時(shí)鐘同步技術(shù)的發(fā)展前景

摘要

介紹了鐘源技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)，分析了現(xiàn)有的幾種時(shí)間同步技術(shù)，展望了同步技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1  引言

作為數(shù)字通信網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，時(shí)鐘同步技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)始終受到通信網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)。在網(wǎng)絡(luò)方面，通信網(wǎng)從模擬發(fā)展到數(shù)字，從TDM網(wǎng)絡(luò)為主發(fā)展到以分組網(wǎng)絡(luò)為主；在業(yè)務(wù)方面，從以TDM話(huà)音業(yè)務(wù)為主發(fā)展到以分組業(yè)務(wù)為主的多業(yè)務(wù)模式，從固定話(huà)音業(yè)務(wù)為主發(fā)展到以固定和移動(dòng)話(huà)音業(yè)務(wù)并重，從窄帶業(yè)務(wù)發(fā)展到寬帶業(yè)務(wù)等等。在與同步網(wǎng)相關(guān)性非常緊密的傳輸技術(shù)方面，從同軸傳輸發(fā)展到PDH，SDH，WDM和DWDM，以及最新的OTN和PTN技術(shù)。隨著通信新業(yè)務(wù)和新技術(shù)的不斷發(fā)展，其同步要求越來(lái)越高，包括鐘源、鎖相環(huán)等基本時(shí)鐘技術(shù)經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代，同步技術(shù)也在不斷地推陳出新，時(shí)間同步技術(shù)更是當(dāng)前業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

2  時(shí)鐘技術(shù)發(fā)展歷程

時(shí)鐘同步涉及的最基本技術(shù)包括鐘源技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)，隨著應(yīng)用需求的不斷提高，技術(shù)、工藝的不斷改進(jìn)，鐘源技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)也得到了快速的演進(jìn)和發(fā)展。

(1) 鐘源技術(shù)

時(shí)鐘振蕩器是所有數(shù)字通信設(shè)備的基本部件，按照應(yīng)用時(shí)間的先后，鐘源技術(shù)可分為普通晶體鐘、具有恒溫槽的高穩(wěn)晶振、原子鐘、芯片級(jí)原子鐘。

一般晶體振蕩器精度在nE-5~nE-7之間，由于具有價(jià)格便宜、尺寸小、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，晶體振蕩器在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而，普通晶體鐘一般受環(huán)境溫度影響非常大，因此，后來(lái)出現(xiàn)了具有恒溫槽的晶體鐘，甚至具有雙恒溫槽的高穩(wěn)晶體鐘，其性能得到很大改善。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)時(shí)鐘精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求，晶體鐘源已經(jīng)難以滿(mǎn)足要求，原子鐘技術(shù)開(kāi)始得到應(yīng)用，銣鐘和銫鐘是其中最有代表性的原子鐘。一般來(lái)說(shuō)，銣鐘的精度能達(dá)到或優(yōu)于nE-10的量級(jí)，而銫鐘則能達(dá)到或優(yōu)于1E-12的量級(jí)。

然而，由于尺寸大、功耗高、壽命短，限制了原子鐘在一些領(lǐng)域的應(yīng)用，芯片級(jí)原子鐘有望解決這個(gè)難題。目前民用的芯片級(jí)原子鐘基本上處于試驗(yàn)階段，其尺寸只有立方厘米量級(jí)，耗電只有百毫瓦量級(jí)，不消耗原子，延長(zhǎng)了使用壽命，時(shí)鐘精度在nE-10量級(jí)以上，具有很好的穩(wěn)定性。芯片級(jí)原子鐘將在通信、交通、電力、金融、國(guó)防、航空航天以及精密測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

(2) 鎖相環(huán)技術(shù)

鎖相環(huán)技術(shù)是一種使輸出信號(hào)在頻率和相位上與輸入信號(hào)同步的電路技術(shù)，即當(dāng)系統(tǒng)利用鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)入鎖定狀態(tài)或同步狀態(tài)后，系統(tǒng)的震蕩器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間相差為零，或者保持為常數(shù)。鎖相環(huán)路技術(shù)是時(shí)鐘同步的核心技術(shù)，它經(jīng)歷了模擬鎖相環(huán)路技術(shù)和數(shù)字鎖相環(huán)路技術(shù)的時(shí)代，直至發(fā)展到今天的智能鎖相環(huán)路技術(shù)。

模擬鎖相環(huán)的各個(gè)部件都是由模擬電路實(shí)現(xiàn)，一般由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器等3部分組成，其中鑒相器用來(lái)鑒別輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位差 ，并輸出電壓誤差，其噪聲和干擾成分被低通性質(zhì)的環(huán)路濾波器濾除，形成壓控振蕩器的控制電壓，其作用于壓控振蕩器的結(jié)果是把它的輸出振蕩頻率拉向環(huán)路輸入信號(hào)頻率，當(dāng)二者相等時(shí)，即完成鎖定。

與模擬鎖相環(huán)相比，數(shù)字鎖相環(huán)中的誤差控制信號(hào)是離散的數(shù)字信號(hào)，而不是模擬電壓，因此受控的輸出電壓的改變是離散的而不是連續(xù)的。另外，環(huán)路組成部件也全用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，改善了模擬鎖相環(huán)穩(wěn)定性差的問(wèn)題。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了智能鎖相環(huán)路技術(shù)，即直接數(shù)字頻率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技術(shù)。智能全數(shù)字鎖相環(huán)在單片F(xiàn)PGA中就可以實(shí)現(xiàn)。借助鎖相環(huán)狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)CPU可以縮短鎖相環(huán)鎖定時(shí)間，并逐漸改進(jìn)其輸出頻率的抖動(dòng)特性，達(dá)到最佳的鎖相和頻率輸出效果。

3  同步技術(shù)現(xiàn)狀分析

同步技術(shù)包括頻率同步技術(shù)和時(shí)間同步技術(shù)兩個(gè)方面，其中頻率同步技術(shù)比較成熟不再贅述，下面將就通信領(lǐng)域?qū)�時(shí)間同步的需求和在通信領(lǐng)域中得到應(yīng)用的現(xiàn)有時(shí)間同步技術(shù)展開(kāi)分析。

3.1  時(shí)間同步需求

時(shí)間同步在通信領(lǐng)域中有著越來(lái)越廣泛的需求，各種通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的需求可分為高精度時(shí)間需求（微秒級(jí)和納秒級(jí)）和普通精度時(shí)間需求（毫秒級(jí)和秒級(jí)）。

（1）高精度時(shí)間需求

對(duì)于CDMA基站和cdma2000基站，時(shí)間同步的要求是10μs；對(duì)于TD-SCDMA基站，時(shí)間同步的要求是3μs；對(duì)于WiMAX系統(tǒng)和LTE，時(shí)間同步的要求是1μs 甚至亞微秒量級(jí)，這就要求時(shí)間同步服務(wù)等級(jí)需達(dá)到100ns量級(jí)。如果基站與基站之間的時(shí)間同步不能達(dá)到上述要求，將可能導(dǎo)致在選擇器中發(fā)生指令不匹配，導(dǎo)致通話(huà)連接不能正常建立。

對(duì)于3G網(wǎng)絡(luò)中基于位置定位的服務(wù)，若是利用手機(jī)接收附近多個(gè)基站發(fā)送的無(wú)線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行定位，則要求基站必須是時(shí)間同步的。一般來(lái)說(shuō)10ns的時(shí)間同步誤差將引起數(shù)米的位置定位誤差，不同精度的位置服務(wù)要求的時(shí)間精度也不相同。