傳輸系統中的時(shí)鐘同步技術(shù)

同步模塊是每個(gè)系統的心臟，它為系統中的其他每個(gè)模塊饋送正確的時(shí)鐘信號。因此需要對同步模塊的設計和實(shí)現給予特別關(guān)注。本文對影響系統設計的時(shí)鐘特性進(jìn)行了考察，并對信號惡化的原因進(jìn)行了評估。本文還分析了同步惡化的影響，并對標準化組織為確保傳輸質(zhì)量和各種傳輸設備的互操作性而制定的標準要求進(jìn)行了探討。

　　摘要：
　　網(wǎng)絡(luò )同步和時(shí)鐘產(chǎn)生是高速傳輸系統設計的重要方面。為了通過(guò)降低發(fā)射和接收錯誤來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )效率，必須使系統的各個(gè)階段都要使用的時(shí)鐘的質(zhì)量保持特定的等級。網(wǎng)絡(luò )標準定義同步網(wǎng)絡(luò )的體系結構及其在標準接口上的預期性能，以保證傳輸質(zhì)量和傳輸設備的無(wú)縫集成。有大量的同步問(wèn)題，系統設計人員在建立系統體系結構時(shí)必須十分清楚。本文論述了時(shí)鐘惡化的各種來(lái)源，如抖動(dòng)和漂移。本文還討論了傳輸系統中時(shí)鐘惡化的原因和影響，并分析了標準要求，提出了各種實(shí)現技巧。

　　基本概念：抖動(dòng)和漂移
　　抖動(dòng)的一般定義可以是“一個(gè)事件對其理想出現的短暫偏離”。在數字傳輸系統中，抖動(dòng)被定義為數字信號的重要時(shí)刻在時(shí)間上偏離其理想位置的短暫變動(dòng)。重要時(shí)刻可以是一個(gè)周期為 T1 的位流的最佳采樣時(shí)刻。雖然希望各個(gè)位在 T 的整數倍位置出現，但實(shí)際上會(huì )有所不同。這種脈沖位置調制被認為是一種抖動(dòng)。這也被稱(chēng)為數字信號的相位噪聲。在下圖中，實(shí)際信號邊沿在理想信號邊沿附近作周期性移動(dòng)，演示了周期性抖動(dòng)的概念。

圖 1.抖動(dòng)示意

　　抖動(dòng)，不同于相位噪聲，它以單位間隔 (UI) 為單位來(lái)表示。一個(gè)單位間隔相當于一個(gè)信號周期 (T)，等于 360 度。假設事件為 E，第 n 次出現表示為 tE[n] 。則瞬時(shí)抖動(dòng)可以表示為：
  

　　一組包括 N 個(gè)抖動(dòng)測量的峰到峰抖動(dòng)值使用最小和最大瞬時(shí)抖動(dòng)測量計算如下：
  

　　漂移是低頻抖動(dòng)。兩者之間的典型劃分點(diǎn)為 10 Hz。抖動(dòng)和漂移所導致的影響會(huì )顯現在傳輸系統的不同但特定的區域。
　　抖動(dòng)類(lèi)型
　　根據產(chǎn)生原因，抖動(dòng)可分成兩種主要類(lèi)型：隨機抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)。隨機抖動(dòng)，正如其名，是不可預測的，由隨機的噪聲影響如熱噪聲等引起。隨機抖動(dòng)通常發(fā)生在數字信號的邊沿轉換期間，造成隨機的區間交叉。毫無(wú)疑問(wèn)，隨機抖動(dòng)具有高斯概率密度函數 (PDF)，由其均值 (μ) 和均方根值 (rms) (σ) 決定。由于高斯函數的尾在均值的兩側無(wú)限延伸，瞬時(shí)抖動(dòng)和峰到峰抖動(dòng)可以是無(wú)限值。因此隨機抖動(dòng)通常采用其均方根值來(lái)表示和測量。

圖 2.以高斯概率密度函數表示的隨機抖動(dòng)

