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SDH/SONET網絡同步分層結構的時鐘符合性測試
為了防止數據傳輸丟失，需要對一條電信網絡上的所有時鐘進行同步，以確保發送和接收節點以同樣的速率對數據進行采樣。網絡同步以時鐘分層結構為基礎(圖1)，頂層時鐘精度最高。
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圖1：SDH/SONET 網絡同步分層結構。 |
分層結構中的下一層為同步供給單元(SSU)或樓宇綜合定時供給(BITS)。SSU/BITS 具有保持性能，當它失去與PRC/PRS 的同步后，可以產生一個短時間內精度高于其固有自由振蕩精度的時鐘。SSU/BITS 通常采用由銣時鐘驅動的數字鎖相環(DPLL)來實現。
第三層是SDH設備時鐘(SEC)或 SONET最小時鐘(SMC)。SEC/SMC 也具有保持性能，但其保持和自由振蕩精度性能低于對SSU/BITS的要求。SEC/SMC通常采用由恒溫晶體振蕩器(OCXO)或溫度控制晶體振蕩器 (TCXO)驅動的DPLL來實現。分層結構中的第二層及以下各層，只要其到 PRC/PRS 的路徑不中斷，就可以擁有與PRC/PRS相同的時鐘精度。
出于可靠性原因，希望所有全球性電信網絡全部同步到一個單一的PRC/PRS是不現實的。實際網絡采用一種包含許多獨立運行的PRC/PRS的平行時鐘分布結構。每個電信提供商一般都有自己的 PRC/PRS，這意味著全球性電信網絡是由一些同步孤島通過一些準同步鏈路鏈接而成的。
PRC/PRS和SSU/BITS通常實現為只具有時鐘功能(無數據傳輸)的獨立產品，而SEC/SMC一般都作為網絡產品的一部分被實現，如插分多路復用器等。
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圖2：MTIE 計算示例。 |
任何具有PDH或SDH/SONET接口的電信產品都必須符合相應的時鐘標準。標準不是一種要克服的障礙，而是可以提高網絡可靠性和不同廠商之間互操作性的一系列規范。
有兩個主要標準實體，負責制定網絡時鐘要求。它們就是面向北美地區的Telcordia和面向世界其他地區的ITU。Telcordia 要求通過GR-XXX-CORE 規范來規定，而ITU則通過ITU-T G.XXX 系列文檔覆蓋網絡時鐘部分。圖1說明了與時鐘分層結構的不同層次相應的ITU和 Telcordia標準。
通信系統中的損傷
抖動和漂移被定義為數字信號在時間上偏離其理想位置的短期變動和長期變動。
本質上，抖動和漂移是通常用來描述數字信號相位噪聲的術語。完全定義相位噪聲的兩個參數是幅度和頻率。頻率低于10Hz的相位噪聲稱為漂移，而頻率等于或高于10Hz的相位噪聲稱為抖動。
如果對于一個具有相位噪聲的時鐘，使用以相同頻率但沒有相位噪聲的時鐘觸發的示波器來對其進行觀察，我們將會看到，時鐘的上升沿和下降沿模糊不清(時間上定義不清晰)。如果時鐘具有低頻相位噪聲(漂移)，我們會看到上升沿和下降沿實際上正在以等于漂移頻率的速率前后移動。這種移動的范圍定義為抖動/漂移的幅度。網絡通信中的抖動幅度以單位時間間隔(UI)來表示，其中UI等于時鐘周期。電信網絡中的相位噪聲圖在時域中通常表現為任意形狀。因此，其頻譜不是離散的，盡管它可能會含有一些離散分量。
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圖3：典型電信系統中的時鐘。 |
* SDH/SONET 網絡中的指針調整，它允許虛容器 (VC)/虛支路(VT)在一個 STM-N/OC-N 幀之內前后移動。指針調整用于補償 VC/VT和STM-N/OC-N 的時鐘之間的相位變化。指針調整按一個字節的步幅進行，因而會產生較大幅度的相位噪聲。
