同步技术基础.doc

资料编码

产品名称

使用对象

产品版本
V2.0
编写部门
光网络支持部
资料版本
V1.1

同步技术基础

拟 制：
何二宁
日 期：
1998-11
审 核：

日 期：

审 核：

日 期：

批 准：

日 期：

华 为 技 术 有 限 公 司
版权所有 侵权必究

修 订 记 录
日 期
修订版本
作 者
描 述

目录
1.1 同步的重要性 7
1.1.1 同步与异步 7
1.1.2 同步与数字互换 8
1.1.3 同步与数字传输 9
1.1.4 同步与滑动缓冲器 11
1.1.5 滑动产生的影响 12
1.1.6 滑动性能指标 14
1.2 锁相与频率合成 15
1.2.1 锁相环原理 16
1.2.2 锁相环种类 18
1.2.3 频率合成器 19
1.2.4 重要技术指标 23
1.3 时钟原理 23
1.3.1 时钟原理 23
1.3.2 原子钟 24
1.3.3 晶体钟 26
1.3.4 GPS钟 27
1.3.5 性能对比 29
1.3.6 BITS 30
1.4 时钟术语 32

关键词：
同步，同步网，时钟
摘 要：
本文档描述了同步网的基础知识，内容涉及同步的概念、同步的重要性和时钟原理。
缩略语清单：
无
参考资料清单：
无
数字同步基础
1.1 同步的重要性
1.1.1 同步与异步
数字通信是数字信息从发送器向接受器传送的过程。发送器周期性地发送每位数据，接受器在接受到该数据的半个周期时刻进行采样并判决其值，以恢复原数据，这种信息收发的位同步非常必要，影响这种协调的方式有同步和异步而二种。

图1-1 异步方式\发送的字符
v 异步方式
异步方式的工作过程如下: 发送端先将欲要发送的信息提成一个一个的字符，对每个字符在发送前又进行包装，在每个字符前端插入起始位、末端插入停止位，构成10bit /字符的结构发送出去，如图1-1所示。接受端处在随时接受数据的等待状态，一旦收到启始位即受到提醒进入短时间的收发同步状态，进而进行该字符数据的接受，在收到停止位时，能确认字符接受完毕，并准备下一个字符的接受。可见它是随机的字符发送方式，规定收发时钟频率大体相同才干保证有效接受。因此速率低、数据少、随机数据通信（如键盘、鼠标、远程终端）等通信场合使用。RS232－C即是广泛采用的一种异步接口标准。
v 同步方式
同步方式的工作过程则不同，它是将要发送的字符数据集中批量发送，省去了所以字符前的起止位的提醒，大大提高了数据传输的效率。在电信网中应包含了4个层次上的同步：（1）位同步 （2）帧同步 （3）时隙同步（4）网同步。
它规定发送端和接受端有一致的时钟信号，既要同频也要同相。图1－2 为帧同步与异步方式的时序构对比示结意图。

图1－２异步同步传输数据流
对比可以看出：在同步方式下，作为额外开销的同步字符，不随发送信息的多少而改变，在大量数据传送时，能有很高的效率。譬如，在发单个数据字符，每块同步损耗达200％，可在发送512个数据字符块时，则同步损耗仅占0.39%，有非常高的传送效率，因而同步方式在计算机网络、数据数字通信中有更为广泛的应用。而异步方式更适合于终端、绘图仪、调制解调器等低速信息传递。
v 同步传送
通常时钟信号的获得来自二种途径：其一是采用时钟专线，即将发送端时钟直接传送给接受端同步使用；其二是借助锁相环，运用发送端传送的信息流中的时钟频率、相位信息，进行同步时钟提取、恢复再使用。有的是从从业务码流中提取时钟定期，有的是运用专用载波信号来提取同步定期。直接使用专用定期的情况重要是在小系统的情况。由于接受端始终与发送端保持同步状态，信息的传送就省缺了每个字符前的同步提醒，从而能将信息以数据块（帧）的方式，高速传递。
同步方式是现在数字通信的重要方式，同步技术的进一步研究也已成为数字通信系统不可分割的部分。就通信网看，同步在通信设备中如何保证，又对通信质量有何影响呢？以下就典型的数字互换机和数字传输设备来进行分析。
1.1.2 同步与数字互换
数字互换机是通信网中的一个节点，通过节点的信息互换功能，信息才干在通信网中四通八达。而作为被传送和互换的数字信息则是以时分复用的方式构成的。其互换方法是数字互换机将收到的数字信息以一种顺序写入存储器，以另一种顺序从存储器读出后传送，因此节点处的信息互换实质是数字信息序列的时隙互换，如图1-3所示。

