傳輸系統(tǒng)中的時(shí)鐘同步技術(shù)

同步模塊是每個(gè)系統(tǒng)的心臟，它為系統(tǒng)中的其他每個(gè)模塊饋送正確的時(shí)鐘信號(hào)。因此需要對(duì)同步模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)給予特別關(guān)注。本文對(duì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘特性進(jìn)行了考察，并對(duì)信號(hào)惡化的原因進(jìn)行了評(píng)估。本文還分析了同步惡化的影響，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化組織為確保傳輸質(zhì)量和各種傳輸設(shè)備的互操作性而制定的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面。為了通過(guò)降低發(fā)射和接收錯(cuò)誤來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)效率，必須使系統(tǒng)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(jí)。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義同步網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及其在標(biāo)準(zhǔn)接口上的預(yù)期性能，以保證傳輸質(zhì)量和傳輸設(shè)備的無(wú)縫集成。有大量的同步問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在建立系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)中時(shí)鐘惡化的原因和影響，并分析了標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了各種實(shí)現(xiàn)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(duì)其理想出現(xiàn)的短暫偏離”。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，抖動(dòng)被定義為數(shù)字信號(hào)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(shù)倍位置出現(xiàn)，但實(shí)際上會(huì)有所不同。這種脈沖位置調(diào)制被認(rèn)為是一種抖動(dòng)。這也被稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)的相位噪聲。在下圖中，實(shí)際信號(hào)邊沿在理想信號(hào)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(dāng)于一個(gè)信號(hào)周期 (T)，等于 360 度。假設(shè)事件為 E，第 n 次出現(xiàn)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(cè)量的峰到峰抖動(dòng)值使用最小和最大瞬時(shí)抖動(dòng)測(cè)量計(jì)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(dǎo)致的影響會(huì)顯現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)的不同但特定的區(qū)域。
　　抖動(dòng)類(lèi)型
　　根據(jù)產(chǎn)生原因，抖動(dòng)可分成兩種主要類(lèi)型：隨機(jī)抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)。隨機(jī)抖動(dòng)，正如其名，是不可預(yù)測(cè)的，由隨機(jī)的噪聲影響如熱噪聲等引起。隨機(jī)抖動(dòng)通常發(fā)生在數(shù)字信號(hào)的邊沿轉(zhuǎn)換期間，造成隨機(jī)的區(qū)間交叉。毫無(wú)疑問(wèn)，隨機(jī)抖動(dòng)具有高斯概率密度函數(shù) (PDF)，由其均值 (μ) 和均方根值 (rms) (σ) 決定。由于高斯函數(shù)的尾在均值的兩側(cè)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(jī)抖動(dòng)通常采用其均方根值來(lái)表示和測(cè)量。

圖 2.以高斯概率密度函數(shù)表示的隨機(jī)抖動(dòng)

　　對(duì)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(jī)抖動(dòng)的均方根值轉(zhuǎn)換成峰到峰值。為將均方根抖動(dòng)轉(zhuǎn)換成峰到峰抖動(dòng)，定義了隨機(jī)抖動(dòng)高斯函數(shù)的任意極限 (arbitrary limit)。誤碼率 (BER) 是這種轉(zhuǎn)換中的一個(gè)有用參數(shù)，其假設(shè)高斯函數(shù)中的瞬時(shí)抖動(dòng)一旦落在其強(qiáng)制極限之外即出現(xiàn)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(duì)應(yīng)不同的 BER 值。



　　確定性抖動(dòng)是有界的，因此可以預(yù)測(cè)，且具有確定的幅度極限?？紤]集成電路 (IC) 系統(tǒng)，有大量的工藝、器件和系統(tǒng)級(jí)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(shù)字信號(hào)的失真，使過(guò)零區(qū)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(hào)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(tǒng)中存在地電位漂移、差分輸入之間存在電壓偏移、信號(hào)的上升和下降時(shí)間出現(xiàn)變化等，也可能造成這種失真。

