第7章 數(shù)字同步網(wǎng)和時(shí)間同步網(wǎng)

1、第七章數(shù)字同步網(wǎng)和時(shí)間同步網(wǎng)7.1數(shù)字同步網(wǎng)7.2時(shí)間同步網(wǎng)7.3下一代網(wǎng)絡(luò)中同步技術(shù)的發(fā)展、7.1數(shù)字同步網(wǎng)7.1.1數(shù)字同步的基本概念、同步是指通信雙方的定時(shí)信號符合一定的時(shí)間關(guān)系，分為位同步、幀同步和網(wǎng)絡(luò)同步幀同步的作用在于在同步復(fù)用的情況中能夠正確地區(qū)分每幀的開始位置，從而確定每個路徑信號中的對應(yīng)位置并能夠正確地區(qū)分它們。 通過在信道碼中插入幀同步碼來實(shí)現(xiàn)幀同步。 網(wǎng)絡(luò)同步意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號的頻率相等。7.1.2網(wǎng)絡(luò)同步的方法、網(wǎng)絡(luò)同步的方法可分為準(zhǔn)同步和同步兩種，同步法可分為主從同步、等級主從同步、外基準(zhǔn)同步和互同步，互同步可包括單端控制法和雙端控制法，網(wǎng)絡(luò)同步的方法如

2、圖7.1所示1基準(zhǔn)同步基準(zhǔn)同步網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號是相互獨(dú)立的，在網(wǎng)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)間既沒有時(shí)鐘信號的傳輸路徑也沒有控制信號的傳輸路徑。 各節(jié)點(diǎn)通過使用高精度的時(shí)鐘相互接近同步狀態(tài)。 準(zhǔn)同步網(wǎng)中常用的時(shí)糾是鐘，其頻率精度為11011。 因?yàn)槊總€節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘是相互獨(dú)立的，所以幻燈片代碼是不可避免的。7.1.2網(wǎng)同步的方法、2主從同步在一個交換中設(shè)置高精度的基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過傳輸鏈路向網(wǎng)內(nèi)的各個從節(jié)點(diǎn)傳輸該基準(zhǔn)時(shí)鐘信號，每個從節(jié)點(diǎn)使用鎖相環(huán)將本地時(shí)鐘頻率鎖定為基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，網(wǎng)內(nèi)的各個節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘信號主從同步網(wǎng)中的時(shí)鐘的傳輸可以呈現(xiàn)星型結(jié)構(gòu)和樹型結(jié)構(gòu)。 類從同步是為了提高可靠性而采用的從同步方式。 在該方式中，

3、交換站的時(shí)鐘精度全部有級，當(dāng)基準(zhǔn)時(shí)鐘失效時(shí)采用下一級的時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，發(fā)送到交換站的時(shí)鐘信息全部帶有級識別信息，這是與可靠性進(jìn)行同步的方法。 另外，7.1.2網(wǎng)同步的方法，如圖7.2所示，從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘系統(tǒng)的基本構(gòu)成是帶反相器振蕩器的鎖相環(huán)。 來自上位的一級或主節(jié)點(diǎn)的定時(shí)信號被輸入到相位比較器，鎖相環(huán)的反相器振蕩器根據(jù)比較器的輸出生成新的時(shí)鐘信號。 圖7.2主從同步鎖相環(huán)、7.1.2網(wǎng)絡(luò)同步的方法、從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘系統(tǒng)有4個作用：產(chǎn)生時(shí)鐘信號并供給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)字設(shè)備的輸入的時(shí)鐘信號發(fā)生故障時(shí)， 可以繼續(xù)輸出穩(wěn)定的時(shí)鐘信號，降低從上位的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)鐘信號中包含的高頻噪聲成分，避免時(shí)鐘輸出線的切換引起的相位