图1-3时隙互换的两种方式
因此，数字互换机通过对输入数字信号中的时隙作重新安排实现了数字信息互换，所以在信号进入互换网络之前，需要具有时隙互换的条件如下：
(1)参与互换的数字信号的帧要在时间上对齐，即各路信号的帧要同步；
(2)各路信号的码率都要以互换设备的时钟速率为准，转换为相同码率，使时隙具有相同的速率。
但参与互换的信号也许来自不同的互换节点和传输设备，到达时间不也许相同，信号的码率也也许与本地时钟不同步，这就需要通过帧缓冲器进行帧同步及比特同步。当外来信号与互换设备内的时钟频率有差异时，则在进行比特同步时将产生滑动（详见1.1.4节），滑动将使信号受到损伤，影响通信质量。
1.1.3 同步与数字传输
数字传输系统是对编码的数字信息以时分复用方式传送的。现在通信网中使用的时分多路复用传输系统重要有两类：即准同步数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH）。
v PDH 中的同步
PDH的复用是逐级进行的。由于被复接的支路信号也许来自不同方向，各支路信号的码率和到达时间不也许完全相同，因此在进行复接前各支路的码率应调至相等，并把划分比特流段落的帧同步码对齐，即码率和帧同码都要同步。为达成此目的，就要使用码速调整技术。码速调整（一般用正向码速调整）的原理是把参与复接的低次群的准同步码流调整到一个较高的码率，其中增长了帧同步码、业务码、插入码及插入标志等。例如PCM一次群在码速调整过程中将码率由2.048Mbit/s提高到2.11Mbit/s，使各参与复接的支路信号码率达成同步，然后才进行复接；复接后的高次群码流传送到收信端，先进行帧同步码检出，在实现帧同步后再进行分接，分接后的各支路再经码速恢复单元，将各支路信号恢复为与原输入码率相等的准同步码流。
因此可将PDH传输系统可看作是“透明”的，即收信端的信号码率与发信端的码率相等。但在进行码速调整时有比特位插入操作，在收信端恢复码速时，要有删除被插入的比特操作，因此信号将受到损伤，即信号增长了抖动成分。抖动给通信带来不良影响，但在PDH传输系统内部进行复接同步时，用插入比特的方法产生的抖动无法完全消除，所以这个系统内的的同步方法并不抱负。
v SDH中的同步
SDH是用于光缆传输的同步数字系列，是一整套可以进行同步数字传输、复用和交叉连接的标准化数字传送结构系列，用于在物理传输网（重要是光缆网）上传送经适配的净负荷，如图1-4所示。同步传送模块（STM－1）是SDH的基础速率，高速率信号都是由N个STM－1复用至STM－N得到的。从STM－1信号变成STM－N信号不再有开销或其它解决，所以STM－1是最基本的信息模块。它由信息净负荷（payload）、段开销（SDH Section Over head）、虚容器（Value Container）及管理单元（Administer Unit）指针构成，SDH的净荷映射方式有几种，异步映射、浮动字节同步映射、锁定字节同步映射、比特同步映射。异步映射最为流行，它使用插入比特来调节定期误差。

图1-4 SDH同步传送模块结构
E1信号一方面映射进虚容器低速VC，VC中具有净荷及开销信息，然后再映射进一个高速虚容器，它可用于载运E3信号，其中也有自己的开销，然后高速VC映射进STM－1的AU信号中。通常映射中使用异步影射方式来避免SDH单元间频差引起滑动，在此异步影响射中，先运用插入比特方法调节SDH与外来业务信息流的定期差，进而用净荷指针来指出VC帧的开始位置，这样SDH单元间的频差不会引起帧滑码，也无需对业务信号重定期（Timing），SDH系统内各网元如复用器、分插复用器（ADM）及数字交叉连接设备（DXC）之间的频率差是靠净荷调节指针值来修正的。假如发送时钟比接受时钟快，接受端将引入一个负指针调整，净荷向前移动一个字节（8比特），反之，假如发送时钟比接受时钟慢，接受端将引入一个正指针调整，净荷向后移动一个字节（8比特），所以同步不良将引起SDH传输链路不同的网元间净荷指针频繁调整，由于SDH系列是以字节为单位进行复接的，指针调节是把净负荷起始点向前或向后移动与帧相关的一个字节，它的频率很低，虽构不成抖动干扰，但是为起漂移干扰，一次指针调节引起的影响也许不超过网络接口所规定的指标，但当指针的调节的速率不能受控制时将使漂移频繁地出现、积累并超时网络抖动的规定指标时，将引起净负荷出现错误，因此在SDH系统中的网元内时钟也应保持严格同步，同时也看到使用SDH业务来传送定期信号会增长其漂移干扰，实不可取。
1.1.4 同步与滑动缓冲器
数字互换机本质上是采用时隙互换（Time Slot Interchange）原理实现的，即将时隙的数字信息作重新安排完毕的，这种时隙的重新安排规定期隙信息的形成和时隙信息互换有相同的速率。设想若所有的时隙切换由一个开关控制的话，就主线无需同步系统。然而数字互换机是通过各种各样的数字传输系统联接起来，时隙往往是在某局产生出来，而在此外某局完毕时隙互换，这就规定二部相距遥远的互换机有同步的工作时钟，否则就无法完毕对的的互换任务，产生不良后果。
滑动缓冲器是通讯设备里广泛采用调整同步时钟差异的有效措施之一。下面以典型的数字程控互换机为例来分析滑动缓冲器功能和同步与滑动的关系。
从外部送来的信号在进行时隙互换之前，需将其速率转换为本地时钟的速率，称“再定期”，这通常采用端接（终接）一个缓冲存储器的方法实现，原理说明如图1-5。

