鎖相環(huán)的基本構(gòu)成及在SDH設(shè)備中的應(yīng)用

SDH（同步數(shù)字系列）是光同步數(shù)字傳輸技術(shù)，它以獨特的幀結(jié)構(gòu)把數(shù)字流包封成STM（同步傳輸模式）信號進(jìn)行傳輸，根據(jù)不同的需求，傳輸速率有不同的等級（STM-N，N=1／4／16／64，分別為155 Mbit／s、622 Mbit／s、2.5 Gbit／s和2.5 Gbit／s）。許多不同格式的業(yè)務(wù)都可以通過包封成STM的幀結(jié)構(gòu)在SDH網(wǎng)絡(luò)中傳輸，比如PDH、IP和ATM等，現(xiàn)階段在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域SDH技術(shù)被廣泛地應(yīng)用。

SDH網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字網(wǎng)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是數(shù)字流，這種特性要求網(wǎng)絡(luò)必須是同步的，即網(wǎng)絡(luò)中的所有交換節(jié)點的時鐘頻率和相位都被控制在預(yù)先確定的容差范圍內(nèi)，以便使網(wǎng)內(nèi)各交換節(jié)點的全部數(shù)字流實現(xiàn)正確有效的交換，否則會在數(shù)字交換機的緩存器中產(chǎn)生信息比特的溢出和取空，導(dǎo)致數(shù)字流的滑動損傷，造成數(shù)據(jù)出錯。

在同步技術(shù)中，鎖相環(huán)的應(yīng)用十分廣泛，尤其是在數(shù)字通信領(lǐng)域，鎖相環(huán)更是發(fā)揮了極大的作用。本文從分析鎖相環(huán)的特性開始，詳細(xì)介紹了鎖相環(huán)在SDH同步網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

1 鎖相環(huán)的特性

1.1 鎖相環(huán)的基本構(gòu)成

鎖相環(huán)是一個相位的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它通常由PD（鑒相器）、LF（環(huán)路濾波器）和VCO（壓控振蕩器）3個基本部件組成。PD是一個相位比較器，比較2個輸入信號的相位，產(chǎn)生誤差相位，并轉(zhuǎn)換為誤差電壓Vd（f）；LF是一個低通濾波器，用來濾除Vd（t）中的高頻成分，起濾波平滑作用，以保證環(huán)路穩(wěn)定和改善環(huán)路跟蹤性能，最終輸出控制電壓Vc（t）；VCO是一個電壓／頻率變換裝置，產(chǎn)生本地振蕩頻率，其振蕩頻率受Vc（t）控制，產(chǎn)生頻率偏移，從而跟蹤輸入信號的頻率。

整個鎖相環(huán)路根據(jù)輸入信號與本地振蕩信號之間的相位誤差對本地振蕩信號的相位進(jìn)行連續(xù)不斷的反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到使本地振蕩信號相位跟蹤輸入信號相位的目的。

1.2 鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型

以正弦信號為例分析鎖相環(huán)的工作原理。設(shè)輸入信號為：

由式（7）可以看出，此時輸出信號的頻率與輸入信號頻率相同，表明環(huán)路已經(jīng)鎖定。

綜上，鎖相環(huán)具有良好的跟蹤特性，如果環(huán)路參數(shù)選擇合適；輸出頻率能夠很容易跟蹤輸入頻率，從而環(huán)路達(dá)到鎖定。

2 SDH網(wǎng)絡(luò)的同步方式

SDH網(wǎng)絡(luò)普遍采用分級主從同步方式，時鐘的級別被ITU-T劃分為以下4類：

a） 基準(zhǔn)主時鐘：G．811規(guī)范為PRC，Primary Ref-erence Source；

b） 轉(zhuǎn)結(jié)局從時鐘：G．812規(guī)范為SSU-A，Primary-Synchronization Supply Unit；

c） 端局從時鐘：C．812規(guī)范為SSU-B，Second Lev-el-SSU；

d） SDH設(shè)備時鐘：c．813規(guī)范為SEC，SDH EquIPMent Clock。

時鐘結(jié)構(gòu)通常采用樹型，每一級時鐘都與其上一級時鐘同步；其中PRC（主基準(zhǔn)時鐘）處于樹型結(jié)構(gòu)的最頂端，是網(wǎng)絡(luò)中最高一級的時鐘，具有極高的精度和穩(wěn)定度。同步網(wǎng)將PRC信號送到網(wǎng)內(nèi)各級交換節(jié)點，然后通過鎖相環(huán)使本地時鐘鎖定到收到的PRC上，從而網(wǎng)內(nèi)各交換節(jié)點時鐘都與PRC同步。同時，為了保持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，都會對PRC采用多重備份，以防止PRC出問題而導(dǎo)致全網(wǎng)故障。

