SDH、同步以太網設備時鐘的高效率實現(xiàn)方法

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

圖1 ITU-T建議G.783規(guī)范的SDH設備時鐘功能框圖

設計的目的最終是為了產品的實現(xiàn)，但產品實現(xiàn)卻包含設計和生產兩方面的內容。從總體設計師的角度,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),以便能夠為同步設備的穩(wěn)定工作提供高質量的系統(tǒng)主時鐘,同時兼顧到設備整體的實現(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)設備中的分配質量,還要考慮時鐘系統(tǒng)乃至最終設備的生產實現(xiàn)之總體效率。

本文僅就同步設備時鐘系統(tǒng)的核心部件――同步設備定時發(fā)生器SETG的幾種類型的實現(xiàn)方案作較為詳細的分析討論，希望提供給工程師一點思路參考，在進行相關設計時，能夠綜合平衡時鐘性能、設計效率、產品成本等方面，使設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。

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

1.自備設計方案

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鎖相環(huán)的輸入參考源中斷時，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設計的關鍵。因此圍繞保持功能的實現(xiàn)方法，可以產生各種不同的設計方案。比如，在模擬鎖相環(huán)的基礎上利用ADC采集和DAC還原壓控電壓以實現(xiàn)保持功能；采用數字鑒相器的數字相位差輸出連接DAC產生壓控電壓來實現(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)設計相應的方案。這是在SDH技術發(fā)展的早期，由于也沒有其它的方案可供選擇，設備制造商不得不經歷的情形。這要求首先有足夠的時間，同時也有相當技術能力的研發(fā)人員。由于SDH設備時鐘技術涉及鎖相環(huán)、晶體振蕩器、通信系統(tǒng)以及計算機等多個技術領域。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功底，同時還需要配備專門的時鐘測試儀器儀表，熟悉相關的測試測量技術，再經過長時間反復的探索與經驗積累，最終才完成性能指標符合技術規(guī)范要求、可靠實用的同步設備時鐘設計。這里，由于選擇保持功能不同的實現(xiàn)方式就可能導致SETG電路設計方案在元器件種類、數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果，可以對同步設備時鐘的技術細節(jié)有深入的了解，也能夠根據不同產品項目的需要對設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。比如根據項目的不同，改用新品種的壓控晶體振蕩器來適應特殊要求，但這需要重新測試與驗證。除此之外，對設備制造商來說再難有其他的益處。從生產測試的角度看，由于其涉及專業(yè)面寬，技術性強，設備制造商需要承擔相應的技術風險；從成本方面看，除了正常的原材料采購、生產測試以及材料損耗等生產管理成本，平時維持這些高級技術人員的費用也是一筆不小的開支。

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

2. 外購時鐘模塊

外購專業(yè)廠家提供的現(xiàn)成同步設備時鐘模塊，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)知識和豐富經驗，將元器件電路設計集成為可靠性高的部件設計，再利用專業(yè)化設備與規(guī)范化生產程序，批量調試生產為成熟的模塊產品。與自備時鐘設計方案的區(qū)別主要是在模塊設計的專業(yè)化和生產調試的規(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)。

與大多數自備方案一樣，在時鐘質量方面，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量，可以滿足高性能指標要求的通信系統(tǒng)需要。而與自備時鐘設計方案不同的是，所有SETG的性能和關鍵功能均在模塊內部實現(xiàn)，生產調試過程也都在工廠內部完成，時鐘模塊的外部接口得到大大的簡化，呈現(xiàn)了比較規(guī)范與標準的、“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備時鐘模塊，也是比較早的提供此類產品的廠家。國內也有專業(yè)廠家提供與其兼容的時鐘模塊產品。他們的產品在國外有一定用量，國內也有廠家使用。

對于沒有精力自己設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量達不到要求，或者干脆就是不喜歡其它復雜的解決形式。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已由模塊保障，只有十幾個管腳的封裝形式，十頁左右的數據手冊，使得模塊很容易使用，相關技術人員的工作量大大降低。系統(tǒng)設計師不用擔心系統(tǒng)的時鐘性能以及設計周期，因此有更多的時間與精力去進行設備整體的性能優(yōu)化，設計更有競爭力的通信產品。如果模塊價格也還能被接受，這當是設備制造商最希望看到的情形。但遺憾的是，之前即使是國內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準的方案。現(xiàn)在市面上已有數家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。從應用便利性和性價比方面考查，這種方案介于自備設計方案與使用現(xiàn)成時鐘模塊之間。對于不能忍受自己開發(fā)的風險代價、以及成品時鐘模塊價格的設備制造商，這曾是最好也是唯一的選擇。