图1-5 滑动缓冲器原理
此缓冲器是一种“弹性存储器”，它是在简朴的存储器基础上采用了独立的读、写时钟。其中写时钟是从外来的信息流中提取的，读时钟是来自本地系统时钟。这个缓冲器的大小至少为1个PCM一次群帧长度，典型为2个帧的长度（2×256bit）。只要写时钟和读时钟有相同速率，缓冲器就不会上溢，也不会下溢。任何大于缓冲器长度的相位变动，或收发频率偏差则将导致缓冲器信息的上溢或下溢。上溢使得一帧信息丢失，称为帧丢失，下溢使得一帧信息被重发，称为帧重发。这种帧信息的丢失或重发就称为“帧滑动”或“受控滑动”。由于此滑动缓冲器总是处在PCM一次群终接的位置，帧信息在缓冲器之前已被提取，所以受控滑动帧不会影响帧的结构。由此看到帧缓冲器具有如下功能：
①用本地时钟取代了外来信息流时钟，互换（或传输）的数字信号与本地时钟实现了位同步，并在一定限度上吸取了外来数字信号的相位抖动或漂移。
②对来自不同地点的外部数据信息，帧定位信号存在不同延时，帧缓冲器进行了一定的调整吸取，使帧定位信号实现了本地同步。
③外输入信号与本地时钟的频率偏差被转化为帧滑动，但仍能保持帧同步。
帧缓冲器在数字通信领域得到广泛的应用，滑动是数字通信中重要的信息损伤源之一，随着通讯向着大容量、高速率的发展，消除滑动损伤越来越成为不容忽视的课题。
1.1.5 滑动产生的影响
抖动、漂移和相位瞬变是产生滑动损伤的重要根源。抖动是指数字信号相对其标准信号产生的短期相位变动（指相位瞬变的频率在10秒以上）。漂移是指数字信号相对其标准（或称抱负）信号产生的长期的相位变动（指相位瞬变频率小于10Hz）。相位瞬变则是指在在有限的时间内有相称大的相位跳变情况，超过了系统的忍受能力。
①抖动以二种方式来影响数字业务，其一是使帧缓冲器上溢或下溢，其二是使外来的码流抽样错误。因此，对时钟的抖动有一定的指标规定。抖动的产生有二个来源，重发器和复用器。重发器使用特殊电路来从数字信号中恢复定期信息，每个重发器都对整个抖动产生作用。复用器则使用插入比特码流的方法来缓冲低速信号流，而在删除此比特码流的操作中也常来了抖动。
②漂移则以如下二种方式来影响业务，帧滑动和SDH中的指针调整。特别，外输入参考源的漂移能影响时钟的保持性能，时钟的精度是通过多个外参考的频率的平均获得的，漂移将使得这个精度减少。漂移的产生来自同步的时钟，同步时钟采用一些技术来锁定它的基准，由于控制手段的不同，会产生不同的漂移。此外，环境温度，传输线介质，也能产生漂移。譬如Bellcore曾做过实验，在36摄氏度环境变化情况下，使用150英尺同轴电缆传送2Mbit/s信号，将产生3.5ms(5.4UI)的漂移。这就是说环境温度的变化可以产生时钟相位的漂移，但多数情况漂移还是来自时钟自身（SDH传输也是漂移产生的一个因素）。
③相位瞬变时常出现在工作状态重新安排的情况下，如参考源的切换，硬件保护切换，SDH中负荷信号的指针调整等，均也许超过限制，产生告警，进入保护工作状态，并产生数据传输错误。
因此滑动减少了通信质量、可靠性，各种数字设备对时钟同步的需求不同，滑动产生的影响以也以信号运载的业务不同而不同 。
①对一般话音业务。通常产生噪音，一次滑动也许听不到或产生一次“喀达”声，在滑动速率很高时，才会感到话音业务的质量降级。
②对于移动通信话音，则产生中断、阻塞或静音现象，特别是采用CDMA、TDMA技术的GSM通信，随着城市用户数量的急剧增长，话音质量将受到影响。
③对一般数字数据业务，数据是以包或块的方式发送，一次滑动产生一次丢包，高层协议经检测要通过重发功能更正此包，显然这样将减少数字数据业务的质量。
④对特殊加密数据业务，将使业务质量大大减少，这是由于一次滑动就规定除了数据重发外，此数据的密钥信息也要重发，这就大大减少了数据加密的可靠性和业务质量。
⑤对压缩视频更是一种极受滑动影响的业务。一次滑动将导致视频图象在一段时间“冻结”的现象。
⑥对调制解调器类业务，大多调制解调器是使用载波信号相位来传送数据（调相），对1kHz载波有450的相移而言，调制解调器需要在6秒时间来恢复一次滑动。
⑦对三类传真设备，如使用6900波特率的调制解调器，一次滑动能导致0.08inch宽的图文丢失。
⑧对7号信令业务，天天一次滑动也将使通讯网络产生不允许的致命错误。
1.1.6 滑动性能指标
滑动已是数字数据通信中影响通信质量而不容忽视的问题，为此国际电信组织制定标准来控制滑动产生的影响。如 ITU－T G.822即为标准之一。表1－1给出了27500Km长的国际电路连接实验中，将滑动对性能影响的质量分级如下：
(a) 为抱负滑动指标。(b) 为可用滑动指标。(超过此门限即开始影响性能，使某些服务质量下降)。(c) 为降级滑动指标(已使通信质量严重降级)。如此给出了典型的端到端最大滑动极限规定。
滑动性能分类
性能类别
按平均滑动率
按可用时间比例
(a)
≤5次/24h
>98.9%
(b)
>5次/24h≤30次/1h
<1.0%<98.9%
(c)
>30次/1h
<0.1%
针对典型参考电路连接结构图1-6，包含五个国际转接、三个国内转接、一个本地节点，由于不同级别的局点，业务重要限度不同，因此采用不同比例的滑动分派如表1－2所示。对国际段分派8％滑动，对国内段分派6％滑动，对本地段分派40％的滑动，保证端到端的滑动次数在给定的滑动指标范围内。针对各个区段级联多少，进而提出对各级时钟节点的最低保持频率准确度规定。