* 位調整(Bit justification)，用于當 PDH 信號映射到 VC/VT 時對PDH和STM-N/OC-N信號之間的分數頻率差異進行補償。因位調整引起的相位噪聲的頻率與PDH和STM-N/OC-N信號之間的分數頻率差異成正比。
* PDH網絡中的位填充(Bit stuffing)，用于對低層信號進行異步多路復接，形成一路高層 PDH 信號。例如，位填充被用于將四路異步E1信號復接成一路E2信號。
* 傳輸介質(光纖、銅)傳播延遲變化，由溫度變化引起，也稱為日漂移(diurnal wander)。由于環境溫度變化很慢，這種類型的漂移一般頻率很低。
* 同步元件(DPLL)中的固有漂移。網絡通信中使用的 DPLL 通常具有很窄的環路帶寬，以便更有效地從輸入參考信號中濾除抖動和漂移。雖然窄環帶寬對于從參考信號中濾除相位噪聲十分有效，但它無法濾除用作 DPLL 主時鐘的晶體振蕩器產生的本地相位噪聲。DPLL
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圖4：時鐘品質鑒定測試裝置。 |
時鐘標準以濾波后抖動的最大幅度(以UI為單位的峰-峰值)來規定抖動要求，而漂移則是以最大時間間隔誤差(MTIE)和時間偏差(TDEV)來規定的。
時間間隔誤差(TIE)顯示了被測時鐘的邊沿相對于理想時鐘的邊沿在時間上偏離的程度。并不是對時鐘的每個連續邊沿都進行測量，而是通常間隔 30 ms，以降低采集的數據量(一般需持續 27 小時)，同時高速變化(抖動)也不是此處所考慮的。TIE 通常以[ns]表示，但也可以使用[us]和UI為單位來表示。
MTIE是通過對TIE數據進行計算，尋找一個滑動窗口內TIE的最大(峰-峰)變化而得到的，如圖2所示。
首先，我們從寬度等于兩個TIE樣本間時間(？0) 的最小窗口開始，使其滑過TIE測量期間并找到 MTIE(？0)。接著，增大滑動窗口的尺寸并找到新窗口的 MTIE(2*？0)。重復這一過程，直到滑動窗口的尺寸等于測量期間 (N*？0)。此過程可使用以下公式來表示。
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n = 1, 2, ..., N
MTIE特別適合用于估計幀調節器中使用的環形緩沖區的最小尺寸，用于補償將數據寫入環形緩沖區的線路時鐘(提取時鐘)與由時鐘卡 DPLL 和線路卡 DPLL/APLL 產生的、用于從緩沖區中讀取數據的本地時鐘之間的相位誤差。
盡管 MTIE 對于表征最大相位誤差非常有用，但它不含關于漂移頻譜的任何信息。漂移的頻譜，連同造成漂移的噪聲過程類型一起，可通過TDEV獲得?？赏ㄟ^TDEV檢測和量化的噪聲有：白相位噪聲、閃爍相位噪聲、白頻率噪聲、閃爍頻率噪聲以及隨機漫步頻率噪聲。
TDEV以統計的方式通過積分時間展示了時鐘相位偏離理想時鐘的程度。由于頻率是時間的倒數，因此較小的積分時間表示存在較高的漂移頻率分量，而較大的積分時間則表示存在較低的頻率分量?？梢钥吹?，TDEV 等效于通過一個中心頻率為 0.42/？的帶通濾波器測得的均方根相位噪聲功率，其中？為 TDEV積分時間。
TDEV是通過從 TIE 樣本取得二階差分而計算得到的，其計算如下：
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其中n = 1, 2,..., 積分元件 (N/3)
TDEV對系統性誤差不敏感，如被測時鐘與測試儀使用的“理想”時鐘之間的固定頻率偏移等。
相位瞬態
出于冗余的目的，任何網絡節點都必須接收至少兩個同步參考時鐘。相位瞬態是指相位相對于其理想位置的突然移動：當網絡節點的同步參考時鐘突然中斷時，就會發生這種情況。
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圖5：典型漂移產生 MTIE 和 TDEV 測試結果。 |
