北京润光泰力科技发展有限公司 彭荣国 （100083）
摘要：本文介绍SDH设备时钟的功能要求、主要性能指标分析及一个成功的方案
关键词：SDH、设备时钟
目前，SDH已经被大规模使用，并且伴随宽带时代的到来它的应用会越来越广泛。SDH是在PDH的基础上发展起来的，和PDH相比它具有很多优点，但同时设计的复杂程度也更高，这主要表现在时钟处理等方面。从SDH在国内几年来的应用来看，出现的问题主要是由于时钟的性能不完善造成的，时钟处理的质量也是国内设备和国外设备的差距所在。随着光纤网络的延伸，SDH得到广泛应用，终端设备离用户越来越近，同时体积也越来越小，价格逐步降低。在这种情况下，更应当重视时钟的质量。如果单纯追求简单化、小型化，而忽视了设备的时钟性能，可能影响到SDH网络的稳定性和可靠性，给运营商提供优质的服务埋下了隐患。所以说，改善时钟性能是增强SDH设备国际竞争力最有效的手段。
一 SDH设备时钟的功能要求
设备时钟是为设备内部、STM-N光信号发送及交换设备等提供定时信号的，它的参考源可以来自于STM-N的输入信号（T1）、PDH输入信号（T2）和外基准同步信号（T3）。如图1。
注： T1、T2和T3信号可能不止一个。
SETG是同步定时发生器，应具备锁定、保持和自由运行模式。
T4 为外部设备（如交换机、BITS等）提供定时参考。
T0 为设备内部和发送的STM-N信号提供定时。
二 SDH设备时钟的性能指标分析
下面简要回顾一下时钟指标要求和相关的技术问题
1， 频率准确度
指标要求在自由运行状态下设备时钟的输出频率准确度优于4.6×10-6。该指标之所以从以前的±20×10-6改为目前的值，主要是因为±4.6×10-6的晶振的实现难度不比±20×10-6复杂太多，而性能却提高很多。
2， 同步和失步范围
指标要求最小同步和失步范围都是±4.6×10-6，但没有规定最大范围，试想如果一个参考信号的频偏很大，而设备时钟的同步范围又很宽，这势必造成本设备和下游设备工作在一个低等级非正常的状态。正确的方法应该是当参考信号频偏超过一定的范围后，设备时钟将不再跟踪，而切换到其它的参考源，或进入保持、自由运行模式。当然由于没有更好的基准来检测输入参考的频偏，而只能是本地晶振，值得欣慰的是设备时钟所采用的晶振的频率准确度通常较高。
3， 噪声产生
噪声产生是指当输入参考为理想信号的情况下，输出的噪声。主要包括两项：
1) 锁定模式的漂移
指标要求详见ITU-T G.813相关章节，锁定模式的漂移导致线路和虚容器之间的产生相位偏差，当多个网元级联时这种相位偏差通常按线性累积，结果导致指针调整。 锁定时漂移产生的主要原因是设备时钟的晶振（包括压控振荡器）输出的温度稳定性不好造成的。如图2的模拟锁相环，由于温度变化导致VCO的输出频率产生变化（假如Vo恒定），而根据锁相环的特性当锁定时So的频率和Si的频率相等，这就要求Vo要向相反的方向变化以阻止So频率的变化，即要求Vi随着变化，这也就要求Si和So之间的相位产生变化，于是漂移产生了。
根据以上分析，若想减少漂移的产生，须采用温度稳定性较好的晶振。
2) 输出抖动
指标要求T4口（2.048Mhz or 2.048Mb/s）的输出抖动在加20hz-100khz的带通滤波器的条件下，不大于0.05UI。对于这一指标唯一值得注意的是如果采用数字方式产生T4信号，数控振荡器（DCO）的工作频率要足够的高。
STM-N输出抖动的指标要求见表1, 从表中可以看出尽管不同速率接口的抖动要求相对值相同，但绝对值相差很大，也就是说，速率越高要求输出抖动的幅度越小。如何有效地抑制输出抖动，特别是高速接口的输出抖动是时钟设计过程中一个非常值得重视的地方。通常对于STM-4速率以上的设备在基本的锁相电路之后需要一个再处理过程，就是把VCO的输出再经过一个专用的去抖动芯片处理，再用来作为设备的工作时钟和发送时钟。
4， 噪声容限
噪声容限是指在不引起任何告警、不引起时钟进入保持模式、不引起时钟的基准倒换，同时维持时钟在规定的性能范围内的时钟输入端所允许的最小噪声水平。指标要求请参考ITU-T G.813相关章节，该指标一般不是很难做到的。需要注意的是时钟的噪声容限和基于误码的设备噪声容限的测量方法不同。
5， 噪声传递
指标要求在通带内网元时钟的相位增益应不大于0.2dB.所谓通带是指时钟模块串联的所有锁相环级联之后的带宽，当图1中的SETG的带宽远远小于其它的锁相环带宽时也可近似地认为SETG的带宽就是时钟模块的带宽，要求此带宽在1-10Hz之间。噪声传递是要求尽量不要把通带内的噪声扩大。当采用模拟的方式实现时由于元器件是温度敏感的，环境因素的影响而容易使相位增益过大，采用数字方式实现时能够避免这种影响，但要求有效字长要长一些，这样要浪费一些资源。