圖 3，總抖動(dòng)的雙模表示

　　數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng) (DDJ) 和符號(hào)間干擾 (ISI) 致使信號(hào)具有不同的過(guò)零區(qū)間電平，導(dǎo)致每種唯一的位型出現(xiàn)不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換。這也稱(chēng)為模式相關(guān)抖動(dòng) (PDJ)。信號(hào)路徑的低頻截止點(diǎn)和高頻帶寬將影響 DDJ。當(dāng)信號(hào)路徑的帶寬可與信號(hào)的帶寬進(jìn)行比較時(shí)，位就會(huì)延伸到相鄰位時(shí)間內(nèi)，造成符號(hào)間干擾 (ISI)。低頻截止點(diǎn)會(huì)使低頻器件的信號(hào)出現(xiàn)失真，而系統(tǒng)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(diào)制信號(hào)邊沿。這可能是由于供給整個(gè)系統(tǒng)的電源或者甚至系統(tǒng)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(cè)試和仿真。不相關(guān)抖動(dòng)可能由電源噪聲或串?dāng)_和其他電磁干擾造成。
　　考慮抖動(dòng)對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響時(shí)，需要將整個(gè)確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)考慮在內(nèi)。確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)的總計(jì)結(jié)果將產(chǎn)生另外一種概率分布4：雙模響應(yīng)，其中部表示確定性抖動(dòng)，尾部為高斯響應(yīng)，表示隨機(jī)抖動(dòng)分量。
 
　　抖動(dòng)測(cè)量 — TIE、MITE 和 TEDV
　　時(shí)間間隔誤差 (TIE) 是通過(guò)對(duì)實(shí)際時(shí)鐘間隔的測(cè)量和對(duì)理想?yún)⒖紩r(shí)鐘同一間隔的測(cè)量得到的。在給定時(shí)間 t，以一個(gè)稱(chēng)為觀測(cè)間隔的時(shí)間間隔產(chǎn)生時(shí)間 T(t) 的時(shí)鐘，其相對(duì)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(shù)。）
　　TIE 表示信號(hào)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(jì)算大量統(tǒng)計(jì)派生函數(shù)如 MTIE、TDEV 等。 同步模塊是每個(gè)系統(tǒng)的心臟，它為系統(tǒng)中的其他每個(gè)模塊饋送正確的時(shí)鐘信號(hào)。因此需要對(duì)同步模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)給予特別關(guān)注。本文對(duì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘特性進(jìn)行了考察，并對(duì)信號(hào)惡化的原因進(jìn)行了評(píng)估。本文還分析了同步惡化的影響，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化組織為確保傳輸質(zhì)量和各種傳輸設(shè)備的互操作性而制定的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面。為了通過(guò)降低發(fā)射和接收錯(cuò)誤來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)效率，必須使系統(tǒng)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(jí)。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義同步網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及其在標(biāo)準(zhǔn)接口上的預(yù)期性能，以保證傳輸質(zhì)量和傳輸設(shè)備的無(wú)縫集成。有大量的同步問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在建立系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)中時(shí)鐘惡化的原因和影響，并分析了標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了各種實(shí)現(xiàn)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(duì)其理想出現(xiàn)的短暫偏離”。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，抖動(dòng)被定義為數(shù)字信號(hào)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(shù)倍位置出現(xiàn)，但實(shí)際上會(huì)有所不同。這種脈沖位置調(diào)制被認(rèn)為是一種抖動(dòng)。這也被稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)的相位噪聲。在下圖中，實(shí)際信號(hào)邊沿在理想信號(hào)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(dāng)于一個(gè)信號(hào)周期 (T)，等于 360 度。假設(shè)事件為 E，第 n 次出現(xiàn)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(cè)量的峰到峰抖動(dòng)值使用最小和最大瞬時(shí)抖動(dòng)測(cè)量計(jì)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(dǎo)致的影響會(huì)顯現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)的不同但特定的區(qū)域。
　　抖動(dòng)類(lèi)型
　　根據(jù)產(chǎn)生原因，抖動(dòng)可分成兩種主要類(lèi)型：隨機(jī)抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)。隨機(jī)抖動(dòng)，正如其名，是不可預(yù)測(cè)的，由隨機(jī)的噪聲影響如熱噪聲等引起。隨機(jī)抖動(dòng)通常發(fā)生在數(shù)字信號(hào)的邊沿轉(zhuǎn)換期間，造成隨機(jī)的區(qū)間交叉。毫無(wú)疑問(wèn)，隨機(jī)抖動(dòng)具有高斯概率密度函數(shù) (PDF)，由其均值 (μ) 和均方根值 (rms) (σ) 決定。由于高斯函數(shù)的尾在均值的兩側(cè)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(jī)抖動(dòng)通常采用其均方根值來(lái)表示和測(cè)量。