長期相位瞬態發生在沒有冗余同步參考時鐘可用的時候。在這種情況下，網絡節點時鐘將轉入保持模式，相位誤差以正比于保持精度的速率繼續增大。保持模式將在“時鐘卡”部分進行說明。最大允許相位瞬態采用 MTIE 和最大相位斜率來規定。
典型電信系統
電信系統必須在所有網絡條件下提供高度可靠的操作。為此，應對系統內最關鍵的組件進行冗余備份，包括時鐘。
典型系統的時鐘包含兩個時鐘卡，它們通過一個公共后接線板向多個線路卡饋送時鐘，如圖 3 所示。所有線路卡均同步于來自活動時鐘卡的時鐘。如果活動時鐘卡時鐘失敗(例如，卡未插入)，線路卡將同步到來自冗余時鐘卡的時鐘。從一個時鐘卡切換到另一個時鐘卡不得在系統中引起任何中斷或失敗。時鐘卡冗余的實現細節請參閱參考文獻 [1]。
時鐘卡
使用兩個時鐘卡可以防止一個卡失敗時造成內部故障。正如圖 3 所示，為了防止外部時鐘參考失敗，時鐘卡設計成能夠同步到多個參考時鐘。
一個時鐘卡從多個源接收參考時鐘，選擇一個，使用一個DPLL對其進行相位噪聲濾波，然后通過后接線板將其分配到線路卡上。DPLL是時鐘卡中最重要的元件。時鐘卡 DPLL參考時鐘可來自外部的一個 SSU/BITS，來自內部的線路卡或系統中的其他時鐘卡。根據產品的目標應用和部署區域，DPLL需要符合相應的時鐘規范，如 Telcordia GR-1244 CORE、Telcordia GR-253-CORE 或 ITU G.813。DPLL 需能夠提供一組重要特性，包括：
* 無中斷參考時鐘切換：如果 DPLL 鎖定的參考時鐘失敗，DPLL 將鎖定到另一個可用的參考時鐘上，且不會在其輸出上出現相位擾動。
* 保持模式：DPLL 連續計算鎖定參考時鐘的平均頻率。如果參考時鐘失敗，且沒有其他參考時鐘可用，DPLL 將轉入保持模式，并根據計算的平均值產生一個輸出時鐘。保持穩定性取決于 DPLL 平均算法的分辨率和用作該 DPLL 主時鐘的振蕩器的頻率穩定度。
* 參考時鐘監測：DPLL 需要連續監測其輸入參考時鐘的質量。如果 DPLL鎖定的參考時鐘惡化(消失或頻率漂移)，DPLL將發出報警(中斷)并切換到另一個有效參考時鐘。
* 窄環帶寬：DPLL 可被視為一個相位噪聲濾波器。環路帶寬越窄，相位噪聲衰減越好。一些規范，如 G.813，明確規定了環路帶寬。其他標準，包括
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圖6：典型相位噪聲轉移測試結果。 |
* 高抖動和漂移容差：DPLL 應能夠容許其輸入上有較大相位噪聲而仍能保持同步。
成本最低且最簡單的時鐘卡設計方法是使用一個能夠保證時鐘性能需求的、現成的單片 DPLL。另外一種選擇是使用有些晶體振蕩器廠商提供的一種混合模塊 DPLL。但是，模塊方法一般要比單片 DPLL方法貴很多，并且要求更大的電路板面積，功率也更大。第三種選擇是開發一種自行研發的 DPLL。這種策略風險很大，因為即使擁有自主研發時鐘專家，要開發一種符合時鐘規范的 DPLL仍需要一個很長的開發周期，其中包括很多反復。表1對這三種方法進行了比較。
線路卡
如圖 3 所示，每個線路卡具有一個 DPLL，后跟一個模擬 PLL(APLL)。DPLL用于實現活動時鐘和冗余時鐘之間的無中斷切換，提供短時間內時鐘的持續，例如當活動時鐘意外消失，而系統未檢測到活動參考時鐘失敗，并切換，鎖定于提供冗余參考時鐘的線路卡 DPLL 之前。一個線路卡 DPLL需要有一個晶體振蕩器(同任何 DPLL一樣)。但是，這種振蕩器可以是低成本振蕩器，因為線路卡 DPLL不需要轉入保持模式(除了在活動和冗余時鐘之間切換時的短暫時間)。對于長期保持，系統將依賴于時鐘卡 DPLL。因此，時鐘卡 DPLL 要求使用質量較高的晶體振蕩器 (TCXO, OCXO)。
APLL 只用于抖動減小和倍頻。使用 APLL可以實現無中斷參考時鐘切換。但是，很難獲得良好的時鐘持續性，因為相對于使用晶體振蕩器的 DPLL 而言，APLL中通常使用的基于 LC 的振蕩器具有很低的保持穩定性。典型地，一個 DPLL的短期保持精度為 0.01ppm(百萬分之一)或更優，而一個 APLL的保持精度卻在 100ppm以上。