4、跳躍。 7.1.2網(wǎng)絡(luò)同步方法、主從同步方式是同步網(wǎng)絡(luò)采用的主要方式，主要優(yōu)點(diǎn)如下：在主從同步區(qū)域內(nèi)形成一個全同步網(wǎng)絡(luò)，避免了準(zhǔn)同步網(wǎng)絡(luò)固有的周期性滑動。 主從同步網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點(diǎn)是從節(jié)點(diǎn)，并且因?yàn)閺墓?jié)點(diǎn)上的時(shí)鐘處于追隨基準(zhǔn)時(shí)鐘的狀態(tài)，所以從節(jié)點(diǎn)上的壓控振蕩器(VCXO )僅需要低精度。 從節(jié)點(diǎn)的控制過程簡單，適用于樹型或星型網(wǎng)絡(luò)，這與當(dāng)前的通信網(wǎng)結(jié)構(gòu)相一致。 主從同步方案的缺點(diǎn)是必須設(shè)置多備用設(shè)備，因?yàn)槿绻谂c主節(jié)點(diǎn)之間的基準(zhǔn)時(shí)鐘或定時(shí)信號傳輸鏈路中發(fā)生故障，則整個系統(tǒng)或本地系統(tǒng)的同步能力將丟失。 系統(tǒng)采用單端(single encontrol )控制，其中定時(shí)信號在傳輸鏈路上的干擾引起定

5、時(shí)參考信號的干擾并且在某種程度上影響時(shí)鐘同步的質(zhì)量。7.1.2網(wǎng)絡(luò)同步的方法，在從主同步網(wǎng)中采用的鎖相環(huán)有緊密耦合鎖相環(huán)和松散耦合兩種：緊密耦合鎖相環(huán)指通常的鎖相環(huán)，當(dāng)鎖相環(huán)正常動作時(shí)，其輸出時(shí)鐘信號頻率緊跟著基準(zhǔn)時(shí)鐘信號頻率這種輸出信號的頻率與基準(zhǔn)信號的頻率緊密耦合的鎖相環(huán)被稱為緊密耦合鎖相環(huán)。 7.1.2網(wǎng)絡(luò)同步的方法，松散耦合鎖相環(huán)是指采用微處理器控制、具有頻率存儲功能的鎖相環(huán)。 在該鎖相環(huán)中，微處理器根據(jù)統(tǒng)一校正平均規(guī)則建立虛擬基準(zhǔn)源，虛擬基準(zhǔn)源具有存儲輸入基準(zhǔn)信號的頻率信息的功能，因此，當(dāng)丟失基準(zhǔn)時(shí)鐘信號時(shí)，鎖相環(huán)可以按照存儲的基準(zhǔn)時(shí)鐘信息繼續(xù)進(jìn)行相當(dāng)長的時(shí)間動作。 7.1.2網(wǎng)絡(luò)同

6、步的方法，圖7.3示出了使用松散耦合振蕩器的鎖相環(huán)，圖中示出了其塊結(jié)構(gòu)，輸入是5MHz正弦波。 電平是2dB的電壓電平，經(jīng)由整形器輸出的5MHz方波和輸出的5MHz方波，以相位檢測器輸入進(jìn)行相位檢測，輸出直流相位檢測電壓v，加到運(yùn)算放大電路中。采用了圖7.3疏耦合振蕩器的鎖相環(huán)、7.1.2網(wǎng)同步的方法、放電電路：由運(yùn)算放大器和其他RC模塊構(gòu)成，對Vd的小變化進(jìn)行放大，施加延遲補(bǔ)償，輸出放大后的電壓VA，輸入到存儲器轉(zhuǎn)換電路。 存儲器轉(zhuǎn)換電路：正常工作時(shí)輸出的控制電壓Vc和輸入的電壓VA的大小大致相同。 故障時(shí)記憶的是故障前的事情。 高穩(wěn)定晶體振蕩：其輸出頻率受直接輸入的控制電壓Vc控制，當(dāng)控制