　　對抖動(dòng)余量來(lái)講，峰到峰抖動(dòng)比均方根抖動(dòng)更為有用，因此需要把隨機抖動(dòng)的均方根值轉換成峰到峰值。為將均方根抖動(dòng)轉換成峰到峰抖動(dòng)，定義了隨機抖動(dòng)高斯函數的任意極限 (arbitrary limit)。誤碼率 (BER) 是這種轉換中的一個(gè)有用參數，其假設高斯函數中的瞬時(shí)抖動(dòng)一旦落在其強制極限之外即出現誤碼。通過(guò)下面兩個(gè)公式，就可以得到均方根抖動(dòng)到峰到峰抖動(dòng)的換算。3
       

　　由公式可得到下表，表中峰到峰抖動(dòng)對應不同的 BER 值。



　　確定性抖動(dòng)是有界的，因此可以預測，且具有確定的幅度極限?？紤]集成電路 (IC) 系統，有大量的工藝、器件和系統級因素將會(huì )影響確定性抖動(dòng)。占空比失真 (DCD) 和脈沖寬度失真 (PWD) 會(huì )造成數字信號的失真，使過(guò)零區間偏離理想位置，向上或向下移動(dòng)。這些失真通常是由信號的上升沿和下降沿之間時(shí)序不同而造成。如果非平衡系統中存在地電位漂移、差分輸入之間存在電壓偏移、信號的上升和下降時(shí)間出現變化等，也可能造成這種失真。

圖 3，總抖動(dòng)的雙模表示

　　數據相關(guān)抖動(dòng) (DDJ) 和符號間干擾 (ISI) 致使信號具有不同的過(guò)零區間電平，導致每種唯一的位型出現不同的信號轉換。這也稱(chēng)為模式相關(guān)抖動(dòng) (PDJ)。信號路徑的低頻截止點(diǎn)和高頻帶寬將影響 DDJ。當信號路徑的帶寬可與信號的帶寬進(jìn)行比較時(shí)，位就會(huì )延伸到相鄰位時(shí)間內，造成符號間干擾 (ISI)。低頻截止點(diǎn)會(huì )使低頻器件的信號出現失真，而系統的高頻帶寬限制將使高頻器件性能下降。7
　　正弦抖動(dòng)以正弦模式調制信號邊沿。這可能是由于供給整個(gè)系統的電源或者甚至系統中的其他振蕩造成。接地反彈和其他電源變動(dòng)也可能造成正弦抖動(dòng)。正弦抖動(dòng)廣泛用于抖動(dòng)環(huán)境的測試和仿真。不相關(guān)抖動(dòng)可能由電源噪聲或串擾和其他電磁干擾造成。
　　考慮抖動(dòng)對數字信號的影響時(shí)，需要將整個(gè)確定性抖動(dòng)和隨機抖動(dòng)考慮在內。確定性抖動(dòng)和隨機抖動(dòng)的總計結果將產(chǎn)生另外一種概率分布4：雙模響應，其中部表示確定性抖動(dòng)，尾部為高斯響應，表示隨機抖動(dòng)分量。
 
　　抖動(dòng)測量 — TIE、MITE 和 TEDV
　　時(shí)間間隔誤差 (TIE) 是通過(guò)對實(shí)際時(shí)鐘間隔的測量和對理想參考時(shí)鐘同一間隔的測量得到的。在給定時(shí)間 t，以一個(gè)稱(chēng)為觀(guān)測間隔的時(shí)間間隔產(chǎn)生時(shí)間 T(t) 的時(shí)鐘，其相對于時(shí)鐘 Tref(t) 的TIE 可通過(guò)下面公式表示。（x(t) 稱(chēng)為誤差函數。）
　　TIE 表示信號中的高頻相位噪聲，提供了實(shí)際時(shí)鐘的每個(gè)周期偏離理想情況的直接信息。TIE 用于計算大量統計派生函數如 MTIE、TDEV 等。 同步模塊是每個(gè)系統的心臟，它為系統中的其他每個(gè)模塊饋送正確的時(shí)鐘信號。因此需要對同步模塊的設計和實(shí)現給予特別關(guān)注。本文對影響系統設計的時(shí)鐘特性進(jìn)行了考察，并對信號惡化的原因進(jìn)行了評估。本文還分析了同步惡化的影響，并對標準化組織為確保傳輸質(zhì)量和各種傳輸設備的互操作性而制定的標準要求進(jìn)行了探討。