圖 2.以高斯概率密度函數(shù)表示的隨機(jī)抖動(dòng)

　　對(duì)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(jī)抖動(dòng)的均方根值轉(zhuǎn)換成峰到峰值。為將均方根抖動(dòng)轉(zhuǎn)換成峰到峰抖動(dòng)，定義了隨機(jī)抖動(dòng)高斯函數(shù)的任意極限 (arbitrary limit)。誤碼率 (BER) 是這種轉(zhuǎn)換中的一個(gè)有用參數(shù)，其假設(shè)高斯函數(shù)中的瞬時(shí)抖動(dòng)一旦落在其強(qiáng)制極限之外即出現(xiàn)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(duì)應(yīng)不同的 BER 值。



　　確定性抖動(dòng)是有界的，因此可以預(yù)測(cè)，且具有確定的幅度極限?？紤]集成電路 (IC) 系統(tǒng)，有大量的工藝、器件和系統(tǒng)級(jí)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(shù)字信號(hào)的失真，使過(guò)零區(qū)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(hào)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(tǒng)中存在地電位漂移、差分輸入之間存在電壓偏移、信號(hào)的上升和下降時(shí)間出現(xiàn)變化等，也可能造成這種失真。

圖 3，總抖動(dòng)的雙模表示

　　數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng) (DDJ) 和符號(hào)間干擾 (ISI) 致使信號(hào)具有不同的過(guò)零區(qū)間電平，導(dǎo)致每種唯一的位型出現(xiàn)不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換。這也稱(chēng)為模式相關(guān)抖動(dòng) (PDJ)。信號(hào)路徑的低頻截止點(diǎn)和高頻帶寬將影響 DDJ。當(dāng)信號(hào)路徑的帶寬可與信號(hào)的帶寬進(jìn)行比較時(shí)，位就會(huì)延伸到相鄰位時(shí)間內(nèi)，造成符號(hào)間干擾 (ISI)。低頻截止點(diǎn)會(huì)使低頻器件的信號(hào)出現(xiàn)失真，而系統(tǒng)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(diào)制信號(hào)邊沿。這可能是由于供給整個(gè)系統(tǒng)的電源或者甚至系統(tǒng)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(cè)試和仿真。不相關(guān)抖動(dòng)可能由電源噪聲或串?dāng)_和其他電磁干擾造成。
　　考慮抖動(dòng)對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響時(shí)，需要將整個(gè)確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)考慮在內(nèi)。確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)的總計(jì)結(jié)果將產(chǎn)生另外一種概率分布4：雙模響應(yīng)，其中部表示確定性抖動(dòng)，尾部為高斯響應(yīng)，表示隨機(jī)抖動(dòng)分量。
 
　　抖動(dòng)測(cè)量 — TIE、MITE 和 TEDV
　　時(shí)間間隔誤差 (TIE) 是通過(guò)對(duì)實(shí)際時(shí)鐘間隔的測(cè)量和對(duì)理想?yún)⒖紩r(shí)鐘同一間隔的測(cè)量得到的。在給定時(shí)間 t，以一個(gè)稱(chēng)為觀測(cè)間隔的時(shí)間間隔產(chǎn)生時(shí)間 T(t) 的時(shí)鐘，其相對(duì)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(shù)。）
　　TIE 表示信號(hào)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(jì)算大量統(tǒng)計(jì)派生函數(shù)如 MTIE、TDEV 等。