Pendulum 電信網路同步抖動量測漂移 wanderTIE MTIE TDEV

電信網路時序：抖動、漂移與 1-PPS 驗證

從 TIE 原始資料算出 MTIE 與 TDEV、驗證 GPSDO 的 1-PPS 偏移，到八路同步源同時做相位比對——把網路時序問題量出來。

Telecom Network Timing: Jitter, Wander and 1-PPS Verification

方案摘要

SyncE、PTP 與 GNSS 同步的電信網路，時序品質最後都落在兩個量上：10 Hz 以上的抖動與 10 Hz 以下的漂移。Pendulum CNT-91R 以 35 ps 時間戳記對 160 MHz 以下任何時脈量測 TIE，TimeView 3 再算出 ITU-T 定義的 MTIE 與 TDEV；驗證 GPSDO 的 1-PPS 時，同一套系統可分辨 -2.9 ns 的偏移與 0.6 ns 的隨機不確定度。CNT-104S 四個通道共用同一時間軸、解析度低於 7 ps，兩台同步後可同時比對 8 路 1-PPS。本文說明這些量測各自解決什麼問題，以及參考源為什麼決定了結果的可信度。

抖動與漂移：10 Hz 這條分界線

網路時脈的相位相對於理想時脈的偏差，快的那部分叫抖動，慢的叫漂移，業界以 10 Hz 的相位變化頻率為界。兩者的來源不同：抖動多半是逐週期的雜訊，漂移則來自被上游訊號馴服的從屬時脈、被 GNSS 馴服的主時脈、任何含 PLL 或 FLL 的頻率控制迴路，以及長距離光纖日夜溫差造成的傳輸延遲緩慢變化。自由運轉且溫度穩定的銫、銣或 OCXO 振盪器本身不產生漂移。

漂移過大的後果很具體：SDH 與 SONET 出現訊框滑動，資料重傳導致吞吐量下降，行動網路在換手時掉話，影像出現像素錯誤或畫面凍結。IP 網路原本不同步，但 SyncE 與 PTP 讓頻率與時間得以經由馴服從屬時脈傳遞，於是同樣的漂移問題也跟著進來。要管理這些現象，第一步是把它們量成數字。

TIE 是基本量：CNT-91R 搭配 TimeView 3

漂移量測的基本量是 TIE，即待測時脈邊緣與理想時脈邊緣的時間間隔誤差。CNT-91 對每個待測邊緣打上 35 ps 解析度的時間戳記，理想時脈則由軟體從參考時基推算，兩者相減就是逐筆的 TIE。這個方法適用於 160 MHz 以下的任何時脈訊號，不需要為 2.048 MHz 或 1.544 MHz 另外準備專用介面。TimeView 3 接著從 TIE 原始資料算出 ITU-T、ANSI 與 ETSI 定義的 MTIE 與 TDEV，以及 ADEV 與 MADEV。

MTIE 是各觀察區間內 TIE 的峰對峰最大值，永遠單調遞增，用來對照 ITU-T 遮罩並判斷訊框滑動風險；若 MTIE 隨觀察時間呈直線上升，通常表示待測時脈有頻率偏移。TDEV 是 TIE 在各區間內的 rms 離散度，反映短中期穩定度與週期性調變，與位元錯誤風險相關。文件中的範例是一台 GNSS 馴服銣振盪器 12000 秒的紀錄，斜率對應 3.5×10⁻¹¹ 的頻差，觀察區間末端 MTIE 為 430 ns，約為 2.048 MHz 時脈週期的 88%。

RTIE 與 MRTIE 的陷阱：參考源不能有漂移

TIE 曲線若呈一條有斜率的直線，代表待測時脈與量測參考之間有固定頻差，但單看曲線分不出偏的是哪一邊。把這條直線扣掉得到 RTIE，再對 RTIE 取峰對峰便是 MRTIE。Pendulum 的文件舉了一個例子：同一組訊號的 MTIE 因頻差高達 600 ns，扣除頻差後的 MRTIE 只有 9 ns。差距很大，但 MRTIE 不能拿來對 ITU-T 的 MTIE 遮罩，也看不出失鎖後正在漂移的網路時脈。

參考源精度不足的簡易儀器往往改報 MRTIE 來掩蓋自身時基的偏移，這正是要避免的做法。正確的順序是先讓量測參考本身沒有漂移：CNT-91R 內建銣原子時基，或是為 CNT-91 外接經校準的原子參考，然後以 MTIE 為主要參數，把 MRTIE 當作觀察馴服迴路行為的輔助資訊。參考源的校準不確定度會以 2×10⁻¹¹ 乘以觀察時間的形式直接進入 TIE 的系統不確定度，這是無法用後處理消掉的。

