[科普中国]-本地时钟

概述

在通讯领域里信息的传递和交换是通过频率承载和时分复用完成的，一个号的设计不能没有一个好的时钟系统，正如一个健全的人不能没有一个健全的心脏一样。因此频率和定时的准确度无论是对传输效率还是传输的质量来说都是至关重要的。所以在所有的通讯设计中为了获得准确的频率和定时信号，无不用到时钟。这个时钟通常是石英晶体振荡器所产生的振荡信号，其频率准确度与稳定度非常号，而价格比较低。大型通讯系统产品都需要有系统时钟（一般通过时钟板实现）和各板上时钟电路，如果按照源来分有两种：本地时钟和外部时钟。本地时钟一般是晶振产生的连续时钟，相位特性和占空比性都比较好；外部时钟是从别的系统传递过来，比如E1的线路解耦时钟，以太网线路解耦时钟，一般要经过芯片间，甚至板间才能进入系统，所以这些时钟在源上可能会存在一些毛刺。

产品射频辐射强度与逻辑器件的翻转速度（即上升沿、下降沿）直接相关，可以通过公示来去顶系统最高的射频频率。

其中，f(max)为射频最大频率；pi为π；t(r)为脉冲上升时间。

例如一个2ns边沿典型的时钟，可能产生高达160MHz的射频频率，其可能的谐波频谱可能达到10倍以上，即达到1.6GHz。

基本原理在通信系统数字电路中，时钟产生电路一般采用成品的振荡模块，或集成电路内嵌振荡电路，只需安装一个晶体即可。但时钟产生电路对系统十分重要，并且对产品电磁兼容性较大。晶体必须与相应的放大电路组成正反馈电路才能起振，并且通过串联的电阻、电容、二极管等元器件来微调振荡频率，其电容随所施加的电压而变化。

由于利用晶体产生时钟，一般只能达到几十兆，如果要得到更高的频率，就要利用锁相环技术，锁相环是通信系统中十分重要的基础技术，广泛用于频率源、倍频、调制、同步等电路系统的设计。由于通信系统参考时钟要求高，以及时钟输出类型较多，时钟输入的选择灵活，监控实现较复杂，加上需要灵活控制等，因此，通信系统一般采用数字锁相环，并且采用主备结构以提高可靠性1。

网络时钟源秒以上的时间刻度由GPS接收机提供，秒以下的刻度依靠本地时钟单元自身走时产生。一个普通的时钟单元是由晶体振荡器和计数器组成，计数器通过晶体振荡器的驱动进行计数，通过简单的计数产生时间信息，比如：晶体振荡器的频率为50 MHz，当计数器计了50000000次，时钟系统完成了1秒的走时。但在实际情况中，由于晶体振荡器老化率等因素的影响，晶振的实际频率不是50 MHz，这会使时钟单元走时产生很大误差。尤其是当GPS信号不可用时，时钟源进入守时状态，秒以上时间刻度和秒以下时间刻度都由本地时钟单元产生，误差将会累计，最后造成很大的误差，将会严重影响同步的精度。所以，网络时钟源要能进行高精度的时间同步，必须解决两个问题：一是要解决晶体振荡器的偏差给本地时钟单元带来的走时不准，不能供准确的时间刻度问题；二是解决当GPS不可用时，本地时钟单元仍然能维持准确的走时，继续提供准确可靠的时间刻度问题。

解决以上两个问题可以有两种方法：

（1）从晶体振荡器进行考虑，采用驯服晶体振荡器的方法，使晶体振荡器输出的频率保持很高的准确度和稳定度，这样就可以消除晶振老化造成的偏差给时钟系统带来的影响。

（2）从时钟本身考虑，改造这种简单计数的时钟，寻找更好的解决法。