傳輸系統(tǒng)中的時鐘同步技術(shù)

同步模塊是每個系統(tǒng)的心臟，它為系統(tǒng)中的其他每個模塊饋送正確的時鐘信號。因此需要對同步模塊的設(shè)計和實現(xiàn)給予特別關(guān)注。本文對影響系統(tǒng)設(shè)計的時鐘特性進行了考察，并對信號惡化的原因進行了評估。本文還分析了同步惡化的影響，并對標(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)要求進行了探討。

　　摘要：
　　網(wǎng)絡(luò)同步和時鐘產(chǎn)生是高速傳輸系統(tǒng)設(shè)計的重要方面。為了通過降低發(fā)射和接收錯誤來提高網(wǎng)絡(luò)效率，必須使系統(tǒng)的各個階段都要使用的時鐘的質(zhì)量保持特定的等級。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)備的無縫集成。有大量的同步問題，系統(tǒng)設(shè)計人員在建立系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)時必須十分清楚。本文論述了時鐘惡化的各種來源，如抖動和漂移。本文還討論了傳輸系統(tǒng)中時鐘惡化的原因和影響，并分析了標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了各種實現(xiàn)技巧。

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

圖 1.抖動示意

　　抖動，不同于相位噪聲，它以單位間隔 (UI) 為單位來表示。一個單位間隔相當(dāng)于一個信號周期 (T)，等于 360 度。假設(shè)事件為 E，第 n 次出現(xiàn)表示為 tE[n] 。則瞬時抖動可以表示為：
  

　　一組包括 N 個抖動測量的峰到峰抖動值使用最小和最大瞬時抖動測量計算如下：
  

　　漂移是低頻抖動。兩者之間的典型劃分點為 10 Hz。抖動和漂移所導(dǎo)致的影響會顯現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)的不同但特定的區(qū)域。
　　抖動類型
　　根據(jù)產(chǎn)生原因，抖動可分成兩種主要類型：隨機抖動和確定性抖動。隨機抖動，正如其名，是不可預(yù)測的，由隨機的噪聲影響如熱噪聲等引起。隨機抖動通常發(fā)生在數(shù)字信號的邊沿轉(zhuǎn)換期間，造成隨機的區(qū)間交叉。毫無疑問，隨機抖動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)無限延伸，瞬時抖動和峰到峰抖動可以是無限值。因此隨機抖動通常采用其均方根值來表示和測量。

圖 2.以高斯概率密度函數(shù)表示的隨機抖動

　　對抖動余量來講，峰到峰抖動比均方根抖動更為有用，因此需要把隨機抖動的均方根值轉(zhuǎn)換成峰到峰值。為將均方根抖動轉(zhuǎn)換成峰到峰抖動，定義了隨機抖動高斯函數(shù)的任意極限 (arbitrary limit)。誤碼率 (BER) 是這種轉(zhuǎn)換中的一個有用參數(shù)，其假設(shè)高斯函數(shù)中的瞬時抖動一旦落在其強制極限之外即出現(xiàn)誤碼。通過下面兩個公式，就可以得到均方根抖動到峰到峰抖動的換算。3
       

　　由公式可得到下表，表中峰到峰抖動對應(yīng)不同的 BER 值。



　　確定性抖動是有界的，因此可以預(yù)測，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)級因素將會影響確定性抖動。占空比失真 (DCD) 和脈沖寬度失真 (PWD) 會造成數(shù)字信號的失真，使過零區(qū)間偏離理想位置，向上或向下移動。這些失真通常是由信號的上升沿和下降沿之間時序不同而造成。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、信號的上升和下降時間出現(xiàn)變化等，也可能造成這種失真。

圖 3，總抖動的雙模表示

　　數(shù)據(jù)相關(guān)抖動 (DDJ) 和符號間干擾 (ISI) 致使信號具有不同的過零區(qū)間電平，導(dǎo)致每種唯一的位型出現(xiàn)不同的信號轉(zhuǎn)換。這也稱為模式相關(guān)抖動 (PDJ)。信號路徑的低頻截止點和高頻帶寬將影響 DDJ。當(dāng)信號路徑的帶寬可與信號的帶寬進行比較時，位就會延伸到相鄰位時間內(nèi)，造成符號間干擾 (ISI)。低頻截止點會使低頻器件的信號出現(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
　　正弦抖動以正弦模式調(diào)制信號邊沿。這可能是由于供給整個系統(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也可能造成正弦抖動。正弦抖動廣泛用于抖動環(huán)境的測試和仿真。不相關(guān)抖動可能由電源噪聲或串?dāng)_和其他電磁干擾造成。
　　考慮抖動對數(shù)字信號的影響時，需要將整個確定性抖動和隨機抖動考慮在內(nèi)。確定性抖動和隨機抖動的總計結(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，尾部為高斯響應(yīng)，表示隨機抖動分量。
 
　　抖動測量 — TIE、MITE 和 TEDV
　　時間間隔誤差 (TIE) 是通過對實際時鐘間隔的測量和對理想?yún)⒖紩r鐘同一間隔的測量得到的。在給定時間 t，以一個稱為觀測間隔的時間間隔產(chǎn)生時間 T(t) 的時鐘，其相對于時鐘 Tref(t) 的TIE 可通過下面公式表示。（x(t) 稱為誤差函數(shù)。）
　　TIE 表示信號中的高頻相位噪聲，提供了實際時鐘的每個周期偏離理想情況的直接信息。TIE 用于計算大量統(tǒng)計派生函數(shù)如 MTIE、TDEV 等。 同步模塊是每個系統(tǒng)的心臟，它為系統(tǒng)中的其他每個模塊饋送正確的時鐘信號。因此需要對同步模塊的設(shè)計和實現(xiàn)給予特別關(guān)注。本文對影響系統(tǒng)設(shè)計的時鐘特性進行了考察，并對信號惡化的原因進行了評估。本文還分析了同步惡化的影響，并對標(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)要求進行了探討。

