無法檢測到諧振信號的存在，

42、為此需采用某種方法，將二種原子分開集中處理，常見的方法有二種，磁場選態法和光抽運選態法。磁場選態法是通過對原子施加可變磁場作用，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態。光抽運選態法，則是利用特定光波去激發原子中少部分原子躍遷達到相同能態的一種辦法，入射光反復激勵使得原子能態逐漸集中。經過選態后的原子已具有一定的統一能級，在微波諧振腔中施加磁波輻射，當電磁波信號頻率與原子能級躍遷頻率相等時，產生了原子諧振。若諧振腔材料、尺寸設計的合理，則將產生自激振蕩，信號經過放大、驅動后輸出。通過檢測維持振蕩的外加電磁波輸入之信號電平，即能測得原子諧振和狀態。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，是國際網中少量使用的高精度頻率信號發生器，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 銫頻標結構圖由于銫束管直接提供的信號諧振頻率為9192631770Hz無法使用，需進行頻率變換，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頻率合成輸出可用信號。VCO產生5MHz信號輸出給倍頻器去36倍頻及51倍頻，另一路經緩沖放大去頻率合成獲得12.631MHz，二路信號頻率復合得到5×36×5112.

44、6319192631MHz，去激發銫束管，銫束管輸出的信號與137Hz的調制振蕩器進行同步檢測取得誤差信號，銫束管頻率偏離了標準值時，則誤差電壓就作出相應極性反應，此誤差電壓經伺服放大電路去校正VCO的振蕩頻率和相位，鎖相環使VCO有一個相對銫束管頻率有了非常穩定的振蕩信號。實用的銫頻標一般有了銫鐘組成，并增加了輔加的接口和頻率轉換電路，能夠獨立工作，也能夠通過多數表決獲得最佳性能，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，雖然穩定度有所下降，但成本更低，體積更小、預熱時間更短，因而也得到更為廣泛的應用。典型的銣

45、鐘結構如下圖1-18所示：銣元素在燈泡內被激勵后，發出銣光束，光束經過過濾器能濾掉Rb85的成分，有的廠家使用特別合成銣同位素，可不用Rb85過濾器，光束直達諧振腔，按前述的光抽運過程，激勵用的入射光達到光檢測器上，信號輸出送幅度及相位檢測器上。光檢測器測出的信號是微弱的變化，因此需用音頻（如f=254Hz ）對諧振腔的微弱信號加以調制，光檢測器的電流也受到同樣變化的調制。當微波頻率fc等于諧振頻率fRb時，鑒相器輸出2f的交流成分；當fc>fRb時，鑒相器輸出fm交流信號。反之fc<fRb時，鑒相輸出與fm 反相的fm交流信號。這種鑒相誤差電壓經轉換最終成直流了分量去控制VCO，

46、VCO的輸出信號經頻率合成器施加到調制振蕩源上去控制調制信號，構成閉合環路的鎖相，最終從VCO獲得穩定、高精度的5MHz 或10MHz 的輸出信號。圖1-18 銣鐘鑒頻原理示意圖1.3.3 晶體鐘石英諧振器簡稱晶體，是晶體振蕩器的核心元件。用晶體穩頻的歷史已經遠遠流暢，主要原因是：石英晶體無論物理還是化學上都是較為穩定的材料，其諧振頻率也十分穩定；石英晶體具有彈性振動損耗極小的特點，而品質因數可達數百萬；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題就是頻率溫度特性，雖然它的溫度系數較小，只是在一個較小的范圍，當溫度范圍較寬時，所有切型的晶體的振動頻率都隨溫度變

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，晶體的頻率溫度特性越好，則晶振的頻率穩定度就越高，對同一頻率溫度特性的晶體，采用恒溫箱的溫控精度越高，則晶振的頻率穩定度就越高。常見的晶體振蕩器的類型如下：v 通用型晶振這是最簡單的也是應用較廣泛的一種，它用石英晶體做主要的穩頻元件。如圖119所示。圖1-19 通用型晶振結構這種電路不加恒溫措施，所以溫度變化成為影響頻率穩定度的主要因素。采用AT切割的50250兆赫的晶體，工作在-20+70的溫度范圍內，穩定度可達±5×104。這種晶振中老化引起的頻率變化相對于溫度引起的變化來說不是主要的。v 溫度補償晶振（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，電路簡單。圖1-20示出一種溫度被償晶振方框圖。圖1- 20 溫度補償型晶振結構這種晶振有三個優點：(1)不需加熱功率 (2)晶體老化較小，（晶體在高溫下老化大） (3)不需要加熱時間。其穩定度不高，一般在1×10-6量級。當采用復雜的設計，溫度補償效果較好的情況下，工作于3兆赫時，在-30+50的范圍內穩定度可達1×10-7。三、高穩定晶體振蕩器 （OCXO溫控晶體振蕩器）高穩晶體振蕩器采用了恒溫箱（單層或雙層），嚴格控制其環境，溫度使頻率穩定使獲得極大提高。達10-9量級，圖1-21示出其方框圖：圖1-21 高穩晶體振