專業(yè)IC廠家運用模擬與數字混合集成電路的設計技術，充分發(fā)揮集成電路的特點與優(yōu)勢，開發(fā)包含數字鎖相環(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)定性的標準晶體振蕩器，為芯片提供基準頻率，這樣基本構成同步設備時鐘系統(tǒng)的主體。比較自備設計方案，雖然應用便利性還不是太好，但已經明顯占優(yōu)。若比較已往的時鐘模塊方案，則應用便利性較差但成本方面占有優(yōu)勢。

應用便利性上存在的問題首先是芯片使用復雜，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據手冊，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，配置內容包括自由振蕩頻率校正、噪聲帶寬設定、參考源頻率設置等等。配置不正確輕者影響指標，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)在作為標準頻率和性能保證的外部晶體振蕩器的選擇或者使用不當會嚴重影響到最終的性能指標；而增加晶體振蕩器這個關鍵器件也必然會帶來生產、管理的任務與費用。再則，無論哪種芯片，用戶都要在完整消化芯片資料的基礎上，再選擇合適的外部晶體振蕩器，同時熟練掌握相關的生產測試技術，才可能有信心去保證時鐘性能指標得以可靠實現(xiàn)。比較自備設計方案，雖然對設計人員的要求大為降低，但仍然需要有相當的水準。不同的是，不用太擔心時鐘性能的實現(xiàn)，畢竟芯片商已經有承諾，條件是熟悉芯片資料外加正確的生產測試方法。

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準頻率，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部的集成電路振蕩器產生，而集成電路振蕩器的時鐘質量遜色于晶體振蕩器直接輸出的時鐘質量，如時鐘的抖動指標。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格的高端設備上，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計方案相似的開發(fā)風險與生產成本問題，只是程度有所不同。

目前國內的情況是，只有少數最早涉及SDH技術領域的系統(tǒng)設備制造商還在使用自行設計的時鐘方案，其他絕大多數都是選擇芯片+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，采用模塊化設計理念，將同步設備時鐘設計成系列標準化、功能規(guī)范化、應用簡單化的通用模塊產品，把過程繁雜、技術要求也高的生產測試交由經驗豐富的專門廠家去完成。而標準化的系列能夠提供給設備制造商一定范圍的功能可選性，以適應不同的應用需要。從而，讓系統(tǒng)設備制造商從事倍功半的部件設計與生產中解放出來，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)化分工應該是技術的發(fā)展方向。而在上述系列標準化、功能規(guī)范化、應用簡單化的基礎上，如何利用專業(yè)化、規(guī)?；膬?yōu)勢，進一步降低成本，為用戶提供高性價比的通用模塊產品，則是模塊化時鐘產品專業(yè)廠家的努力目標。

同步設備時鐘的模塊化設計理念大致應該包含以下幾方面的內容：

系列標準化：滿足各種常見應用需要，適應不同地區(qū)的規(guī)范建議，規(guī)格設置會在輸入參考源頻率、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)；相應有北美規(guī)范系列等；輸入參考標準頻率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：提供網絡管理需要的設備時鐘控制功能與工作狀態(tài)信息以及生產測試功能。可控制模塊跟蹤、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多種參考源頻率的能力。

應用簡單化：模塊獨立地工作不需要復雜的控制，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：不用校準自由振蕩時的標稱頻率，不用學習復雜的寄存器配置，不用考慮外置振蕩器的選擇以及相關的生產測試等。

上述模塊化概念中，自適應多種參考源頻率的功能提供給用戶最大設計便利。用戶只需根據自己設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、自適應輸入參考源的頻率種類等。然后，由網管的參考源管理程序將選定的參考源送到模塊的參考輸入端即可，而再不必關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，如自由振蕩頻率精度、噪聲帶寬等等都由生產廠家在出廠前調試和校準好了。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”簡化同步設備時鐘的設計實現(xiàn)

綜上所述，自備設計方案的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特殊位置。

通過一番分析比較、利弊權衡，應該可以確定一款符合高效率實現(xiàn)要求的SETG方案。接下來，再根據總體設計對設備時鐘系統(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，一定能設計成功性能優(yōu)異、功能完善，各方面指標都令人滿意的同步設備時鐘系統(tǒng)。

已經看到，今年上半年，具備了上述模塊化設計概念特征、價格又完全能被廣泛接受的同步設備時鐘模塊系列產品已由專業(yè)廠家推出，有望徹底改變時鐘模塊產品“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備性能的時鐘要求。

以下是新推出高性價比同步設備時鐘模塊的主要特性：

兼容SDH、同步以太網的同步設備定時發(fā)生器SETG模塊

參考源輸入自適應或人工選擇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腳表面貼裝結構 (3325.48mm³)

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涵蓋了常用的輸入輸出頻點，能夠滿足大多數的應用需要。如果要求其他的頻率，還可以從數據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備公司參與SDH設備研發(fā)，負責時鐘部分，當年完成自主知識產權的時鐘主體設計。其后多年致力于同步設備時鐘的網絡應用工作，以及時鐘鎖相環(huán)模塊化產品的研究。