图1-6 国际电路参考连接
受控滑动性能的指标分派
区间
(a)类
(b)类
(c) 类
国际转接部分
8.0%
0.08%
0.008%
每个国内转接部分
6.0%
0.06%
0.006%
每个本地部分
40.%
0.4%
0.04%
国内标准参考连接见下图1-7所示，

图1-7 国内电路参考连接
目前随着NO.7信令、SDH和各种新业务的的规模化应用，对滑动指标和定期性能提出更高规定。如NO.7规定天天有不超过1次的滑动出现，因此同步定期链路的漂移积累也变的重要起来，每当存在超过18US的定期误差积累时，就极也许导致一次滑动出现，所以除了滑动指标分派外，同步网上的漂移累积限制、漂移指标分派成为现代同步组网和时钟设计所关注的焦点。所以国际组织积极开展电信网上定期的漂移指标分派研究，对现有的时钟节点设备提出全新的性能规定。我国对国内区段的总的滑动规定如下表1－3 。
国内滑动损伤指标限定
传输设备
1次/24h,
超过规定的传输性能
二级节点
0次/24h
指正常情况及仅一条同步链路故障时的值。

0次/24h
正常情况
三级节点
1次/24h
仅有一条同步链路故障情况

16次/24h
所有链路发生故障情况
可以看出，对数字传输设备产生的损伤，分派给它的滑动时间间隔应大于24小时。对长途互换中心，采用较高精度的时钟，在正常运营时，应无滑动出现，即使同步链路故障，24小时内也应不产生一次滑动。对三级节点在无端障运营时，应为无滑动出现；在一路外同步链路发生故障时，允许有一次滑动出现，若主备2条同步链路所有发生故障，滑动次数在一天内也不应超过16次。对四级节点，滑动未作规定。
1.2 锁相与频率合成
锁相与频率合成是实现同步定期的关键技术，通过对它们原理的结识，有助于澄清一些重要的概念、明拟定期的一些指标。
1.2.1 锁相环原理
v 锁相环组成
锁相是指通过图1-8所示的闭合控制的环路，使压控振荡器产生的信号能跟踪外参考输入信号，达成同频、同相状态的工作过程。它有三个核心部件组成：

