SDH同步以太网设备时钟的高效率实现方法

SDH、同步以太网设备时钟的高效率实现方法

概要：本文介绍几种类型的SDH、同步以太网等同步设备时钟的器件设计方案，比较它们在易用性、综合成本等方面的差异。指出采用模块化的设计理念是高效率地完成包括设计和生产两个方面内容的产品实现之最佳途径。这是专业化分工的必然趋势，同时也符合通信设备制造商希望提高产品质量、降低产品成本、加快上市时间的要求。

关键词：时钟模块化以太网

时钟系统是SDH、同步以太网等同步设备系统的重要组成部分。其功能皆如图1所示的国际标准中规范的框图，性能则分别是SDH设备时钟（SEC）的性能由ITU-T G.813建议规范，同步以太网设备时钟（EEC）的性能由ITU-T G.8262建议规范。这个重要部分的核心——同步设备定时发生器SETG，涉及模拟与数字电路设计、高稳晶体振荡器、锁相环、ITU-T 和国家相关的通信建议等多项技术内容。如果考虑不周，会给设计实现与生产管理带来相当多的麻烦。因此，它成为通信设备系统总体设计阶段就要着重考虑的问题，更是系统实施阶段的技术难点。怎样能够在保证时钟设计质量的前提下，减小设计难度，提高研发效率，降低产品综合成本，加快产品的上市时间，一直是设备制造商的项目主管、系统设计师最为关心的问题。

图1 ITU-T建议G.783规范的SDH设备时钟功能框图

设计的目的最终是为了产品的实现，但产品实现却包含设计和生产两方面的内容。从总体设计师的角度,自然希望能够有一个性能满足ITU-T G.813/G.8262技术规范要求,功能符合图1所示框图的、具有高可靠性的时钟系统,以便能够为同步设备的稳定工作提供高质量的系统主时钟,同时兼顾到设备整体的实现代价等等。这无疑对不论是系统工程师还是时钟技术

人员都提出了非常高的要求：既要考虑主时钟的性能功能实现及工作可靠性,以及如何保证主时钟在系统设备中的分配质量,还要考虑时钟系统乃至最终设备的生产实现之总体效率。

本文仅就同步设备时钟系统的核心部件——同步设备定时发生器SETG的几种类型的实现方案作较为详细的分析讨论，希望提供给工程师一点思路参考，在进行相关设计时，能够综合平衡时钟性能、设计效率、产品成本等方面，使设计得到高效率的实施，为进一步实现完整的时钟系统打下坚实可靠的基础。

从目前的情况看，同步设备定时发生器SETG主要有三种类型的解决方案：

1.自备设计方案

简化来看，SETG首先是一个具有频率与相位保持功能的锁相环。所谓保持功能就是当锁相环的输入参考源中断时，锁相环的输出频率与相位都维持在参考源中断前的瞬时位置，而一般锁相环是不具备这个能力的。实现保持功能也是SETG设计的关键。因此围绕保持功能的实现方法，可以产生各种不同的设计方案。比如，在模拟锁相环的基础上利用ADC采集和DAC还原压控电压以实现保持功能；采用数字鉴相器的数字相位差输出连接DAC产生压控电压来实现保持功能等等。

筹备成立专门的时钟开发部门，采用FPGA/EPLD、DSP/CPU、DAC/ADC等元器件，再选择合适的压控晶体振荡器来开发设计相应的方案。这是在SDH技术发展的早期，由于也没有其它的方案可供选择，设备制造商不得不经历的情形。这要求首先有足够的时间，同时也有相当技术能力的研发人员。由于SDH设备时钟技术涉及锁相环、晶体振荡器、通信系统以及计算机等多个技术领域。不用说，这对于硬件开发和软件开发的要求都非常高，开发人员要有精深的软硬件技术功底，同时还需要配备专门的时钟测试仪器仪表，熟悉相关的测试测量技术，再经过长时间反复的探索与经验积累，最终才完成性能指标符合技术规范要求、可靠实用的同步设备时钟设计。这里，由于选择保持功能不同的实现方式就可能导致SETG 电路设计方案在元器件种类、数量以及成本上很大的差异。