7、電壓由低向高變化時(shí)，輸出頻率的變化必須大于外來同步頻率的最大偏差及自身劣化引起的頻率變化。 放大輸出：由門電路組成，對高穩(wěn)定晶體振動輸出比較小的信號進(jìn)行放大整形，傳送到相位檢測器和濾波器。 濾波器：由2個低濾波器構(gòu)成，輸出2dB電壓電平的5MHz正弦波。 故障檢測器：對輸入信號進(jìn)行整流，監(jiān)視鑒別器的情況，輸入信號消失后，阻斷出廠和存儲轉(zhuǎn)換電路，完成存儲功能，還可以發(fā)出各種警告信號。 7.1.2網(wǎng)同步的方法，3互同步是互同步網(wǎng)，交換節(jié)點(diǎn)不是主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的部分，時(shí)鐘傳輸線路呈網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。 各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號來自一個多輸入端子的鎖相環(huán)，一個節(jié)點(diǎn)的鎖相環(huán)的輸入信號是本節(jié)點(diǎn)以外的其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號，經(jīng)過相

8、位比較，取它們的加權(quán)平均值來控制壓控振蕩器。 相互同步的工作原理如圖7.4所示。圖7.4互同步的工作原理、7.1.2網(wǎng)同步的方法、互同步網(wǎng)是一個復(fù)雜的多重反饋系統(tǒng)。 可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。 相互同步的控制方式分為單端控制和雙端控制，但兩者都是雙向控制。 在單端控制中，傳輸2站的時(shí)鐘頻率，在雙端控制中，除了傳輸2站的時(shí)鐘頻率之外，還傳輸通過相位比較器將2節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率fa和fb進(jìn)行比較后的輸出信號，防止同步系統(tǒng)的系統(tǒng)頻率隨著節(jié)點(diǎn)間的傳輸延遲的變化而變化7.1.2網(wǎng)絡(luò)同步的方法、4同步方法的比較準(zhǔn)同步方法適用于各種規(guī)模和結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，該方法容易實(shí)施，且沒有穩(wěn)定性問題，而且各國之間處于平等

9、地位。 主要缺點(diǎn)是，為了滿足正常的滑動代碼指示符，需要使用高成本的高穩(wěn)定性時(shí)鐘。 主從方法易于實(shí)施，無網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性問題。 然而，因?yàn)樗蕾囉趩蝹€主時(shí)鐘，所以從站處的時(shí)鐘需要相當(dāng)高的穩(wěn)定性，因?yàn)榭煽啃缘停邢到y(tǒng)在主時(shí)鐘的故障期間也維持它們的操作。 類從機(jī)方法的可靠性已提高，并對鏈路故障并不敏感，可應(yīng)用于所有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是必須向各個時(shí)鐘信號分配類識別信息。在相互同步中的單端控制還應(yīng)用到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，大大提高了定時(shí)可靠性，原則上時(shí)鐘穩(wěn)定性低于主從方法所要求的時(shí)鐘穩(wěn)定性。 其缺點(diǎn)在于，系統(tǒng)頻率的變化頻繁，系統(tǒng)頻率會引起傳輸延遲的變化。 雙端控制與系統(tǒng)頻率和時(shí)延的改變無關(guān)地對同步系統(tǒng)有進(jìn)一步改進(jìn)，但使得系

10、統(tǒng)變得更加復(fù)雜。 7.1.2網(wǎng)同步的方法、7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平和時(shí)鐘源、1主從同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平同步網(wǎng)采用的同步方式主要是主從同步方式，主從同步網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘降低了時(shí)鐘的復(fù)雜性和成本，少數(shù)高電平的節(jié)點(diǎn)采用高精度的時(shí)鐘一個是包含銫原子鐘的全國基準(zhǔn)時(shí)間校正(PRC )，另一個是由配置在同步供應(yīng)單元的全球定位系統(tǒng)GPS組成的區(qū)域基準(zhǔn)(LPR )時(shí)間校正，可以接受PRC的同步。 除了采用級別2節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的主接入站之外，其它接入站可以設(shè)置級別節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，并且終端站可以根據(jù)需要設(shè)置級別3的節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘。 7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平和時(shí)鐘源、2時(shí)鐘信號源的類型如上所述，在同步網(wǎng)中時(shí)鐘信號被分為電平，以下介紹各電

