SDH、同步以太網(wǎng)設(shè)備時鐘的高效率實現(xiàn)方法

時鐘系統(tǒng)是SDH、同步以太網(wǎng)等同步設(shè)備系統(tǒng)的重要組成部分。其功能皆如圖1所示的國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范的框圖，性能則分別是SDH設(shè)備時鐘（SEC）的性能由ITU-T G.813建議規(guī)范，同步以太網(wǎng)設(shè)備時鐘（EEC）的性能由ITU-T G.8262建議規(guī)范。這個重要部分的核心——同步設(shè)備定時發(fā)生器SETG，涉及模擬與數(shù)字電路設(shè)計、高穩(wěn)晶體振蕩器、鎖相環(huán)、ITU-T和國家相關(guān)的通信建議等多項技術(shù)內(nèi)容。如果考慮不周，會給設(shè)計實現(xiàn)與生產(chǎn)管理帶來相當(dāng)多的麻煩。因此，它成為通信設(shè)備系統(tǒng)總體設(shè)計階段就要著重考慮的問題，更是系統(tǒng)實施階段的技術(shù)難點。怎樣能夠在保證時鐘設(shè)計質(zhì)量的前提下，減小設(shè)計難度，提高研發(fā)效率，降低產(chǎn)品綜合成本，加快產(chǎn)品的上市時間，一直是設(shè)備制造商的項目主管、系統(tǒng)設(shè)計師最為關(guān)心的問題。

圖1 ITU-T建議G.783規(guī)范的SDH設(shè)備時鐘功能框圖

設(shè)計的目的最終是為了產(chǎn)品的實現(xiàn)，但產(chǎn)品實現(xiàn)卻包含設(shè)計和生產(chǎn)兩方面的內(nèi)容。從總體設(shè)計師的角度,自然希望能夠有一個性能滿足ITU-T G.813/G.8262技術(shù)規(guī)范要求,功能符合圖1所示框圖的、具有高可靠性的時鐘系統(tǒng),以便能夠為同步設(shè)備的穩(wěn)定工作提供高質(zhì)量的系統(tǒng)主時鐘,同時兼顧到設(shè)備整體的實現(xiàn)代價等等。這無疑對不論是系統(tǒng)工程師還是時鐘技術(shù)人員都提出了非常高的要求：既要考慮主時鐘的性能功能實現(xiàn)及工作可靠性,以及如何保證主時鐘在系統(tǒng)設(shè)備中的分配質(zhì)量,還要考慮時鐘系統(tǒng)乃至最終設(shè)備的生產(chǎn)實現(xiàn)之總體效率。

本文僅就同步設(shè)備時鐘系統(tǒng)的核心部件——同步設(shè)備定時發(fā)生器SETG的幾種類型的實現(xiàn)方案作較為詳細(xì)的分析討論，希望提供給工程師一點思路參考，在進行相關(guān)設(shè)計時，能夠綜合平衡時鐘性能、設(shè)計效率、產(chǎn)品成本等方面，使設(shè)計得到高效率的實施，為進一步實現(xiàn)完整的時鐘系統(tǒng)打下堅實可靠的基礎(chǔ)。

從目前的情況看，同步設(shè)備定時發(fā)生器SETG主要有三種類型的解決方案：

1.自備設(shè)計方案

簡化來看，SETG首先是一個具有頻率與相位保持功能的鎖相環(huán)。所謂保持功能就是當(dāng)鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖荚粗袛鄷r，鎖相環(huán)的輸出頻率與相位都維持在參考源中斷前的瞬時位置，而一般鎖相環(huán)是不具備這個能力的。實現(xiàn)保持功能也是SETG設(shè)計的關(guān)鍵。因此圍繞保持功能的實現(xiàn)方法，可以產(chǎn)生各種不同的設(shè)計方案。比如，在模擬鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上利用ADC采集和DAC還原壓控電壓以實現(xiàn)保持功能；采用數(shù)字鑒相器的數(shù)字相位差輸出連接DAC產(chǎn)生壓控電壓來實現(xiàn)保持功能等等。