以这样规模人力物力以及时间投入的结果，可以对同步设备时钟的技术细节有深入的了解，也能够根据不同产品项目的需要对设计方案做针对性的改变，以增加开发工作量为代价来换取功能及成本的一定优化。比如根据项目的不同，改用新品种的压控晶体振荡器来适应特殊要求，但这需要重新测试与验证。除此之外，对设备制造商来说再难有其他的益处。从生产测试的角度看，由于其涉及专业面宽，技术性强，设备制造商需要承担相应的技术风险；从成本方面看，除了正常的原材料采购、生产测试以及材料损耗等生产管理成本，平时维持这些高级技术人员的费用也是一笔不小的开支。

对于较早掌握SDH设备时钟技术的设备制造商来说，无疑曾在竞争中取得过一定的优势。经过多年的发展，市面上已经有专业厂家提供不同形式的同步设备时钟解决方案，来帮助用户更高效便利地完成时钟设计。SDH设备时钟作为一种相关通信设备制造商必不可少的通用技术，已经没有了当年SDH产业刚刚起步时的技术壁垒作用。现在，摆在通信设备制造商面前的主要问题是，需要着重考虑在保证产品质量的前提下，如何降低成本，开发更有市场竞争力产品。

2. 外购时钟模块

外购专业厂家提供的现成同步设备时钟模块，是最为方便快捷的SETG实现手段。

时钟模块其实就是专业厂家利用自己在锁相环、晶体振荡器等方面积累的专业知识和丰富经验，将元器件电路设计集成为可靠性高的部件设计，再利用专业化设备与规范化生产程序，批量调试生产为成熟的模块产品。与自备时钟设计方案的区别主要是在模块设计的专业化和生产调试的规范化上，这正是专业化分工与专业厂家的价值体现。

与大多数自备方案一样，在时钟质量方面，由于是高稳定晶体振荡器缓冲输出或者分频输出，这种直接输出的时钟具有晶体振荡器质量，可以满足高性能指标要求的通信系统需要。而与自备时钟设计方案不同的是，所有SETG的性能和关键功能均在模块内部实现，生产调试过程也都在工厂内部完成，时钟模块的外部接口得到大大的简化，呈现了比较规范与标准的、“用户友好”的使用特性。像CONNOR WINFIELD、RALTRON等公司都提供过这样的同步设备时钟模块，也是比较早的提供此类产品的厂家。国内也有专业厂家提供与其兼容的时钟模块产品。他们的产品在国外有一定用量，国内也有厂家使用。

对于没有精力自己设计专用时钟方案的厂家，或者由于非晶体振荡器直接输出的时钟质量达不到要求，或者干脆就是不喜欢其它复杂的解决形式。这时，使用简单方便的时钟模块成为合乎情理的选择。在这里，由于时钟的性能指标已由模块保障，只有十几个管脚的封装形式，十页左右的数据手册，使得模块很容易使用，相关技术人员的工作量大大降低。系统设计师不用担心系统的时钟性能以及设计周期，因此有更多的时间与精力去进行设备整体的性能优化，设计更有竞争力的通信产品。如果模块价格也还能被接受，这当是设备制造商最希望看到的情形。但遗憾的是，之前即使是国内厂家的时钟模块售价也偏高，普通用户根本无力承受，只能望“块”兴叹！

3. 专用芯片+晶体振荡器

最后一类SETG的实现是IC厂商提供的时钟专用芯片加外部晶体振荡器作频率标准的方案。现在市面上已有数家IC厂商在提供高中低档价格的芯片+晶体振荡器方案。如较早的SEMTECH，以及较近的MAXIM等。从应用便利性和性价比方面考查，这种方案介于自备设计方案与使用现成时钟模块之间。对于不能忍受自己开发的风险代价、以及成品时钟模块价格的设备制造商，这曾是最好也是唯一的选择。

专业IC厂家运用模拟与数字混合集成电路的设计技术，充分发挥集成电路的特点与优势，开发包含数字锁相环DPLL、模拟锁相环APLL、微处理器接口I2C/SPI、以及多个时钟输入输出适配接口等等尽可能全面的功能。再在芯片外部配置高稳定性的标准晶体振荡器，为芯片提供基准频率，这样基本构成同步设备时钟系统的主体。比较自备设计方案，虽然应用便利性还不是太好，但已经明显占优。若比较已往的时钟模块方案，则应用便利性较差但成本方面占有优势。

应用便利性上存在的问题首先是芯片使用复杂，这也是芯片在彰显其多功能优势的同时带来的副作用。虽然对一个具体的设计要求其中的很多功能都用不到，但由于芯片功能强大，管脚很多（几十上百甚至两百以上），它们一般都有上百页的数据手册，有几十个乃至上百个