图1-8锁相环原理框图
1. 鉴相器（PD）
又称相位检波器或相位敏感器，它能鉴别2个输入信号的相位差，输出相差控制电压。既能鉴相又可鉴频的鉴相器称为鉴频鉴相器，在二个输入信号有频差时它起鉴频作用，当有相差时则起鉴相作用，只要有差别，则就有相差控制电压输出。鉴相器对不同频率范围的信号用不同鉴相器，其电路实现也多种多样，如平衡电流开关鉴相器，数字鉴相器等。
2. 环路滤波器（LPF）
它能将PD输出的信号进行低通滤波，得到低频直流控制电压去控制压控荡振器频率。LPF一般是一阶低通滤波器，无源或有源，RC积分滤波器或RC比例积分滤波器等，其性能各不相同，合用于不同用途如调制、解调、跟踪等。
3. 压控振荡器（VCO）
它能在其中心频率附近按受控电压大小改变输出频率。此VCO，有LC振荡式，RC振荡式、多谐振荡式，更多的是集成电路VCO。
v 锁相环工作状态
锁相环工作过程可分自由振荡（free run）、捕获(pull in)和锁定(lock)、跟踪（tracing）三种状态。现分述如下：
1. 自由振荡过程
锁相环在上电初期，或无外参考信号输入时，鉴相器不输出鉴相控制电压，此时VCO按照偏置的工作电压振荡输出信号，此工作状态称为自由振荡状态。
2. 捕获过程
一旦出现外参考输入信号u1(t)，u1(t)与VCO输出信号u2(t)存在相位差，PD就不断产生对的极性的误差控制电压，经LPF滤波后，控制VCO调整频率或相位，通过环路负反馈系统，使得u1(t)朝着与u2(t)频率相位误差减小的方向变化，u1(t)和u2(t)的偏差越来越小，此工作状态称为捕获。
3. 跟踪过程
当u1(t)和u2(t)相差足够小时，锁相环可视为进入锁定于外参考信号的工作状态，称为锁定状态。进入锁定后，若外输入信号继续存在频率或相位的一定范围变化，u2(t)还继续跟踪u1(t)的变化，时时有PD输出的误差控制电压输出，控制VCO的频率相位不断调整则此过程称为跟踪。可见对锁相环而言锁定状态是相对的，跟踪状态才是绝对的。
v 锁相环的重要指标
从整个过程可见锁相环有如下的重要指标：
1. 捕获范围
在捕获时，锁相环可以捕获到的外输入信号频率的偏差范围是有限的，过大的频差使锁相环不能达成锁定状态，此最大频差范围称作捕获范围（pull in range）。
2. 快捕带
若开始捕获时，u1(t)和u2(t)只存在相位误差，而无频差，则能通过几个周期的振荡，锁相环就可以完毕捕获达成锁定状态，此称为快速捕获。可以通过快速捕获就达成锁定的初始频差范围就称为快捕带。
3. 同步带
在跟踪状态下，为了维持环路连续锁定，外参考输入信号的变动范围也是有规定的，外参考输入信号的过大的频率相位偏移，也会使锁相环再次进入自由振荡状态，此最大频差范围称为同步带。
4. 捕获时间
锁相环从开始捕获到到进入锁定期间叫捕获时间(pull in time)。
5. 环路时间常数
环路滤波的低通截止转折频率的倒数。
快捕带，捕获带和同步带之间存在的关系如图1-9示。一般，快捕带小于捕获带，捕获带小于同步带。

图1-9 快捕带、捕获带、同步带之间的关系
1.2.2 锁相环种类
按照锁相实现时采用的器件不同分为硬件锁相和软件锁相。按鉴相器解决的信号不同分为模拟锁相环和数字锁相环；按VCO使用的器件不同分为晶体锁相环、RC锁相环、IC锁相环；按总的锁相环的数量不同可分为单环、双环、多环锁相；按环路分频方式不同可分为可变频率锁相环和固定频率锁相环。通常不同的锁相环结构使用于不同的频率范围、场合。如：可用作同步跟踪，还可用作载波信号的调制与解调、混频，频率合成等。
通常的锁相电路，是完全依赖于系统硬件结构实现，不具有智能性，故又称硬锁相。除此之外，若采用微解决器结构，通过频率计数方法，数字鉴相器、D/A电路，软件编程也可以很好地完毕锁相环功能，更合用于复杂多变的应用场合，这种基于微解决器实现锁相环功能的系统称为软锁相。其典型结构如图1-10示，由四大部分组成：