11、平的時(shí)鐘信號的類型。 (1)作為成為基準(zhǔn)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，是長期頻率偏移低于11011的時(shí)鐘源，在同步網(wǎng)中作為主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘源經(jīng)由分配路徑傳輸至從節(jié)點(diǎn)，以控制以下的各級的時(shí)鐘。 基準(zhǔn)時(shí)間校正由鐘提供，鐘的主要部件是銫管，利用銫原子的固有特征，根據(jù)能級遷移的共振特性，產(chǎn)生一定的共振頻率。 7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平和時(shí)鐘源、銫素管提供的諧振頻率為9192631770Hz，不能直接使用。 將一個鎖相環(huán)輸出5MHz的高穩(wěn)定晶體振蕩器鎖定為銫管的諧振頻率，并通過2.048MHz的處理器接口電路，輸出一組定時(shí)基準(zhǔn)信號，圖7.5基準(zhǔn)時(shí)鐘源的構(gòu)成，7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平和時(shí)鐘銣時(shí)訂，體積小于鐘，預(yù)熱時(shí)間短，成本

12、低，長期老化率為21010/年。 銣元素在燈泡內(nèi)被激發(fā)，形成等離子體區(qū)域，形成發(fā)光系統(tǒng)。 激勵用的入射光經(jīng)由諧振器到達(dá)光檢測器，光檢測器的輸出信號被傳送到振幅相位檢測器和伺服控制電路，能夠經(jīng)由伺服電路將誤差信號變換為控制電路施加到電壓控制振蕩器，在銣時(shí)刻校正，有正確的5MHz和10MHz的輸出。 7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平和時(shí)鐘源，(3)水晶時(shí)校在同步網(wǎng)中大量使用水晶振蕩器，利用水晶的諧振特性，產(chǎn)生振蕩頻率，并通過鎖相環(huán)根據(jù)需要輸出相應(yīng)的頻率。 晶體振蕩器的輸出頻率根據(jù)溫度變化而變化，為了改善，采取了將晶體和對溫度敏感的元件封裝的3個對策。 設(shè)置溫度補(bǔ)償電路。 將影響晶體和其他諧振頻率準(zhǔn)確性的

13、元件放入恒溫槽中，將其中的溫度調(diào)節(jié)為晶體頻率相對于溫度變化的斜率為零或變小，通過恒溫控制可以將頻率的溫度特性改善1000倍左右。 7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平和時(shí)鐘源、(4)GPS接收裝置(GPS系統(tǒng)的配置及其定位應(yīng)用)基準(zhǔn)時(shí)鐘源的另一提供者是GPS (全球定位系統(tǒng))系統(tǒng)接收裝置。 在接收自GPS的定時(shí)信息中跟蹤的銣或水晶時(shí)鐘作為時(shí)鐘源，這些時(shí)鐘源是控制源，但這些時(shí)鐘可以達(dá)到基準(zhǔn)時(shí)鐘的精度，因此通常被作為基準(zhǔn)時(shí)鐘， 7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘水平和時(shí)鐘源，1994年7月，美國最后完成了現(xiàn)在在軌道上的24顆GPS導(dǎo)航星的發(fā)射。 GPS的24個衛(wèi)星如圖7.6所示。、圖7.6 GPS的24個衛(wèi)星、7.1.

14、3同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平和時(shí)鐘源、GPS系統(tǒng)包括空間(GPS衛(wèi)星)、地面控制和監(jiān)視系統(tǒng)、用戶設(shè)備(GPS信號接收器)的三大部分。 GPS信號接收器可接收準(zhǔn)確達(dá)到納秒(ns )水平的時(shí)間信息以供授課。圖7.7 GPS系統(tǒng)配置、7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘級和時(shí)鐘源、空間系統(tǒng)：由24個衛(wèi)星組成，分布在6個圓軌道上，實(shí)際定位用戶使用的是21個，另3個是備用衛(wèi)星。 星星導(dǎo)航系統(tǒng)是其心臟部分，由導(dǎo)航消息存儲器、高穩(wěn)定性銫和銣原子訂、P(Precise )碼和C/A(Coarse/Acquisition )碼發(fā)生器、計(jì)算機(jī)、接收機(jī)、發(fā)送機(jī)、天線等構(gòu)成7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘水平和時(shí)鐘源、地面監(jiān)測系統(tǒng)：這是整個系統(tǒng)的神經(jīng)