籌備成立專門的時鐘開發(fā)部門，采用FPGA/EPLD、DSP/CPU、DAC/ADC等元器件，再選擇合適的壓控晶體振蕩器來開發(fā)設(shè)計相應(yīng)的方案。這是在SDH技術(shù)發(fā)展的早期，由于也沒有其它的方案可供選擇，設(shè)備制造商不得不經(jīng)歷的情形。這要求首先有足夠的時間，同時也有相當(dāng)技術(shù)能力的研發(fā)人員。由于SDH設(shè)備時鐘技術(shù)涉及鎖相環(huán)、晶體振蕩器、通信系統(tǒng)以及計算機等多個技術(shù)領(lǐng)域。不用說，這對于硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的要求都非常高，開發(fā)人員要有精深的軟硬件技術(shù)功底，同時還需要配備專門的時鐘測試儀器儀表，熟悉相關(guān)的測試測量技術(shù)，再經(jīng)過長時間反復(fù)的探索與經(jīng)驗積累，最終才完成性能指標(biāo)符合技術(shù)規(guī)范要求、可靠實用的同步設(shè)備時鐘設(shè)計。這里，由于選擇保持功能不同的實現(xiàn)方式就可能導(dǎo)致SETG電路設(shè)計方案在元器件種類、數(shù)量以及成本上很大的差異。

以這樣規(guī)模人力物力以及時間投入的結(jié)果，可以對同步設(shè)備時鐘的技術(shù)細(xì)節(jié)有深入的了解，也能夠根據(jù)不同產(chǎn)品項目的需要對設(shè)計方案做針對性的改變，以增加開發(fā)工作量為代價來換取功能及成本的一定優(yōu)化。比如根據(jù)項目的不同，改用新品種的壓控晶體振蕩器來適應(yīng)特殊要求，但這需要重新測試與驗證。除此之外，對設(shè)備制造商來說再難有其他的益處。從生產(chǎn)測試的角度看，由于其涉及專業(yè)面寬，技術(shù)性強，設(shè)備制造商需要承擔(dān)相應(yīng)的技術(shù)風(fēng)險；從成本方面看，除了正常的原材料采購、生產(chǎn)測試以及材料損耗等生產(chǎn)管理成本，平時維持這些高級技術(shù)人員的費用也是一筆不小的開支。

對于較早掌握SDH設(shè)備時鐘技術(shù)的設(shè)備制造商來說，無疑曾在競爭中取得過一定的優(yōu)勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，市面上已經(jīng)有專業(yè)廠家提供不同形式的同步設(shè)備時鐘解決方案，來幫助用戶更高效便利地完成時鐘設(shè)計。SDH設(shè)備時鐘作為一種相關(guān)通信設(shè)備制造商必不可少的通用技術(shù)，已經(jīng)沒有了當(dāng)年SDH產(chǎn)業(yè)剛剛起步時的技術(shù)壁壘作用?，F(xiàn)在，擺在通信設(shè)備制造商面前的主要問題是，需要著重考慮在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，如何降低成本，開發(fā)更有市場競爭力產(chǎn)品。

2. 外購時鐘模塊

外購專業(yè)廠家提供的現(xiàn)成同步設(shè)備時鐘模塊，是最為方便快捷的SETG實現(xiàn)手段。

時鐘模塊其實就是專業(yè)廠家利用自己在鎖相環(huán)、晶體振蕩器等方面積累的專業(yè)知識和豐富經(jīng)驗，將元器件電路設(shè)計集成為可靠性高的部件設(shè)計，再利用專業(yè)化設(shè)備與規(guī)范化生產(chǎn)程序，批量調(diào)試生產(chǎn)為成熟的模塊產(chǎn)品。與自備時鐘設(shè)計方案的區(qū)別主要是在模塊設(shè)計的專業(yè)化和生產(chǎn)調(diào)試的規(guī)范化上，這正是專業(yè)化分工與專業(yè)廠家的價值體現(xiàn)。

與大多數(shù)自備方案一樣，在時鐘質(zhì)量方面，由于是高穩(wěn)定晶體振蕩器緩沖輸出或者分頻輸出，這種直接輸出的時鐘具有晶體振蕩器質(zhì)量，可以滿足高性能指標(biāo)要求的通信系統(tǒng)需要。而與自備時鐘設(shè)計方案不同的是，所有SETG的性能和關(guān)鍵功能均在模塊內(nèi)部實現(xiàn)，生產(chǎn)調(diào)試過程也都在工廠內(nèi)部完成，時鐘模塊的外部接口得到大大的簡化，呈現(xiàn)了比較規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的、“用戶友好”的使用特性。像CONNOR WINFIELD、RALTRON等公司都提供過這樣的同步設(shè)備時鐘模塊，也是比較早的提供此類產(chǎn)品的廠家。國內(nèi)也有專業(yè)廠家提供與其兼容的時鐘模塊產(chǎn)品。他們的產(chǎn)品在國外有一定用量，國內(nèi)也有廠家使用。

