时钟同步技术概述

作为数字通信网的基础支撑技术，时钟同步技术的发展演进一直受到通信

网技术发展的驱动。在网络方面，通信网从模拟发展到数字，从TDM网

络为主发展到以分组网络为主；在业务方面，从以TDM话音业务为主发

展到以分组业务为主日勺多业务模式，从固定话音业务为主发展到以固定和

移动话音业务并重，从窄带业务发展到宽带业务等等。在与同步网有关性

非常紧密的传播技术方面，从同轴传播发展到PDH,SDH,WDM和

DWDM,以及最新的OTN和PTN技术。伴随通信新业务和新技术的不停

发展，其同步规定越来越高，包括钟源、锁相环等基本时钟技术经历了多

次更新换代，同步技术也在不停地推陈出新，时间同步技术更是目前业界

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2、时钟技术发展历程

时钟同步波及出J最基本技术包括钟源技术和锁相环技术，伴随应

用需求日勺不停提高，技术、工艺的不停改善，钟源技术和锁相环

技术也得到了迅速口勺演进和发展。

(1)钟源技术

时钟振荡器是所有数字通信设备的基本部件，按照应用时间的先

后，钟源技术可分为一般晶体钟、具有恒温槽口勺高稳晶振、原子

钟、芯片级原子钟。

一般晶体振荡器精度在nE-5〜nE-7之间，由于具有价格廉价、尺

寸小、功耗低等诸多长处，晶体振荡器在各个行业和领域中得到

广泛应用。然而，一般晶体钟一般受环境温度影响非常大，因此,

后来出现了具有恒温槽口勺晶体钟，甚至具有双恒温槽口勺高稳晶体

钟，其性能得到很大改善。伴随通信技术的I不停发展，对时钟精

度和稳定性提出了更高日勺规定，晶体钟源已经难以满足规定，原

子钟技术开始得到应用，枷钟和锁钟是其中最有代表性的原子钟。

一般来说，锄钟日勺精度能抵达或优于nETO的量级，而葩钟则能

抵达或优于1E-12的量级。

然而，由于尺寸大、功耗高、寿命短，限制了原子钟在某些领域

日勺应用，芯片级原子钟有望处理这个难题。目前民用日勺芯片级原

子钟基本上处在试验阶段，其尺寸只有立方厘米量级，耗电只有

百毫瓦量级，不消耗原子，延长了使用寿命，时钟精度在nE-10

量级以上，具有很好的稳定性。芯片级原子钟将在通信、交通、

电力、金融、国防、航空航天以及精密测量等领域有着广泛的应

用前景。

(2)锁相环技术

锁相环技术是一种使输出信号在频率和相位上与输入信号同步内

电路技术，即当系统运用锁相环技术进入锁定状态或同步状态后,

系统日勺震荡器输出信号与输入信号之间相差为零，或者保持为常

数。锁相环路技术是时钟同步口勺关键技术，它经历了模拟锁相环

路技术和数字锁相环路技术日勺时代，直至发展到今天日勺智能锁相

环路技术。

模拟锁相环日勺各个部件都是由模拟电路实现，一般由鉴相器、环

路滤波器、压控振荡器等3部分构成，其中鉴相器用来鉴别输入

信号与输出信号之间的相位差，并输出电压误差，其噪声和干扰

成分被低通性质日勺环路滤波器滤除，形成压控振荡器H勺控制电压,

其作用于压控振荡器的成果是把它日勺输出振荡频率拉向环路输入

信号频率，当两者相等时，即完毕锁定。

与模拟锁相环相比，数字锁相环中出J误差控制信号是离散H勺数字

信号，而不是模拟电压，因此受控日勺输出电压日勺变化是离散的而

不是持续的。此外，环路构成部件也全用数字电路实现，改善了

模拟锁相环稳定性差W、J问题。伴随数字技术W、J发展，出现了智能

锁相环路技术，即直接数字频率合成（DDS-DigitalDirectFre

quencySynthesis）技术。智能全数字锁相环在单片FPGA中就可

以实现。借助锁相环状态监测电路，通过CPU可以缩短锁相环锁