　　摘要：
　　網(wǎng)絡(luò )同步和時(shí)鐘產(chǎn)生是高速傳輸系統設計的重要方面。為了通過(guò)降低發(fā)射和接收錯誤來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )效率，必須使系統的各個(gè)階段都要使用的時(shí)鐘的質(zhì)量保持特定的等級。網(wǎng)絡(luò )標準定義同步網(wǎng)絡(luò )的體系結構及其在標準接口上的預期性能，以保證傳輸質(zhì)量和傳輸設備的無(wú)縫集成。有大量的同步問(wèn)題，系統設計人員在建立系統體系結構時(shí)必須十分清楚。本文論述了時(shí)鐘惡化的各種來(lái)源，如抖動(dòng)和漂移。本文還討論了傳輸系統中時(shí)鐘惡化的原因和影響，并分析了標準要求，提出了各種實(shí)現技巧。

　　基本概念：抖動(dòng)和漂移
　　抖動(dòng)的一般定義可以是“一個(gè)事件對其理想出現的短暫偏離”。在數字傳輸系統中，抖動(dòng)被定義為數字信號的重要時(shí)刻在時(shí)間上偏離其理想位置的短暫變動(dòng)。重要時(shí)刻可以是一個(gè)周期為 T1 的位流的最佳采樣時(shí)刻。雖然希望各個(gè)位在 T 的整數倍位置出現，但實(shí)際上會(huì )有所不同。這種脈沖位置調制被認為是一種抖動(dòng)。這也被稱(chēng)為數字信號的相位噪聲。在下圖中，實(shí)際信號邊沿在理想信號邊沿附近作周期性移動(dòng)，演示了周期性抖動(dòng)的概念。

圖 1.抖動(dòng)示意

　　抖動(dòng)，不同于相位噪聲，它以單位間隔 (UI) 為單位來(lái)表示。一個(gè)單位間隔相當于一個(gè)信號周期 (T)，等于 360 度。假設事件為 E，第 n 次出現表示為 tE[n] 。則瞬時(shí)抖動(dòng)可以表示為：
  

　　一組包括 N 個(gè)抖動(dòng)測量的峰到峰抖動(dòng)值使用最小和最大瞬時(shí)抖動(dòng)測量計算如下：
  

　　漂移是低頻抖動(dòng)。兩者之間的典型劃分點(diǎn)為 10 Hz。抖動(dòng)和漂移所導致的影響會(huì )顯現在傳輸系統的不同但特定的區域。
　　抖動(dòng)類(lèi)型
　　根據產(chǎn)生原因，抖動(dòng)可分成兩種主要類(lèi)型：隨機抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)。隨機抖動(dòng)，正如其名，是不可預測的，由隨機的噪聲影響如熱噪聲等引起。隨機抖動(dòng)通常發(fā)生在數字信號的邊沿轉換期間，造成隨機的區間交叉。毫無(wú)疑問(wèn)，隨機抖動(dòng)具有高斯概率密度函數 (PDF)，由其均值 (μ) 和均方根值 (rms) (σ) 決定。由于高斯函數的尾在均值的兩側無(wú)限延伸，瞬時(shí)抖動(dòng)和峰到峰抖動(dòng)可以是無(wú)限值。因此隨機抖動(dòng)通常采用其均方根值來(lái)表示和測量。

圖 2.以高斯概率密度函數表示的隨機抖動(dòng)