對于沒有精力自己設(shè)計專用時鐘方案的廠家，或者由于非晶體振蕩器直接輸出的時鐘質(zhì)量達不到要求，或者干脆就是不喜歡其它復(fù)雜的解決形式。這時，使用簡單方便的時鐘模塊成為合乎情理的選擇。在這里，由于時鐘的性能指標(biāo)已由模塊保障，只有十幾個管腳的封裝形式，十頁左右的數(shù)據(jù)手冊，使得模塊很容易使用，相關(guān)技術(shù)人員的工作量大大降低。系統(tǒng)設(shè)計師不用擔(dān)心系統(tǒng)的時鐘性能以及設(shè)計周期，因此有更多的時間與精力去進行設(shè)備整體的性能優(yōu)化，設(shè)計更有競爭力的通信產(chǎn)品。如果模塊價格也還能被接受，這當(dāng)是設(shè)備制造商最希望看到的情形。但遺憾的是，之前即使是國內(nèi)廠家的時鐘模塊售價也偏高，普通用戶根本無力承受，只能望“塊”興嘆！

3. 專用芯片+晶體振蕩器

最后一類SETG的實現(xiàn)是IC廠商提供的時鐘專用芯片加外部晶體振蕩器作頻率標(biāo)準(zhǔn)的方案?，F(xiàn)在市面上已有數(shù)家IC廠商在提供高中低檔價格的芯片+晶體振蕩器方案。如較早的SEMTECH，以及較近的MAXIM等。從應(yīng)用便利性和性價比方面考查，這種方案介于自備設(shè)計方案與使用現(xiàn)成時鐘模塊之間。對于不能忍受自己開發(fā)的風(fēng)險代價、以及成品時鐘模塊價格的設(shè)備制造商，這曾是最好也是唯一的選擇。

專業(yè)IC廠家運用模擬與數(shù)字混合集成電路的設(shè)計技術(shù)，充分發(fā)揮集成電路的特點與優(yōu)勢，開發(fā)包含數(shù)字鎖相環(huán)DPLL、模擬鎖相環(huán)APLL、微處理器接口I2C/SPI、以及多個時鐘輸入輸出適配接口等等盡可能全面的功能。再在芯片外部配置高穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)晶體振蕩器，為芯片提供基準(zhǔn)頻率，這樣基本構(gòu)成同步設(shè)備時鐘系統(tǒng)的主體。比較自備設(shè)計方案，雖然應(yīng)用便利性還不是太好，但已經(jīng)明顯占優(yōu)。若比較已往的時鐘模塊方案，則應(yīng)用便利性較差但成本方面占有優(yōu)勢。

應(yīng)用便利性上存在的問題首先是芯片使用復(fù)雜，這也是芯片在彰顯其多功能優(yōu)勢的同時帶來的副作用。雖然對一個具體的設(shè)計要求其中的很多功能都用不到，但由于芯片功能強大，管腳很多（幾十上百甚至兩百以上），它們一般都有上百頁的數(shù)據(jù)手冊，有幾十個乃至上百個控制寄存器需要用戶通過軟件正確配置，配置內(nèi)容包括自由振蕩頻率校正、噪聲帶寬設(shè)定、參考源頻率設(shè)置等等。配置不正確輕者影響指標(biāo)，重則不能正常工作。而有的低端芯片則以犧牲集成電路的功能集成優(yōu)勢、縮減功能模塊等手段來降低造價，同時也還能簡化一些使用難度，但導(dǎo)致功能上的缺失甚至性能上的下降，使得芯片根本不能滿足用戶多個層次的需要。其次是表現(xiàn)在作為標(biāo)準(zhǔn)頻率和性能保證的外部晶體振蕩器的選擇或者使用不當(dāng)會嚴(yán)重影響到最終的性能指標(biāo)；而增加晶體振蕩器這個關(guān)鍵器件也必然會帶來生產(chǎn)、管理的任務(wù)與費用。再則，無論哪種芯片，用戶都要在完整消化芯片資料的基礎(chǔ)上，再選擇合適的外部晶體振蕩器，同時熟練掌握相關(guān)的生產(chǎn)測試技術(shù)，才可能有信心去保證時鐘性能指標(biāo)得以可靠實現(xiàn)。比較自備設(shè)計方案，雖然對設(shè)計人員的要求大為降低，但仍然需要有相當(dāng)?shù)乃疁?zhǔn)。不同的是，不用太擔(dān)心時鐘性能的實現(xiàn)，畢竟芯片商已經(jīng)有承諾，條件是熟悉芯片資料外加正確的生產(chǎn)測試方法。