時鐘符合性測試
雖然 PLL對于時鐘符合性來說是最重要的裝置，但所有時鐘規范要求卻都沒有對其性能做出特別的規定。時鐘規范是為網絡產品(插分多路復用器、路由器等)而不是僅僅針對 PLL制定的。符合性是在網絡產品數據接口(E1/T1、STM-1/OC3 等)而非時鐘層次(PLL 輸出)上進行測試的。
市場上有可以進行完整的標準符合性測試的設備。最常用的有安科特納(Acterna)公司的 ANT-20和安捷倫公司的OmniBER。圖4顯示了一種典型的測試裝置。
雖然時鐘規范要求是在網絡接口上測試的，但出于調試的目的，同時也在時鐘層次上進行測試將會非常有用。例如，如果我們在網絡接口上進行的抖動產生測試中失敗，我們無法確定失敗是否是由線路卡 PLL、扇出緩沖器、或是幀調節器/LIU 造成的，除非我們在時鐘層次上進行抖動產生測試。
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圖7：典型相位噪聲容限測試結果。 |
對于較高級別的Sonet/SDH，其最大允許抖動為皮秒范圍，這時相位噪聲分析儀將是必不可少的。這是因為它們可以測量亞皮秒抖動，并可提供對相位噪聲頻率分布的觀察，可方便地對相位噪聲進行濾波和積分。
抖動產生
抖動產生要求規定了當提供干凈(無抖動)輸入參考時鐘時，被測設備(EUT)產生的最大固有抖動量。最大固有抖動是以通過一個一階帶通濾波器測量時得到的以 UI為單位的峰-峰值來規定的。最關鍵的抖動產生元件是線路卡 DPLL 和 APLL、LIU(SerDes)和光學模塊。確保設計可靠性，因為 LIU和光學模塊一般總會增加抖動，設計DPLL+APLL的預計抖動產生應至少比規范要求低 50%。抖動產生可使用圖 4 中所示的測試裝置進行測量。因為抖動產生是在使用一個干凈輸入參考時鐘的情況下進行測量的，因此應禁用測試儀內部的抖動/漂移產生模塊。
漂移產生
漂移產生要求規定了當提供極為穩定的無漂移輸入參考時鐘時，被測設備(EUT)產生的最大固有漂移量。漂移產生要求采用 MTIE和TDEV模板(mask)來定義。圖5顯示了典型的漂移產生 MTIE和TDEV測試結果。
固有漂移主要依賴于時鐘卡DPLL的帶寬和用作時鐘卡 DPLL主時鐘的晶體振蕩器的短期頻率波動。當提供干凈輸入參考時鐘時，DPLL可以對那些短期頻率波動進行補償并在其輸出上提供干凈時鐘。DPLL的此項能力依賴于其帶寬--帶寬越寬，補償越好。由于規范對 DPLL的帶寬做出了規定，因此唯一的變量就是晶體振蕩器。因為線路卡 DPLL一般都具有較寬的帶寬，因此其晶體振蕩器不必很穩定。
進行漂移相關的測試時，總是需要使用一個具有高精度和穩定性的外部時鐘。典型的情況是，測試儀被提供一個源于 PRC/PRS 的時鐘，如 GPS或提供一個如圖4所示的銣時鐘源。
相位噪聲(抖動和漂移)轉移
相位噪聲轉移表示了輸出和輸入相位噪聲之間的比率與相位噪聲頻率的關系。其定義為：
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實質上，它表示了 EUT 將從哪個頻率開始衰減相位噪聲。它還顯示了 EUT在通帶區域內是否存在任何相位噪聲峰化(增益)。圖6顯示了一種典型的 EUT 相位噪聲轉移曲線。
相位噪聲轉移主要受時鐘卡 DPLL影響，因為 PLL 可以被看作是相位噪聲的低通濾波器。EUT 時鐘鏈中的其他 PLL(時鐘卡 DPLL和 APLL)的影響不是很重要，因為它們的環路帶寬比時鐘卡 DPLL 的環路帶寬要寬得多。
相位噪聲轉移和抖動產生的測試裝置是相同的(圖 4)。偽隨機數據被調制以正弦相位噪聲，然后饋送至 EUT。EUT的輸出反饋到測試儀，在這里，時鐘被從數據中提取并饋送到一個抖動/漂移測量計。對不同的相位噪聲頻率重復進行上述測量。測試儀產生的相位噪聲的幅度應當對所有測量恒定不變，其選擇應小于 EUT 在最高相位噪聲頻率時的相位噪聲容差。