49、蕩器即使是高穩晶體振蕩器，其短期的頻率穩定性能夠很好，但是長期的頻率穩定性將會很差，為此要采取其他的措施進行處理補償才行。1.3.4 GPS鐘GPS（Globe Positioning System）是美國海軍天文臺設置一套衛星定時、定位（NAVSTARNAVigation Satellite Timing and Ranging）系統，它是全天候射頻、衛星導航系統，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遠的24顆衛星組成，占6條軌道成55度角平面，所有的衛星定時下發的衛星精確位置和UTC時間等信息，其中GPS衛星下發的信息使用2個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天為周期的長偽隨機碼加密處理，C/A碼以微秒周期的短偽隨機碼加密處理，最后進行調制發射。C/A碼和P碼用L1載頻調制發射，P碼只用L2載頻調制發射，以保證能夠校正信號在電離層傳播時產生的時延，P碼用于軍事場合，C/A碼供國內用戶，通常用戶只能成功獲得C/A碼，。GPS提供的精確定時是跟蹤UTC信號基準的，由于其中增加了這種S/A（SELCTED AVALABLE）干擾，使定時和定位精度大大劣化，但是，通過特

51、殊濾波技術，如卡耳曼濾波技術能夠將定時信號恢復足夠高的精度，具有非常高的長期穩定度和長期精確度，可有廣泛的應用。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定度，同時又大大提高了振蕩源長期期的頻率穩定度，年美國DOD計劃取消S/A干擾，屆時更能夠大大推廣GPS定時和定位的應用。下圖1-22為GPS的結構示意圖。圖1-22 GPS系統的組成示意圖GPS定時和定位的基本原理如下，借助GPS衛星信號接受器，通過擴頻碼分多址接受技術，從微弱的信號中獲取恢復出不同衛星定時下發的衛星精確位置和UTC時間等信息，通過如下方程式的運算可得到地面接受站的具體位置（X，Y，Z）、時間

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

53、用高精密晶體單層溫度控制可達10-810-9量級；采用雙層溫度控制在實驗室條件下可達10-910-11量級。晶體振蕩器的缺點是需要較長的加熱時間，并且因為有嚴重的老化現象，需要經常與高一級的標準校準，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驗環境。各種時鐘的主要性能對比如下表： 表1-4 時鐘源性能價格對比一覽表圖1-16是各種時鐘穩定度的曲線對比圖。圖1-16 各種振蕩源的性能對比1.3.6 BITS傳統網同步是采用以網上的數字交換機時鐘為核心，以PDH傳輸為手段構成自上而下的主從同步方式，滿足基本的通訊服務和質量的。而現在隨著數字通訊時代的到來，SD

54、H傳輸網、N0.7信令網、ISDN網、DDN的網、基于TDMA、CDMA的GSM網等新設備和新業務正在迅猛發展，傳統定時性能特別是穩定度性能和漂移性能，越來越極大地影響新設備和新業務的通訊質量和數量。為此提出組建現代數字同步網，BITS成為關鍵設備，利用BITS組網，同步定時信號能夠將最高精度的基準時鐘信號（PRC 或PRS），自上而下去同步網中的低級BITS，大大消除滑碼損傷和漂移損傷，它不僅能使電信網上的數字同步設備獲得高質量、凈化了的定時信號，而且大大簡化目前雜亂的同步組網，使得新型的同步網結構簡潔、清晰，極便于同步網絡的統一監控、管理和維護。BITS提供的主要性能和功能指標有：v 系統

55、的性能指標1 保持的頻率準確度；2 輸出漂移；3 輸出抖動；4 輸入漂移抖動容限；5 漂移產生；6 漂移轉移；7 相位不連續性v 時鐘的性能指標1 最低準確度 ； 2 保持能力；3牽引范圍 ；4保持到跟蹤的性能v 外基準輸入源指外基準輸入信號數量、種類等。通常有設置輸入信號門限功能,當低于門限值時,設備應能發出告警,并自動倒換輸入信號到次優先級信號或轉入保持。v 定時輸出方面定時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、理設備SSMB同步狀態信息BITS設備2048kbit/s輸入信號和2048kbit/s輸出信號中具有處理同步狀態信息SSM（符合ITU-T的G704建議）的功能。系統能按SSM來擇用、倒換輸入基準信號也能根據時鐘工作狀態從輸出口輸出SSM。v 定時監測與監測告警設備檢測有：(1)定時信號狀態及性能監測信號丟失(LOS)； 幀丟失(OOF)； 傳輸系統告警指示信號(AIS)； 循環冗余檢查(CRC)； 雙極性破壞(BPV)； 頻率偏移(ff)； 最大時間間隔誤差(MTIE)； 時間偏差(TDEV)； 原始相位數據(Raw phase)， BITS能暫存一天以上連續量的數據點集。(2)同步供給設備工作狀態顯示 同步時鐘單元的工作模式（快捕、鎖定、保持、自由運行）； 輸入參考信號的優先級別和工作狀態； 輸入卡工作狀態。(3)告警指示 設備的告警