图1-10 软件锁相原理框图
1. 数字鉴相器
完毕输入信号比相功能。当内部VCO振荡信号与外输入信号存在相位频率差时，数字鉴相器通过计数方式可以判断出输入信号沿存在的相差，相差大小通过计数脉冲反映出来。此数据经适当解决即可输出控制VCO。
2. 参考基准源
是比输入信号频率高得多得多的脉冲源，靠对其脉冲的计数来获得输入信号相差的大小。有此可见，其频率越高，鉴相精度就越高。
3. D/A变换器
CPU输出鉴相误差控制电压给D/A转换器，将数字控制量转换的直流控制量，用于VCO频率相位校正控制。
4. VCO压控制振荡器
在控制电压的作用下进行振荡，整个系统在负反馈作用下，可以从捕获到锁定后不断跟踪。
这种软锁相的最大优点在于通过采用各种数字滤波、数据解决技术，获得有效控制VCO的电压，产生效果不同的锁相结果，如除去外输入信源抖动、漂移、补偿VCO长期的频率相位漂移、设定可变的低通滤波常数等等，因而获得广泛应用。
基本锁相环结构稍做改善就能广泛应用于倍频、频率合成等场合。
1.2.3 频率合成器
用锁相环路将一个高精度和高稳定度的标准参考源，通过锁相环路的混频、倍频和分频等，最终合成输出几十个乃至更多的具有同样精确度和稳定度的频率源设备称作频率合成器，它在同步设备中也获得应用。
v 直接频率合成法
将一个或几个高精度和高稳定度的频率源，运用混频器、倍频器、分频器和滤波器实现对频率的四则运算，最后产生大量的离散的频率信号，叫直接频率合成法。
图1-11所示的是一个直接频率合成器的原理方框图，从中可以看出直接频率合成法的组成、工作原理和它的特点。

图1-11 直接频率合成器的原理框图示例
上图中的标准频率源是一个具有恒温控制的5MHz的晶体振荡器。运用谐波产生电路形成丰富的谐波，再运用倍频、滤波的方法得到0～9十个频率。通过对十个频率的分频、倍频、滤波、混频等方法，可以组合成需要的各种频率。例如，为了从5MHz晶体振荡器中获得频率为26.8MHz的标准信号，把2MHz、6MHz、8MHz的信号引入到频率合成电路即可。可以看出，直接频率合成方法突出的优点是频率转换时间短，并能产生小数值的频率增量。其缺陷是：由于采用了大量的倍频、混频、滤波、分频及滤波器，使频率合成器的体积、重量加大；输出的谐波噪声及寄生频率的干扰很难克制掉，导致了输出信号谱纯度不高。
v 间接频率合成法
由一个高稳定度、高精度的标准频率源，运用锁相环路实现对频率的加、减、乘、除的四则运算，最终获得若干离散的、高精度、高稳定度的频率源。由于频率的倍频、混频、滤波等是在锁相环路内实现的，其闭环控制特点就显露出来。
图1-12 所示的方案是运用锁相环实现频率的除法运算的原理框图。在实现除法运算时，一般不在环路的反馈支路上设立倍频器而获得分频的方法。这样做使环路的阶数增长，系统的稳定性差，电路复杂，调整困难。通常采用前置分频法设立除R分频器，对fr实现固定分频或程序分频。后置分频法设立除V、N分频器实现对f0的固定分频或程序分频。

图1-12 锁相环实现频率的乘除法运算的原理框图
从上面叙述的工作原理可以看出，运用锁相环实现频率的合成，其信号的输出是从VCO获得的，其幅度及谱纯度很高，特别带通滤波电路插到反馈支路中，环路锁定后，滤波器带宽的大小对输出信号的影响几乎没有，这样对滤波器的规定也就不高了，最终获得的信号中寄生频率也就不存在了。
v 直接数字频率合成法（DDS）
采用数字方法合成模拟信号的方法已不显见，通过D/A转换器，就能将幅度、时间离散的数字信息变换为模拟量。若用此种方法形成多种频率的正弦波，则并非易事了。这是由于正弦波通常表达为a(t)=sin(wt)或a(t)=cos(wt)形式，波形幅度与时间不是线性关系，除非采用极为复杂的结构。

图1-13正弦波形非线形和相位线形对比
然而从j＝wt的相位表达式中可以看出j与t之间却是线性关系，并且相位j总是在0～2p之间周期变化。如图1-13示：DDS正是从相位线性的规律着手，解决复杂问题的。
由于△ j=w·dt w=2*pi*ft
取：dt=1/fclock （作最小时间片分割即fclock为参考基准源）
则f=△j·fclock / 2pi
由此可知，给定相位增量△j即可获得一个合成频率f，适当对j值调整即可进行波形相位调节。DDS系统正是基于控制△j值来实现频率f合成和相位控制的，如图1-14所示，DDS重要有三部分构成的，现对DDS组成原理介绍如下：
重要有三部分构成：