芯片+晶體振蕩器方案還存在一個先天不足：這里的高穩(wěn)定晶體振蕩器只是提供一個標(biāo)準(zhǔn)頻率，真正供給通信系統(tǒng)的各種頻率的輸出主時鐘都是由芯片內(nèi)部的集成電路振蕩器產(chǎn)生，而集成電路振蕩器的時鐘質(zhì)量遜色于晶體振蕩器直接輸出的時鐘質(zhì)量，如時鐘的抖動指標(biāo)。因此，芯片+晶體振蕩器方案的輸出時鐘不能用在性能要求嚴(yán)格的高端設(shè)備上，除非再增加基于晶體振蕩器的鎖相環(huán)對其輸出時鐘進行平滑濾波。

總之，芯片+晶體振蕩器的SETG實現(xiàn)方案也存在與自備設(shè)計方案相似的開發(fā)風(fēng)險與生產(chǎn)成本問題，只是程度有所不同。

目前國內(nèi)的情況是，只有少數(shù)最早涉及SDH技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)備制造商還在使用自行設(shè)計的時鐘方案，其他絕大多數(shù)都是選擇芯片+晶體振蕩器方案，而作為較為理想的時鐘模塊方案，由于暫時還沒有性價比為普遍接受的產(chǎn)品，現(xiàn)有時鐘模塊又因其價格昂貴而用者寥寥。

各類方案比較表：

通過以上分析可以看到，理想地，采用模塊化設(shè)計理念，將同步設(shè)備時鐘設(shè)計成系列標(biāo)準(zhǔn)化、功能規(guī)范化、應(yīng)用簡單化的通用模塊產(chǎn)品，把過程繁雜、技術(shù)要求也高的生產(chǎn)測試交由經(jīng)驗豐富的專門廠家去完成。而標(biāo)準(zhǔn)化的系列能夠提供給設(shè)備制造商一定范圍的功能可選性，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。從而，讓系統(tǒng)設(shè)備制造商從事倍功半的部件設(shè)計與生產(chǎn)中解放出來，集中精力于能夠體現(xiàn)其系統(tǒng)制造商價值的、他的用戶更能直接體會到的，諸如功能與性能乃至整機價格競爭力的提升上。這樣的專業(yè)化分工應(yīng)該是技術(shù)的發(fā)展方向。而在上述系列標(biāo)準(zhǔn)化、功能規(guī)范化、應(yīng)用簡單化的基礎(chǔ)上，如何利用專業(yè)化、規(guī)模化的優(yōu)勢，進一步降低成本，為用戶提供高性價比的通用模塊產(chǎn)品，則是模塊化時鐘產(chǎn)品專業(yè)廠家的努力目標(biāo)。

同步設(shè)備時鐘的模塊化設(shè)計理念大致應(yīng)該包含以下幾方面的內(nèi)容：

系列標(biāo)準(zhǔn)化：滿足各種常見應(yīng)用需要，適應(yīng)不同地區(qū)的規(guī)范建議，規(guī)格設(shè)置會在輸入?yún)⒖荚搭l率、輸出時鐘頻率等方面有所不同。SDH系列（輸出頻率19.44M、38.88M、77.76M、155.52M可選），同步以太網(wǎng)系列(輸出頻率25M、50M、125M可選)，兩者兼容系列（能同時輸出SEC和EEC的時鐘頻率）和交換機系列(輸出頻率16.384M、32.768M可選)；相應(yīng)有北美規(guī)范系列等；輸入?yún)⒖紭?biāo)準(zhǔn)頻率1K、8K、1544K、2048K、16.384M、19.44M、25M、32.768、38.88M、50M、77.76M、125M等可選。

功能規(guī)范化：提供網(wǎng)絡(luò)管理需要的設(shè)備時鐘控制功能與工作狀態(tài)信息以及生產(chǎn)測試功能?？煽刂颇K跟蹤、保持和自由振蕩三種工作模式之間的切換。狀態(tài)指示包括參考源頻率指示、參考源丟失指示、鎖定指示、保持狀態(tài)指示、自由振蕩指示、INT告警等，能控制全部輸出端進入高阻態(tài)，參考輸入端具有自適應(yīng)多種參考源頻率的能力。