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表1：時鐘卡實現方法比較。 |
相位噪聲(抖動和漂移)容限
相位噪聲容限規定了 EUT仍能保持同步而不產生任何數據丟失或報警時所能容許的最小相位噪聲量。用于相位噪聲容差測量的測試裝置如圖 4 所示。偽隨機數據被調制以正弦相位噪聲，然后饋送至 EUT。EUT 的輸出反饋到測試儀，在那里對位差錯和報警進行檢查。相位噪聲幅度緩慢增大，直到測試儀檢測到位差錯或報警。對不同的相位噪聲頻率重復進行上述測量。如圖 7 所示，測得的相位噪聲容限值與來自目標時鐘規范的相位噪聲容限模板進行比較。
與漂移轉移類似，Telcordia 規范(GR-1244-CORE 和 GR-253-CORE)以及針對1.544 Mbps 層次的 ITU 規范(G.813 中第 2 項)不使用正弦漂移進行漂移容限測試。兩種規范均建議使用與對 TDEV 所定義的頻譜一樣寬的頻譜的漂移。
短期相位瞬態
短期相位瞬態規定了 EUT在兩個同步參考時鐘之間切換時其輸出上的最大相位誤差和最大相位斜率。測試裝置與圖 3 中的裝置類似，不同之處在于，需要使用一個額外的測試儀產生一個第二參考時鐘。測試是通過斷開活動參考時鐘，從而引起 EUT 時鐘(時鐘卡 DPLL)切換到輔助時鐘源而進行的。短期相位瞬態采用 MTIE 模板(mask)規定。
短期相位瞬態主要依賴于時鐘卡 DPLL 參考時鐘切換機制。
長期相位瞬態(保持)
長期相位瞬態規定了當 EUT 處于保持模式時相位的最大偏移。它采用測量時鐘和“理想”時鐘之間的分數頻率偏移和頻率漂移進行量化表示。G.813 第 1 項中的最大相位誤差定義如下：
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其中：
(方程5)對應于初始頻率偏移，定義為 50 ns/s
(方程6)是因溫度變化引起的頻率偏移，等于 2000 ns/s。如果沒有溫度變化，則其等于零。
(方程7)是由老化引起的頻率漂移。規定為
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保持完全依賴于時鐘卡 DPLL及其主時鐘晶體振蕩器的穩定性。特別地，初始保持精度(方程5)依賴于 DPLL平均算法的分辨率，而其他參數則依賴于晶體振蕩器的穩定性。
參考文獻
[1] Slobodan Milijevic, Adding Timing Redundancy to Comm Equipement Designs, Communications System Design Magazine, Dec. 2004
[2] Definitions and terminology for synchronization networks ITU-T Recommendation G.810, 1996
[3] Timing characteristics of SDH equipment slave clocks (SEC) ITU-T Recommendation G.813, 1998
[4] Synchronous Optical Network (SONET) Transport Systems: Common Generic Criteria GR-253-CORE, Issue 3, 2000
[5] Clocks for the Synchronized Network: Common Generic Criteria GR-1244-CORE, Issue 2, 2000
作者：Slobodan Milijevic
Email: slobodan.milijevic@zarlink.com
卓聯半導體公司
原文轉自：http://www.anti-gravitydesign.com