图1-14 DDS组成原理框图
（1）. 相位增量控制器
功能：形成线性相位数据。
通过累加计算形成线性变化的相位数据。其中：相位增量寄存器放△j常数，相位偏移寄存器放相位偏移调整所需相位数据，通过j目前＝j过去+j增量 可获得当前的值。对32bit的数据线20相应相位是0，232相应相位是2pi，随着时间推移，相位值在0～232间周而复始改变。
（2）.查正弦余弦表
功能：根据当前的相位数据，获得相应正弦波形的幅度数据值。
据相位计算正弦波幅值非常困难，通过查一个正弦波形表，变的非常容易了，只但是规定波形，表要有足够的幅度精度和相位采样点精度，为此在RAM中放置一个完整的正弦波数据表如下图1-15示。其中水平方向的相位精度，是合成一个周期的采样点的数，称为水平分辩率，垂直方向的幅度精度，是电压幅度数据位数大小，称为垂直分辩率，例如：地址为32bit的12位数据RAM表，其水平分辩率达2p/232级，垂直分辩率达峰峰值1/212量级。

图1-15 DDS正弦表图
可见，以顺序算出的相位数据为地址变量，通过查表，就可迅速获得正弦波形的幅度数据。信号相位从0－2pi线性变化，相应查表地址也就从低到高线性变化，此幅度值经D/A转换就形成的正弦波的雏形，通过LPF滤波，就能获得纯度较高的正弦波形。进一步看出，若Dj增大一倍，则查表时地址增量就得加快一倍，一个正弦周期下来采样点数就要减少一半，合成频率就能高出一倍。故Dj越小，则合成频率越低，最低为合成频率取决于水平分辩率的值。Dj越大，则合成的频率越高，最高合成频率受Neguist定律限制，为抽样频率fclock的1/2倍（一个周期最少有2次采样）。
（3）.D/A变换与低通滤波器：
将获得的正弦波幅度数据，转换为连续的模拟量输出，再经LPF滤波器滤除高频谐波，获得纯净的正弦波形。
由此看出DDS合成的正弦波灵活、易控制，故不久得到广泛应用。
1.2.4 重要技术指标
（1）.频率范围
频率范围是指频率合成器输出的最低频率fomin和输出的最高频率fomax之间的变化范围，也可以用频率覆盖系数k= fomax/ fomin来表达。
（2）.输出的频率稳定度
输出频率稳定度的定义为：
式中，f0为输出标称频率，△f/T为单位时间内的频率漂移量，输出频率的稳定度重要取决于参考频率源的稳定度和环路噪声的大小等因素。
一般参考频率的稳定度有：
普通晶体振荡源： /每月；
恒温控制的晶体源： /每月；
只要环路设计合理时，合成的频率的稳定度与标准参考频率相等或十分接近。
（3）.频率转换时间Ts
频率转换时间是指频率合成器在某频率范围内，从某一频率转换为另一频率，达成稳定的时间。转换时间的长短重要取决于频率分辨率和环路参数的选取上。一般为： Ts=25 / fr
式中fr为参考频率。
1.3 时钟原理
1.3.1 时钟原理
时钟是产生尽也许高的频率准确度和频率稳定度的振荡源，提供时间或频率的基准。完全工作在自由振荡方式下的时钟是很少的，由于（1）常见的振荡源的频率准确度和频率稳定度都不够高，有很高准确度和稳定度的振荡源价格又很贵。（2）振荡源产生的频率几乎都不恰好正是输出所需要的振荡频率。（3）同步通常是相距遥远的不同电路或信号间的同步。因此由一个同步另一个很重要，所以几乎实际应用都是通过辅助电路来构成锁相环，形成所需要的时钟信号。锁相环的性能就直接反映了时钟的性能，锁相环的模式也就是时钟工作模式（通过使用锁相环还能靠跟踪使低性能的振荡源获得更高、更稳的时钟），所以时钟工作模式与锁相环的模式极为相似，分四种模式：(1)自由振荡；(2)捕获；(3)跟踪；(4)保持，显然与锁相环类同。
1.3.2 原子钟
原子钟是世界上具有最高稳定度的振荡源，它是基于原子的能级跃迁产生固定振荡频率的原理制造出来的。常用于最高级别时钟基准源，并且没有老化现象，其原理如下：
根据原子物理学和量子力学的理论，原子从一种能量状态跃变到另一种能量状态吸取或释放能量，可产生一定的谐振频率,该频率的计算如下：
f＝(E2－E1)/h
式中，f为电辐射的振频率，h为普朗克常数，E2－E1为能量变化值。
可以看出，原子不受外界影响时，二个能级间的跃迁通常产生一固定的频率，由此能获得一个准确而固定的频率。实事上，在常温下，原子从低能态升迁到高能态与原子从高能态跳变到低能态的概率相称，主线无法检测到谐振信号的存在，为此需采用某种方法，将二种原子分开集中解决，常见的方法有二种，磁场选态法和光抽运选态法。
磁场选态法是通过对原子施加可变磁场作用，能量不同的原子因受力不同而分离，使得每束原子具有相同的能级态。
光抽运选态法，则是运用特定光波去激发原子中少部分原子跃迁达成相同能态的一种办法，入射光反复激励使得原子能态逐渐集中。
通过选态后的原子已具有一定的统一能级，在微波谐振腔中施加磁波辐射，当电磁波信号频率与原子能级跃迁频率相等时，产生了原子谐振。若谐振腔材料、尺寸设计的合理，则将产生自激振荡，信号通过放大、驱动后输出。通过检测维持振荡的外加电磁波输入之信号电平，即能测得原子谐振和状态。依使用原子种类的不同，而有氢钟、铯钟、铷钟等类别，商用重要是铯钟与铷钟。
1.铯钟
铯原子钟又称铯频标，是国际网中少量使用的高精度频率信号发生器，其核心部件是铯素管，属受激型原子钟。下图1-17给出了使用铯素管部件制作出的5M振荡源的方框图。