定期间，并逐渐改善其输出频率的抖动特性，抵达最佳的锁相和

频率输出效果。

3、同步技术现实状况分析

同步技术包括频率同步技术和时间同步技术两个方面，其中频率

同步技术比较成熟不再赘述，下面将就通信领域对时间同步的需

求和在通信领域中得到应用日勺既有时间同步技术展开分析。

3.1时间同步需求

时间同步在通信领域中有着越来越广泛的需求，多种通信系统对

时间同步的需求可分为高精度时间需求（微秒级和纳秒级）和一

般精度时间需求（毫秒级和秒级）。

（1）高精度时间需求

对于CDMA基站和cdma2023基站，时间同步的I规定是10us；对

于TD-SCDMA基站，时间同步的规定是3us；对于WiMAX系统和L

TE,时间同步的规定是lus甚至亚微秒量级，这就规定期间同

步服务等级需抵达100ns量级。假如基站与基站之间的时间同步

不能抵达上述规定，将也许导致在选择器中发生指令不匹配，导

致通话连接不能正常建立。

对于3G网络中基于位置定位的服务，若是运用接受附近多种

基站发送的无线信号进行定位，则规定基站必须是时间同步的c

一般来说10ns日勺时间同步误差将引起数米日勺位置定位误差，不同

样精度H勺位置服务规定H勺时间精度也不相似。

(2)一般精度时间需求

对于No.7信令监测系统,为防止因信令出现先后次序的错误而产

生虚假信息，必须规定所有信令流口勺时间信息是精确无误口勺，时

间同步H勺规定是1ms。对于多种互换网络H勺计费系统，为防止互

换机之间大日勺时间偏差也许会导致出既有互相矛盾日勺话单，时间

同步的规定是0.5s。对于多种业务的网管系统，为有效分析出故

障的源头及引起日勺后果，进行故障定位和查找故障原因，时间同

步的规定是0.5s.

对于基于IP网络时流媒体业务中RSTP,它是为流媒体实现多点

传送和以点播方式单一传送提供强健的协议，RTSP采用了时间戳

措施来保证流媒体业务H勺QoS。对于基于IP网络的电子商务等,

为保障SSL协议口勺安全性，采用“时间戳”方式来处理“信息重

传”的袭击措施，其对时间同步日勺规定至少是0.1s左右。通信网

络中大量的基于计算机H勺设备及应用系统(例如移动营业系统、

综合查询系统、客服系统等)普遍支持NTP,时间同步口勺规定在

秒级或者分钟级。

3.2既有时间同步技术

针对不同样精度口勺时间同步需求，在通信网中重要应用了如下几

种时间同步技术：

(1)IRIG-B(InterRangeInstrumentationGroup)和DCLS

(DCLevelShift)

1R1G编码源于为磁带记录时间信息，带有明显的模拟技术色彩，

从20世纪50年代起就作为时间传递原则而获得广泛应用。IRIG

-A和IRIG-B都是于1956年开发出J,它们H勺原理相似，只是采用

日勺载频频率不同样，故其辨别率也不同样样。IRIG-B采用1kHz

的正弦波作为载频进行幅度调制，对近来的秒进行编码。IRIG-B

出J帧内包括H勺内容有天、时、分、秒及控制信息等，可以用一般

H勺双绞线在楼内传播，也可在模拟网上进行远距离传播。到了

20世纪90年代，为了适应世纪交替对年份体现的需要，IEEE13

44-1995规定了IRIG-B时间码区|新格式，规定编码中还包括年份,

其他方面没有变化。

DCLS是IRIG码的另一种传播码形，即用直流电位来携带码元信

息，等效于IRIG调制码的包络。DCLS技术比较适合于双绞线局

内传播，在运用该技术进行局间传送时间时，需要对传播系统介

入的固定期延进行人工赔偿，TRTG口勺精度一般只能抵达10微秒

量级。

(2)NTP(NetworkTimeProtocal)