SDH網(wǎng)絡(luò)又把全網(wǎng)劃分為幾個同步區(qū)，每個同步區(qū)有其LPR（區(qū)域基準(zhǔn)時鐘），符合G．811標(biāo)準(zhǔn)；LPR可接收全網(wǎng)的PRC，從而達(dá)到同步，每個LPR盡管有差異，但差異極小，所以區(qū)域之間接近同步，稱為偽同步方式。在區(qū)域內(nèi)部就是各個轉(zhuǎn)結(jié)局了，局內(nèi)有BITS（大樓綜合定時系統(tǒng)），它既呵產(chǎn)生符合G．812標(biāo)準(zhǔn)的時鐘，又可接收外部更高級別的時鐘，從而跟蹤至全網(wǎng)PRC，同時也可以利用SDH的STM-N信號傳送時鐘信號；再往下一級，其局內(nèi)的SDH設(shè)備網(wǎng)元直接從BITS獲取定時，從而網(wǎng)絡(luò)中的各個網(wǎng)元最終都達(dá)到同步。

3 SDH設(shè)備的時鐘功能結(jié)構(gòu)

其中：T1為STM-N輸入接口；T2為PDH輸入接口；T3為外定時輸入接口。設(shè)備町從T1、T2和T3獲得外部定時信號的輸入。各個選擇器具有對輸人的時鐘信號進(jìn)行選擇最優(yōu)的功能，根據(jù)預(yù)制條件選擇出最優(yōu)的時鐘信號；同時設(shè)備內(nèi)置SETC（同步設(shè)備定時發(fā)生器），即SEC（SDH設(shè)備時鐘），可以自己產(chǎn)生時鐘信號，它是一個數(shù)字鎖相環(huán)，可對選擇器B輸出的高級別時鐘進(jìn)行同步，從而輸出穩(wěn)定的時鐘T0，T0為滿足G．812要求，為SDH設(shè)備內(nèi)各部分提供系統(tǒng)時鐘信號，從而實現(xiàn)網(wǎng)同步；同時，設(shè)備還具有向其他SDH設(shè)備提供定時信號功能，這部分功能由選擇器C來實現(xiàn)，選擇器C從T0和選擇器A中選擇最優(yōu)時鐘，經(jīng)過鎖相環(huán)處理，最后輸出滿足G．813要求的定時信號T4。

4 鎖相環(huán)在SDH設(shè)備中的應(yīng)用

由上述分析可知，設(shè)備中有兩處用到了鎖相環(huán)，一處是系統(tǒng)同步時鐘鎖相環(huán)，另一處是導(dǎo)出時鐘鎖相環(huán)。

上半部分的鎖相環(huán)為SETG，足一個數(shù)字鎖相環(huán)，其中數(shù)字LF由CPU軟件實現(xiàn)，PD由FPGA實現(xiàn)；PD對由選擇器B選擇出來的定時基準(zhǔn)信號和VCO分頻產(chǎn)生的信號進(jìn)行數(shù)字鑒相，經(jīng)過CPU濾波處理和D／A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個控制電壓，從而對VCO進(jìn)行頻率控制，由此構(gòu)成一個反饋回路，當(dāng)定時基準(zhǔn)的頻率以及抖動漂移性能在一定范圍之內(nèi)時，最終本地VCO能同步到定時基準(zhǔn)?？驁D的下半部分為輸出時鐘的鎖相環(huán)，是一個模擬鎖相環(huán)，不涉及軟件的控制，其原理和數(shù)字鎖相環(huán)相同，最終也輸出鎖定于輸入的穩(wěn)定的時鐘信號，為其他SDH設(shè)備的時鐘輸入。

5 鎖相環(huán)特性分析

這種應(yīng)用的最大特點在于鎖相環(huán)SETG由CPU軟件控制。與模擬環(huán)相比，數(shù)字環(huán)具有參數(shù)調(diào)節(jié)方便，快速鎖定，性能穩(wěn)定等特點。更重要的是，此方案使得SDH設(shè)備網(wǎng)元工作的范圍更寬更靈活，當(dāng)同步網(wǎng)中的基準(zhǔn)時鐘工作正常時，SETG通過鎖相環(huán)同步于基準(zhǔn)時鐘，使設(shè)備處于網(wǎng)同步狀態(tài)；當(dāng)設(shè)備中的基準(zhǔn)時鐘失效，或者時鐘傳送鏈路失效時，SETG通過軟件保存失效之前的頻率信息作為其輸入基準(zhǔn)而工作，仍然在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持網(wǎng)絡(luò)同步，以換回解決故障的時間，此時通過T4鎖相環(huán)仍然向下一級網(wǎng)元提供時鐘信號。即使是最糟糕的情況下，輸入基準(zhǔn)時鐘也丟失了，但是鎖相環(huán)還有自己的VCO可以工作在自由振蕩模式，但是這種模式已經(jīng)很不穩(wěn)定了。

6 結(jié)束語

在實際應(yīng)用中，這種同步應(yīng)用方案是很具有參考價值的，它不僅可以用于SDH網(wǎng)絡(luò)的同步，對于其他數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，針對其網(wǎng)絡(luò)特點，也可以移植過去使用。

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