　　對抖動(dòng)余量來(lái)講，峰到峰抖動(dòng)比均方根抖動(dòng)更為有用，因此需要把隨機抖動(dòng)的均方根值轉換成峰到峰值。為將均方根抖動(dòng)轉換成峰到峰抖動(dòng)，定義了隨機抖動(dòng)高斯函數的任意極限 (arbitrary limit)。誤碼率 (BER) 是這種轉換中的一個(gè)有用參數，其假設高斯函數中的瞬時(shí)抖動(dòng)一旦落在其強制極限之外即出現誤碼。通過(guò)下面兩個(gè)公式，就可以得到均方根抖動(dòng)到峰到峰抖動(dòng)的換算。3
       

　　由公式可得到下表，表中峰到峰抖動(dòng)對應不同的 BER 值。



　　確定性抖動(dòng)是有界的，因此可以預測，且具有確定的幅度極限?？紤]集成電路 (IC) 系統，有大量的工藝、器件和系統級因素將會(huì )影響確定性抖動(dòng)。占空比失真 (DCD) 和脈沖寬度失真 (PWD) 會(huì )造成數字信號的失真，使過(guò)零區間偏離理想位置，向上或向下移動(dòng)。這些失真通常是由信號的上升沿和下降沿之間時(shí)序不同而造成。如果非平衡系統中存在地電位漂移、差分輸入之間存在電壓偏移、信號的上升和下降時(shí)間出現變化等，也可能造成這種失真。

圖 3，總抖動(dòng)的雙模表示

　　數據相關(guān)抖動(dòng) (DDJ) 和符號間干擾 (ISI) 致使信號具有不同的過(guò)零區間電平，導致每種唯一的位型出現不同的信號轉換。這也稱(chēng)為模式相關(guān)抖動(dòng) (PDJ)。信號路徑的低頻截止點(diǎn)和高頻帶寬將影響 DDJ。當信號路徑的帶寬可與信號的帶寬進(jìn)行比較時(shí)，位就會(huì )延伸到相鄰位時(shí)間內，造成符號間干擾 (ISI)。低頻截止點(diǎn)會(huì )使低頻器件的信號出現失真，而系統的高頻帶寬限制將使高頻器件性能下降。7
　　正弦抖動(dòng)以正弦模式調制信號邊沿。這可能是由于供給整個(gè)系統的電源或者甚至系統中的其他振蕩造成。接地反彈和其他電源變動(dòng)也可能造成正弦抖動(dòng)。正弦抖動(dòng)廣泛用于抖動(dòng)環(huán)境的測試和仿真。不相關(guān)抖動(dòng)可能由電源噪聲或串擾和其他電磁干擾造成。
　　考慮抖動(dòng)對數字信號的影響時(shí)，需要將整個(gè)確定性抖動(dòng)和隨機抖動(dòng)考慮在內。確定性抖動(dòng)和隨機抖動(dòng)的總計結果將產(chǎn)生另外一種概率分布4：雙模響應，其中部表示確定性抖動(dòng)，尾部為高斯響應，表示隨機抖動(dòng)分量。
 
　　抖動(dòng)測量 — TIE、MITE 和 TEDV
　　時(shí)間間隔誤差 (TIE) 是通過(guò)對實(shí)際時(shí)鐘間隔的測量和對理想參考時(shí)鐘同一間隔的測量得到的。在給定時(shí)間 t，以一個(gè)稱(chēng)為觀(guān)測間隔的時(shí)間間隔產(chǎn)生時(shí)間 T(t) 的時(shí)鐘，其相對于時(shí)鐘 Tref(t) 的TIE 可通過(guò)下面公式表示。（x(t) 稱(chēng)為誤差函數。）
　　TIE 表示信號中的高頻相位噪聲，提供了實(shí)際時(shí)鐘的每個(gè)周期偏離理想情況的直接信息。TIE 用于計算大量統計派生函數如 MTIE、TDEV 等。