在计算机网络中传递时间的协议重要有时间协议(TimeProtoco

1)、日时协议(DaytimeProtocol)和网络时间协议(NTP)3种。此

外，尚有一种仅用于顾客端的简朴网络时间协议(SNTP)。网上的

时间服务器会在不同样出J端口上持续的监视使用以上协议H勺定期

规定，并将对应格式的时间码发送给客户。在上述几种网络时间

协议中，NTP协议最为复杂，所能实现的时间精确度相对较高。

在RFCT305中非常全面地规定了运行NTP的网络构造、数据格式、

服务器口勺认证以及加权、过滤算法等。NTP技术可以在局域网和

广域网中应用，精度一般只能抵达毫秒级或秒级。

近几年来还出现了改善型NTP。与老式的NTP不同样，改善型NT

P在物理层产生和处理时戳标识，这需要对既有口勺NTP接口进行

硬件改造。改善型NTP仍旧采用NTP协议日勺算法，可以与既有NT

P接口实现互通。与原有NTP相比，其时间精度可以得到大幅度

提高。目前支持改善型NTP的设备还较少，其精度和合用场景等

尚有待深入研究。改良行NTP号称能抵达十微秒量级。

(3)1PPS(1PulseperSecond)及串行口ASCII字符串

秒脉冲信号，不包括时刻信息，但其上升沿标识了精确的每秒内

开始，一般用于当地测试，也可用于局内时间分派。通过RS232/

RS422串行通讯口，将时间信息以ASCII码字符串方式进行编码,

波特率一般为9600bit/s,精度不高，一般还需同步运用1PPS信

号。由于串行口ASCII字符串目前没有统一的原则，不同样厂家

设备间无法实现互通，故该措施应用范围较小。到2023年，中国

移动规定了IPPS+ToD接口H勺规范，ToD信息采用二进制协议。1P

PS+ToD技术可用于局内时间传送，需要人工赔偿传播时延，其精

度一般只能抵达100ns量级，但不能实现远距离时局间传送。

(4)PTP(PrecisionTimeProtocal)

PTP与NTP区I实现原理均是基于双向对等mI传播时延，最大口勺不

同样是时间标签日勺产生和处理环节。PTP通过物理层日勺时戳标识

来获得远高于NTP的时间精度。基于IEEE-1588的PTP技术原先

用于需要严格时序配合日勺工业控制，为了顺应通信网中对高精度

时间同步需求的迅速增长，IEEE-1588从原先的版本1发展到版

本2,并且已在同步设备上、光传播设备上、3G基站设备上得到

应用。

在我国，PTP技术重要是基于光传播系统实现高精度时间传送日勺,

国内运行商在近来几年中开展了通过地面传播系统传送高精度时

间W、J研究，在试验室及现网上进行了大量FJ试验，并获得了一定

日勺成果，已超过了国外有关方面的研究水平。目前国内已在一定

规模的网络环境下实现了PTP局间时间传送,精度能抵达微秒级。

4、同步新技术展望

相对于成熟的频率同步技术，以PTP技术为引领口勺时间同步技术

崭露头角。新兴日勺时间同步与既有日勺频率同步彼此相对独立，但

从长远来看，频率同步与时间同步日勺统一是发展的必然趋势，为

此，本文在这里推出了通用定期接口技术和光纤时间同步网这一

概念，作为抛砖引玉供读者探讨。

在ITU-TJ.211原则中规定了一种新型的定期接口，即DTI(DOC

SISTimingInterface)oDTI应用于有线电缆网络，通过协议

交互方式，在一根电缆线上同步实现频率和时间同步。DTI基本

工作原理是：服务器与客户端之间采用一根DTI电缆进行连接，

服务器在获取精确时间戳和基准频率信号后，校合法地时钟并向

下游DTI客户端输出DTI信号，在一根DTI电缆的服务器和客户

端两侧，通过乒乓(ping-pong)机制无间断地发送和接受DTI

报文，从而实现DTI客户端与服务器之间日勺同步。DTI运用RJ45

接口H勺1、2管脚进行收发协议的乒乓传播，以最大程度地减少两

个方向传播的时延不对称性引入的时间误差，并最大程度地减少

串扰。伴随技术H勺不停发展，DTI技术将逐渐应用于通信领域，

即通用定期接口技术。

通用定期接口技术可直接应用于一根光纤（而不是光传播系统）

上，实现数十公里的无中继传送。伴随技术的不停发展，采用级

联方式可以实现数百公里甚至上千公里的传送，并且还可以真正

地实现百纳秒甚至更高量级时间精度的传送。有关试验表明，在

80km日勺光纤上已经可以实现10ns以内的时间传送。对于直接基

于光纤传送H勺通用定期接口技术，可以防止老式的基于光传播系

统的时间传送技术带来日勺不对等性影响。并且，在采用单纤双向

传播技术后，通用定期接口技术可以自动监测并计算出单向传播

时延，实现时延n勺自动赔偿，从而处理了老式口勺基于光传播系统

H勺时间传送技术难以实现的时延自动赔偿问题。

通用定期接口技术此外一种优势就是能同步提供统一日勺时间和频

率同步，可以很好地兼容既有的频率同步网和时间同步网，以及

兼容既有通信网中所有需同步出J系统与设备。我国老式的频率同

步网只能溯源到各运