6， 短期相位瞬变响应
当在同源的输入参考源之间切换时，在输出口所产生的相位变化称为短期相位瞬变响应。这种相位变化要限定在一定的范围内，它包括设备时钟脱离一个参考源而进入暂时的保持时的相位跳变、保持时的初始频差（将在“长期相位瞬变响应”时详细介绍）、由保持进入锁定另一个参考源时的相位跳变。
7， 长期相位瞬变响应（保持）
指标要求当网元时钟丢失其基准源而进入保持模式时，在丢失基准的瞬间，输出信号相对其输入信号的相位误差在任意观察时间S大于15s时，不应超过以下限值：
ΔT(S)=[(a1+a2)·S + 0.05bS2 + C ] ns
其中：a1=5×10-8，表示初始频差。
a2=2×10-6，表示进入保持状态后，由温度变化引起的频率变化。（注：国内标准经过换算为a2=0.315×10-6）
b=1.16×10-4ns/S2，是由老化引起的频率变化。
C=120ns，是初始相位偏移。
为了使设备时钟具备保持功能，需要在锁定的时不停地存储参考源的频率信息，a1其实是参考源的实际频率和存储器记忆的频率之间的误差，该值和记忆的时间段长度以及位长有关，通常增加位长对其影响较大。
a2决定于VCO或温补晶振的温度稳定性。国内指标要求以每天为基础测试，考虑温度在20-30℃范围变化，1天频偏≤0.37×10-6，该要求实际上是对VCO或温补晶振提出的最高要求，选择晶振要以此为准。
b一般也仅和VCO或温补晶振有关。
C是进入保持时的一次性相位跳变，和“短期相位响应”中的含义相同，通常和锁相环的阻尼系数有关。
三 SDH设备中和时钟相关的其他方面
1,Transceiver
从光模块来的STM-N信号，经过Transceiver时钟恢复、分频、串并变换后送给时钟处理摸块和其它模块（如开销、映射），经处理后再送回Transceiver倍频、并串变换后送光模块发送，这就构成了一台SDH设备。值得注意的时Transceiver要有足够的抖动容限，另外其倍频时的锁相环带宽通常是几百Khz，甚至几Mhz，这就要求工作时钟的噪声在低频段要比较理想。
2,同步状态消息（SSM Synchronization Status Message）
SSM是时钟质量等级的标识，STM-N信号使用复用段开销字节S1的低4位来传递，而对于E1（2.048Mb/s）则使用PCM复帧的第一个子复帧内奇数帧T0时隙的第4-8个比特中的某一个来传递，我国使用第4比特。
在定时模式改变时，SSM要做相应的改变，并且这种改变有延时的要求。对拓扑越复杂的网络，SSM越重要，而SSM和定时模式的紧密结合是保证网络稳定性和避免定时环路的有效手段。有关SSM的更多信息请参考IUT-T G.781或YDN 121-1999。
四 一个时钟芯片的范例
RC7820是一款由润光泰力公司设计的一种典型的设备时钟方案，SDH设备时钟的专用集成电路，单片完成设备时钟的全部功能，同时具备两个STM-1 Transceiver和完善的SSM处理功能。用在STM-1设备上不需任何其它器件，即可完成时钟恢复、串并变换、时钟处理、并串变换、发送等功能，用于STM-4、STM-16时仅需很少的外围器件。它的功能结构如图3。支持多达8个线路参考，每个线路参考可有多种速率选择；2个T2信号，芯片内部具备E1时钟恢复和解码电路，支持SSM；2个T3信号，2.048Mhz和2.048Mb/s可选，当为2.048Mb/s时，芯片内部能进行时钟恢复和解码，支持SSM。输出2个2.048Mhz和2.048Mb/s可选的T4信号和多个速率等级的T0信号。同时具备微处理器接口（MPI）和边界扫描功能。
选择器B从输入参考中选择一个作为DPLL1的参考，DPLL1是一个基于DSP技术的全数字的锁相环，带宽为0.05Hz-20Hz可选，并采用独特的存储保持方式，保持精度（即初始频差）可达1×10-9以上，达到了3级钟的要求。DPLL1输出的信号经APLL滤波(滤除数字方式产生的高频抖动)、倍频到155.52Mhz,作为Transceiver的发送时钟，155.52Mhz分频后可作为设备的工作时钟。DPLL2完成频率变换功能。选择器A从T1信号中选择2个，分别作为两个DPLL3的输入参考。选择器C从3个输入信号中选择2个作为输出时钟（T4）。由于T4口的输出全部采用数字方式实现，使得抖动和飘移的控制变得非常容易。
CHINA通信网组稿
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