鎖相環(huán)的基本構成及在SDH設備中的應用

SDH（同步數(shù)字系列）是光同步數(shù)字傳輸技術，它以獨特的幀結構把數(shù)字流包封成STM（同步傳輸模式）信號進行傳輸，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)務都可以通過包封成STM的幀結構在SDH網(wǎng)絡中傳輸，比如PDH、IP和ATM等，現(xiàn)階段在數(shù)據(jù)傳輸領域SDH技術被廣泛地應用。

SDH網(wǎng)絡作為數(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)絡必須是同步的，即網(wǎng)絡中的所有交換節(jié)點的時鐘頻率和相位都被控制在預先確定的容差范圍內，以便使網(wǎng)內各交換節(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，導致數(shù)字流的滑動損傷，造成數(shù)據(jù)出錯。

在同步技術中，鎖相環(huán)的應用十分廣泛，尤其是在數(shù)字通信領域，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，詳細介紹了鎖相環(huán)在SDH同步網(wǎng)絡中的應用。

1 鎖相環(huán)的特性

1.1 鎖相環(huán)的基本構成

鎖相環(huán)是一個相位的負反饋控制系統(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行連續(xù)不斷的反饋調節(jié)，從而達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)學模型

以正弦信號為例分析鎖相環(huán)的工作原理。設輸入信號為：

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)路達到鎖定。

2 SDH網(wǎng)絡的同步方式

SDH網(wǎng)絡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） 基準主時鐘：G．811規(guī)范為PRC，Primary Ref-erence Source；

b） 轉結局從時鐘：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設備時鐘：c．813規(guī)范為SEC，SDH EquIPMent Clock。

時鐘結構通常采用樹型，每一級時鐘都與其上一級時鐘同步；其中PRC（主基準時鐘）處于樹型結構的最頂端，是網(wǎng)絡中最高一級的時鐘，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)內各交換節(jié)點時鐘都與PRC同步。同時，為了保持網(wǎng)絡的穩(wěn)定，都會對PRC采用多重備份，以防止PRC出問題而導致全網(wǎng)故障。

SDH網(wǎng)絡又把全網(wǎng)劃分為幾個同步區(qū)，每個同步區(qū)有其LPR（區(qū)域基準時鐘），符合G．811標準；LPR可接收全網(wǎng)的PRC，從而達到同步，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)域內部就是各個轉結局了，局內有BITS（大樓綜合定時系統(tǒng)），它既呵產(chǎn)生符合G．812標準的時鐘，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，其局內的SDH設備網(wǎng)元直接從BITS獲取定時，從而網(wǎng)絡中的各個網(wǎng)元最終都達到同步。

3 SDH設備的時鐘功能結構

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行選擇最優(yōu)的功能，根據(jù)預制條件選擇出最優(yōu)的時鐘信號；同時設備內置SETC（同步設備定時發(fā)生器），即SEC（SDH設備時鐘），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設備內各部分提供系統(tǒng)時鐘信號，從而實現(xiàn)網(wǎng)同步；同時，設備還具有向其他SDH設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設備中的應用

由上述分析可知，設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信號和VCO分頻產(chǎn)生的信號進行數(shù)字鑒相，經(jīng)過CPU濾波處理和D／A轉換產(chǎn)生一個控制電壓，從而對VCO進行頻率控制，由此構成一個反饋回路，當定時基準的頻率以及抖動漂移性能在一定范圍之內時，最終本地VCO能同步到定時基準?？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設備的時鐘輸入。

5 鎖相環(huán)特性分析

這種應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設備網(wǎng)元工作的范圍更寬更靈活，當同步網(wǎng)中的基準時鐘工作正常時，SETG通過鎖相環(huán)同步于基準時鐘，使設備處于網(wǎng)同步狀態(tài)；當設備中的基準時鐘失效，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而工作，仍然在相當長的時間內保持網(wǎng)絡同步，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 結束語

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

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