　　摘要：
　　網(wǎng)絡(luò)同步和時鐘產(chǎn)生是高速傳輸系統(tǒng)設(shè)計的重要方面。為了通過降低發(fā)射和接收錯誤來提高網(wǎng)絡(luò)效率，必須使系統(tǒng)的各個階段都要使用的時鐘的質(zhì)量保持特定的等級。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)備的無縫集成。有大量的同步問題，系統(tǒng)設(shè)計人員在建立系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)時必須十分清楚。本文論述了時鐘惡化的各種來源，如抖動和漂移。本文還討論了傳輸系統(tǒng)中時鐘惡化的原因和影響，并分析了標(biāo)準(zhǔn)要求，提出了各種實現(xiàn)技巧。

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

圖 1.抖動示意

　　抖動，不同于相位噪聲，它以單位間隔 (UI) 為單位來表示。一個單位間隔相當(dāng)于一個信號周期 (T)，等于 360 度。假設(shè)事件為 E，第 n 次出現(xiàn)表示為 tE[n] 。則瞬時抖動可以表示為：
  

　　一組包括 N 個抖動測量的峰到峰抖動值使用最小和最大瞬時抖動測量計算如下：
  

　　漂移是低頻抖動。兩者之間的典型劃分點為 10 Hz。抖動和漂移所導(dǎo)致的影響會顯現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)的不同但特定的區(qū)域。
　　抖動類型
　　根據(jù)產(chǎn)生原因，抖動可分成兩種主要類型：隨機抖動和確定性抖動。隨機抖動，正如其名，是不可預(yù)測的，由隨機的噪聲影響如熱噪聲等引起。隨機抖動通常發(fā)生在數(shù)字信號的邊沿轉(zhuǎn)換期間，造成隨機的區(qū)間交叉。毫無疑問，隨機抖動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)無限延伸，瞬時抖動和峰到峰抖動可以是無限值。因此隨機抖動通常采用其均方根值來表示和測量。

圖 2.以高斯概率密度函數(shù)表示的隨機抖動

　　對抖動余量來講，峰到峰抖動比均方根抖動更為有用，因此需要把隨機抖動的均方根值轉(zhuǎn)換成峰到峰值。為將均方根抖動轉(zhuǎn)換成峰到峰抖動，定義了隨機抖動高斯函數(shù)的任意極限 (arbitrary limit)。誤碼率 (BER) 是這種轉(zhuǎn)換中的一個有用參數(shù)，其假設(shè)高斯函數(shù)中的瞬時抖動一旦落在其強制極限之外即出現(xiàn)誤碼。通過下面兩個公式，就可以得到均方根抖動到峰到峰抖動的換算。3
       

　　由公式可得到下表，表中峰到峰抖動對應(yīng)不同的 BER 值。



　　確定性抖動是有界的，因此可以預(yù)測，且具有確定的幅度極限。考慮集成電路 (IC) 系統(tǒng)，有大量的工藝、器件和系統(tǒng)級因素將會影響確定性抖動。占空比失真 (DCD) 和脈沖寬度失真 (PWD) 會造成數(shù)字信號的失真，使過零區(qū)間偏離理想位置，向上或向下移動。這些失真通常是由信號的上升沿和下降沿之間時序不同而造成。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、信號的上升和下降時間出現(xiàn)變化等，也可能造成這種失真。

圖 3，總抖動的雙模表示

　　數(shù)據(jù)相關(guān)抖動 (DDJ) 和符號間干擾 (ISI) 致使信號具有不同的過零區(qū)間電平，導(dǎo)致每種唯一的位型出現(xiàn)不同的信號轉(zhuǎn)換。這也稱為模式相關(guān)抖動 (PDJ)。信號路徑的低頻截止點和高頻帶寬將影響 DDJ。當(dāng)信號路徑的帶寬可與信號的帶寬進行比較時，位就會延伸到相鄰位時間內(nèi)，造成符號間干擾 (ISI)。低頻截止點會使低頻器件的信號出現(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
　　正弦抖動以正弦模式調(diào)制信號邊沿。這可能是由于供給整個系統(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也可能造成正弦抖動。正弦抖動廣泛用于抖動環(huán)境的測試和仿真。不相關(guān)抖動可能由電源噪聲或串?dāng)_和其他電磁干擾造成。
　　考慮抖動對數(shù)字信號的影響時，需要將整個確定性抖動和隨機抖動考慮在內(nèi)。確定性抖動和隨機抖動的總計結(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，尾部為高斯響應(yīng)，表示隨機抖動分量。
 
　　抖動測量 — TIE、MITE 和 TEDV
　　時間間隔誤差 (TIE) 是通過對實際時鐘間隔的測量和對理想?yún)⒖紩r鐘同一間隔的測量得到的。在給定時間 t，以一個稱為觀測間隔的時間間隔產(chǎn)生時間 T(t) 的時鐘，其相對于時鐘 Tref(t) 的TIE 可通過下面公式表示。（x(t) 稱為誤差函數(shù)。）
　　TIE 表示信號中的高頻相位噪聲，提供了實際時鐘的每個周期偏離理想情況的直接信息。TIE 用于計算大量統(tǒng)計派生函數(shù)如 MTIE、TDEV 等。