15、中樞，它由一個主站和分布在幾個美國各地的4個監(jiān)測站組成，內(nèi)部設(shè)有一組標(biāo)準(zhǔn)原子時(shí)鐘。 用戶定位設(shè)備：由天線、接收機(jī)、帶軟件的數(shù)據(jù)處理器和控制、顯示部分組成，能夠?qū)壍郎线\(yùn)行的衛(wèi)星進(jìn)行工作選擇、數(shù)據(jù)采集、加工處理、運(yùn)算和存儲。 用戶接收器僅需要接收來自4個衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，就可以測量偽距和偽距的變化，可以經(jīng)過數(shù)據(jù)處理確定三維位置、速度和時(shí)間數(shù)據(jù)。 7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘水平和時(shí)鐘源，移動站如何獲得地球表面的準(zhǔn)確位置，如下所述移動用戶站在地面或近地點(diǎn)空間的地點(diǎn)對于地心的三維空間有三個未知數(shù)，移動站自身的時(shí)間校正是GPS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間校正和時(shí)差未知數(shù)。 由此，四個衛(wèi)星的已知的三維位置、時(shí)間和移動站的未

16、知的三維位置以及時(shí)差構(gòu)成具有四個未知數(shù)的聯(lián)立方程式，GPS接收機(jī)通過軟件程序解出該方程式，而獲得移動站的三維坐標(biāo)。 7.1.3同步網(wǎng)的時(shí)鐘電平和時(shí)鐘源、通信網(wǎng)應(yīng)用中主要利用GPS系統(tǒng)的時(shí)鐘系統(tǒng)：從GPS接收機(jī)接收的時(shí)鐘信號具有足夠的精度，在通信網(wǎng)的同步系統(tǒng)中設(shè)為本地的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號。 我國數(shù)字同步網(wǎng)使用的接收設(shè)備是通信領(lǐng)域?qū)Ｓ玫亩嘈诺繥PS接收機(jī)，不僅提供GPS的1PPS精密定位服務(wù)時(shí)間信號、10MHz頻率基準(zhǔn)信號，而且還提供GPS的通信專用的E1、T1信號輸出，以消除由于大部分SA干擾的實(shí)施而引起的誤差， 輸出時(shí)鐘信號的校準(zhǔn)精度優(yōu)于11012，時(shí)間同步性能優(yōu)于11012，7.1.3同步網(wǎng)絡(luò)的時(shí)

17、鐘級和時(shí)鐘源，7.1.4 BITS及其在同步網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，解決同步問題的有效方法是引入綜合定時(shí)供應(yīng)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)bit BITS是接收上升的設(shè)備，其由上級的時(shí)鐘控制，并且輸出信號被鎖定到上級的基準(zhǔn)信號，而另一方面，它作為另一時(shí)鐘源統(tǒng)一供應(yīng)時(shí)鐘信號到站中的各種設(shè)備。 1BITS的時(shí)鐘供給范圍各種數(shù)字交換設(shè)備(線路交換、數(shù)據(jù)包交換、ATM交換)。 各種SDH數(shù)字傳輸設(shè)備。 各種數(shù)字交叉連接設(shè)備(傳輸網(wǎng)、DDN中的DXC )。 7號信令網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 為低階比特或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)比特提供定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)專用線。 7.1.4比特及其在同步網(wǎng)中的應(yīng)用圖7.8示出了比特向站內(nèi)的每個設(shè)備提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號。 BITS的引入不僅提高了同步的準(zhǔn)確性和可靠性