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(hào)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(kāi)始位置，從而確定每個(gè)路徑信號(hào)中的對(duì)應(yīng)位置并能夠正確地區(qū)分它們。 通過(guò)在信道碼中插入幀同步碼來(lái)實(shí)現(xiàn)幀同步。 網(wǎng)絡(luò)同步意味著網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號(hào)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(jí)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(hào)是相互獨(dú)立的，在網(wǎng)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)間既沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)的傳輸路徑也沒(méi)有控制信號(hào)的傳輸路徑。 各節(jié)點(diǎn)通過(guò)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€(gè)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(gè)交換中設(shè)置高精度的基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過(guò)傳輸鏈路向網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)從節(jié)點(diǎn)傳輸該基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘信號(hào)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(shù)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(jí)，當(dāng)基準(zhǔn)時(shí)鐘失效時(shí)采用下一級(jí)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(jí)識(shí)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(lái)自上位的一級(jí)或主節(jié)點(diǎn)的定時(shí)信號(hào)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(hào)。 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(gè)作用：產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)并供給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)字設(shè)備的輸入的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生故障時(shí)， 可以繼續(xù)輸出穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，降低從上位的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)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(gè)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(dòng)。 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(guò)程簡(jiǎn)單，適用于樹(shù)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(hào)傳輸鏈路中發(fā)生故障，則整個(gè)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(hào)在傳輸鏈路上的干擾引起定

5、時(shí)參考信號(hào)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(dòng)作時(shí)，其輸出時(shí)鐘信號(hào)頻率緊跟著基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)頻率這種輸出信號(hào)的頻率與基準(zhǔn)信號(hào)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(chǔ)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(chǔ)輸入基準(zhǔn)信號(hào)的頻率信息的功能，因此，當(dāng)丟失基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，鎖相環(huán)可以按照存儲(chǔ)的基準(zhǔn)時(shí)鐘信息繼續(xù)進(jìn)行相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間動(dòng)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(cè)器輸入進(jìn)行相位檢測(cè)，輸出直流相位檢測(cè)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(duì)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(chǔ)器轉(zhuǎn)換電路。 存儲(chǔ)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(lái)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(mén)電路組成，對(duì)高穩(wěn)定晶體振動(dòng)輸出比較小的信號(hào)進(jìn)行放大整形，傳送到相位檢測(cè)器和濾波器。 濾波器：由2個(gè)低濾波器構(gòu)成，輸出2dB電壓電平的5MHz正弦波。 故障檢測(cè)器：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整流，監(jiān)視鑒別器的情況，輸入信號(hào)消失后，阻斷出廠和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換電路，完成存儲(chǔ)功能，還可以發(fā)出各種警告信號(hào)。 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(hào)來(lái)自一個(gè)多輸入端子的鎖相環(huán)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鎖相環(huán)的輸入信號(hào)是本節(jié)點(diǎn)以外的其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過(guò)相

8、位比較，取它們的加權(quán)平均值來(lái)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(gè)復(fù)雜的多重反饋系統(tǒng)。 可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)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(guò)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(hào)，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(méi)有穩(wěn)定性問(wèn)題，而且各國(guó)之間處于平等

9、地位。 主要缺點(diǎn)是，為了滿足正常的滑動(dòng)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(wú)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性問(wèn)題。 然而，因?yàn)樗蕾囉趩蝹€(gè)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?，所有系統(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(duì)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(gè)時(shí)鐘信號(hào)分配類識(shí)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(huì)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(wú)關(guān)地對(duì)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(gè)是包含銫原子鐘的全國(guó)基準(zhǔn)時(shí)間校正(PRC )，另一個(gè)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(jí)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(jí)別節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，并且終端站可以根據(jù)需要設(shè)置級(jí)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(hào)源的類型如上所述，在同步網(wǎng)中時(shí)鐘信號(hào)被分為電平，以下介紹各電

11、平的時(shí)鐘信號(hào)的類型。 (1)作為成為基準(zhǔn)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，是長(zhǎng)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(jí)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(jí)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(gè)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(guò)2.048MHz的處理器接口電路，輸出一組定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)，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(zhǎng)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(lì)用的入射光經(jīng)由諧振器到達(dá)光檢測(cè)器，光檢測(cè)器的輸出信號(hào)被傳送到振幅相位檢測(cè)器和伺服控制電路，能夠經(jīng)由伺服電路將誤差信號(hào)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(guò)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(duì)溫度敏感的元件封裝的3個(gè)對(duì)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(duì)于溫度變化的斜率為零或變小，通過(guò)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(guó)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(gè)衛(wèi)星如圖7.6所示。、圖7.6 GPS的24個(gè)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(hào)接收器)的三大部分。 GPS信號(hào)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(jí)和時(shí)鐘源、空間系統(tǒng)：由24個(gè)衛(wèi)星組成，分布在6個(gè)圓軌道上，實(shí)際定位用戶使用的是21個(gè)，另3個(gè)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(chǔ)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(cè)系統(tǒng)：這是整個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)

15、中樞，它由一個(gè)主站和分布在幾個(gè)美國(guó)各地的4個(gè)監(jiān)測(cè)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(chǔ)。 用戶接收器僅需要接收來(lái)自4個(gè)衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，就可以測(cè)量偽距和偽距的變化，可以經(jīng)過(guò)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(dòng)站如何獲得地球表面的準(zhǔn)確位置，如下所述移動(dòng)用戶站在地面或近地點(diǎn)空間的地點(diǎn)對(duì)于地心的三維空間有三個(gè)未知數(shù)，移動(dòng)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(gè)衛(wèi)星的已知的三維位置、時(shí)間和移動(dòng)站的未

16、知的三維位置以及時(shí)差構(gòu)成具有四個(gè)未知數(shù)的聯(lián)立方程式，GPS接收機(jī)通過(guò)軟件程序解出該方程式，而獲得移動(dòng)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(hào)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(hào)。 我國(guó)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(hào)、10MHz頻率基準(zhǔn)信號(hào)，而且還提供GPS的通信專用的E1、T1信號(hào)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(hào)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(jí)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(wèn)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(jí)的時(shí)鐘控制，并且輸出信號(hào)被鎖定到上級(jí)的基準(zhǔn)信號(hào)，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(hào)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(hào)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(gè)設(shè)備提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)。 BITS的引入不僅提高了同步的準(zhǔn)確性和可靠性