應(yīng)用簡單化：模塊獨立地工作不需要復(fù)雜的控制，用戶接口簡單實用。這樣既提高可靠性又減少用戶開發(fā)的工作量：不用校準(zhǔn)自由振蕩時的標(biāo)稱頻率，不用學(xué)習(xí)復(fù)雜的寄存器配置，不用考慮外置振蕩器的選擇以及相關(guān)的生產(chǎn)測試等。

上述模塊化概念中，自適應(yīng)多種參考源頻率的功能提供給用戶最大設(shè)計便利。用戶只需根據(jù)自己設(shè)計的功能要求挑選適合的輸入輸出的時鐘模塊，譬如幾路輸出及頻率、自適應(yīng)輸入?yún)⒖荚吹念l率種類等。然后，由網(wǎng)管的參考源管理程序?qū)⑦x定的參考源送到模塊的參考輸入端即可，而再不必關(guān)心參考源的頻率差別，如圖2所示。而針對模塊的所有控制僅僅是需要用戶選擇模塊的工作模式，比如是跟蹤、還是自由振蕩模式。其它的性能指標(biāo)，如自由振蕩頻率精度、噪聲帶寬等等都由生產(chǎn)廠家在出廠前調(diào)試和校準(zhǔn)好了。這里的時鐘模塊則具有了與“傻瓜相機”相似，方便用戶使用的“傻瓜”特點。

圖2 “傻瓜模塊”簡化同步設(shè)備時鐘的設(shè)計實現(xiàn)

綜上所述，自備設(shè)計方案的SETG實現(xiàn)方式耗時費力，綜合成本未見得有優(yōu)勢，設(shè)計者自然會有明智的決策；時鐘模塊形式的SETG實現(xiàn)方式由于其易用性、可靠性等長處，如果價格能夠降到合理的位置，有條件成為SETG設(shè)計實現(xiàn)的首選；芯片+晶體振蕩器方案則以其強大的功能特點會在市場中占據(jù)特殊位置。

通過一番分析比較、利弊權(quán)衡，應(yīng)該可以確定一款符合高效率實現(xiàn)要求的SETG方案。接下來，再根據(jù)總體設(shè)計對設(shè)備時鐘系統(tǒng)的可靠性要求，如果有必要，可以考慮除主用時鐘外再配置備用時鐘，同時利用基于晶體振蕩器的線卡時鐘模塊的相位緩沖功能，來實現(xiàn)主備用時鐘真正的無損傷切換保護。這樣，一定能設(shè)計成功性能優(yōu)異、功能完善，各方面指標(biāo)都令人滿意的同步設(shè)備時鐘系統(tǒng)。

已經(jīng)看到，今年上半年，具備了上述模塊化設(shè)計概念特征、價格又完全能被廣泛接受的同步設(shè)備時鐘模塊系列產(chǎn)品已由專業(yè)廠家推出，有望徹底改變時鐘模塊產(chǎn)品“價高和寡”的市場面貌。以比時鐘芯片更高的性價比、比以往時鐘模塊更好的易用性，可以滿足高中低端不同設(shè)備性能的時鐘要求。

以下是新推出高性價比同步設(shè)備時鐘模塊的主要特性：

兼容SDH、同步以太網(wǎng)的同步設(shè)備定時發(fā)生器SETG模塊

參考源輸入自適應(yīng)或人工選擇4種頻率(典型值：8K、2048K、19.44M、25MHz)

兩個石英晶體振蕩質(zhì)量的時鐘輸出(典型值：25MHz、38.88MHz)

性能完全遵照ITU-T建議G.813/G.8262 option 1規(guī)范設(shè)計

可控制所有輸出端進入高阻態(tài)

高集成度的18腳表面貼裝結(jié)構(gòu) (33×25.4×8mm³)

單電源3.3V供電、輸入端兼容5V電平

上面給出的典型值已經(jīng)涵蓋了常用的輸入輸出頻點，能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用需要。如果要求其他的頻率，還可以從數(shù)據(jù)手冊上的系列表中進行選擇，包括頻率高達155.52MHz/156.25MHz、LVPECL電平的同步時鐘輸出可選項。

作者簡介：趙溫陽，高級工程師。1997年在前郵電部下屬的通信設(shè)備公司參與SDH設(shè)備研發(fā)，負(fù)責(zé)時鐘部分，當(dāng)年完成自主知識產(chǎn)權(quán)的時鐘主體設(shè)計。其后多年致力于同步設(shè)備時鐘的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用工作，以及時鐘鎖相環(huán)模塊化產(chǎn)品的研究。