图1-17 铯频标结构图
由于铯束管直接提供的信号谐振频率为Hz无法使用，需进行频率变换，得到5M后输出使用，故采用了VCO压控石英晶体振荡器先去跟踪铯束管谐振频率，再由晶体振荡器通过频率合成输出可用信号。VCO产生5MHz信号输出给倍频器去36倍频及51倍频，另一路经缓冲放大去频率合成获得12.631MHz，二路信号频率复合得到5×36×51＋12.631＝9192631MHz，去激发铯束管，铯束管输出的信号与－137Hz的调制振荡器进行同步检测取得误差信号，铯束管频率偏离了标准值时，则误差电压就作出相应极性反映，此误差电压经伺服放大电路去校正VCO的振荡频率和相位，锁相环使VCO有一个相对铯束管频率有了非常稳定的振荡信号。实用的铯频标一般有了铯钟组成，并增长了辅加的接口和频率转换电路，可以独立工作，也可以通过多数表决获得最佳性能，输出频率有2.048MHz 、10MHz 、1MHz 、64kHz 等。
2.铷钟
铷原子钟与铯原子钟原理相似，铷钟与铯钟相比，虽然稳定度有所下降，但成本更低，体积更小、预热时间更短，因而也得到更为广泛的应用。典型的铷钟结构如下图1-18所示：
铷元素在灯泡内被激励后，发出铷光束，光束通过过滤器能滤掉Rb85的成分，有的厂家使用特别合成铷同位素，可不用Rb85过滤器，光束直达谐振腔，按前述的光抽运过程，激励用的入射光达成光检测器上，信号输出送幅度及相位检测器上。光检测器测出的信号是薄弱的变化，因此需用音频（如f=254Hz ）对谐振腔的薄弱信号加以调制，光检测器的电流也受到同样变化的调制。当微波频率fc等于谐振频率fRb时，鉴相器输出2f的交流成分；当fc>fRb时，鉴相器输出fm交流信号。反之fc<fRb时，鉴相输出与fm 反相的fm交流信号。这种鉴相误差电压经转换最终成直流了分量去控制VCO，VCO的输出信号经频率合成器施加到调制振荡源上去控制调制信号，构成闭合环路的锁相，最终从VCO获得稳定、高精度的5MHz 或10MHz 的输出信号。

图1-18 铷钟鉴频原理示意图
1.3.3 晶体钟
石英谐振器简称晶体，是晶体振荡器的核心元件。用晶体稳频的历史已经远远流畅，重要因素是：石英晶体无论物理还是化学上都是较为稳定的材料，其谐振频率也十分稳定；石英晶体具有弹性振动损耗极小的特点，而品质因数可达数百万；选择不同的切割方位和几何形状，可获得良好的频率温度特性。晶体使用中最首要的问题就是频率温度特性，虽然它的温度系数较小，只是在一个较小的范围，当温度范围较宽时，所有切型的晶体的振动频率都随温度变化有较大的变化，为此采用品有一定温控精度的晶体恒温箱时，晶体的频率温度特性越好，则晶振的频率稳定度就越高，对同一频率温度特性的晶体，采用恒温箱的温控精度越高，则晶振的频率稳定度就越高。常见的晶体振荡器的类型如下：
v 通用型晶振
这是最简朴的也是应用较广泛的一种，它用石英晶体做重要的稳频元件。如图1－19所示。

图1-19 通用型晶振结构
这种电路不加恒温措施，所以温度变化成为影响频率稳定度的重要因素。采用AT切割的50～250兆赫的晶体，工作在-20～+70℃的温度范围内，稳定度可达±5×10－4。这种晶振中老化引起的频率变化相对于温度引起的变化来说不是重要的。
v 温度补偿晶振（TCXO）
这种晶振也不用恒温箱，而采用电路因此体积小，重量轻，电路简朴。图1-20示出一种温度被偿晶振方框图。

图1- 20 温度补偿型晶振结构
这种晶振有三