驗證 GPSDO 的 1-PPS：偏移、穩定度與收斂時間

GPSDO 的 1-PPS 輸出要對齊 GPS 秒的整點，驗證時需要一個已知位置的參考 1-PPS 與一台能分辨 ns 以下差異的計數器。Pendulum 的評估文件以 CNT-91R 量測參考與待測 1-PPS 正緣之間的時間間隔，隨機不確定度 50 ps rms，通道間失配的系統不確定度小於 500 ps，資料經 TimeView 以每秒最多 25 萬筆擷取並畫成時間間隔對時間的曲線。

實測的過程很能說明這類量測的重點。冷開機後待測物的 1-PPS 起初偏移 338 ms，262 秒後定位完成，偏移落到 -2.8 ns 附近；穩態下平均為 -2.9 ns、標準差 0.6 ns。接著必須補償 60 cm RG58 射頻線約 3 ns 的傳播延遲，修正後真正的偏移是 -5.9 ns。整段觀察期間參考 1-PPS 的 MTIE 僅 280 ps、rms 抖動約 40 ps，待測物則為 2.3 ns，由此可以確定時間間隔曲線上的 ns 級跳動來自待測物而非參考。

多路 1-PPS 相位比對：CNT-104S 的共同時間軸

同步機房裡常有多個 1-PPS 來源要互相比對，逐對量測既耗時又無法在同一時刻看到全部。CNT-104S 有四個平行輸入通道，四個時間戳記引擎跑在同一條時間軸上，時間解析度低於 7 ps，每通道在 A、B、D、E 四路上直接做累積式時間間隔或時間戳記量測。取樣間隔設為 0 即每一個 1-PPS 邊緣都記錄，86401 筆對應一天、604801 筆對應一週，單通道最多可存 1000 萬筆，相當於連續記錄 115 天。

要比對 8 路訊號，兩台 CNT-104S 不能只是並排放著，因為各自的時間軸互不相關。Pendulum 的應用筆記用「區塊啟動」解決：第一台的脈衝輸出經功率分配器同時送到兩台的外部啟動輸入，啟動當下兩台的時間軸一起歸零，之後所有時間戳記都相對於這個共同零點。兩台之間的時間軸不確定度小於 3 ns、典型 1 ns；若改用量測通道本身做啟動，不確定度可降到典型 50 ps，代價是待測物減為 6 路。以外部 UTC 的 1-PPS 做啟動源，整組時間戳記還能直接對 UTC。

調變域：把頻率隨時間畫出來

示波器看電壓對時間，頻譜儀看電壓對頻率，調變域分析看的是頻率對時間。時脈鎖定過程的過衝、合成器的建立時間、電源漣波在振盪器上造成的頻率調變，這些在前兩種儀器上要不是看不到，就是只看得到邊緣模糊。CNT-91 以零死區時間戳記連續量測，自由執行模式每秒 25 萬筆、單次可擷取 185 萬筆，TimeView 將其畫成頻率、週期、相位、脈寬或工作週期對時間的軌跡。

對於重複發生的快速暫態，TimeView 的重複取樣把每次量測相對觸發點延遲 10 ns 逐步推移，等效取樣率達 100 MSa/s，文件中的 UHF VCO 範例量出約 29 MHz 的頻率擺幅與 10.7 µs 的上升時間。對頻率對時間資料做 FFT，橫軸就是調變頻率，一台脈衝產生器的輸出抖動經此分析出現明顯的 100 Hz 成分，指向電源。直方圖也有診斷價值：高斯分布是隨機抖動，浴缸形是弦波調變，兩根柱子是方波調變。

量測參考源與成朔企業的協助

以上每一種量測都建立在一個前提上：參考源必須比待測物好。FTR-210R 把 GNSS 與銣原子振盪器鎖在一起，1 pps 對 UTC 的時間準確度優於 10 ns rms，標準輸出 5 路 10 MHz、1 路 5 MHz 與 1 路 1 pps，可作為 CNT-104S 兩台共用的 10 MHz 外部參考，也可作為八路比對時對 UTC 的啟動源。GNSS 失鎖時保持模式典型漂移約每 24 小時 1 µs，短暫的天線遮蔽不會讓一週的紀錄作廢。

成朔企業為 Pendulum 台灣授權代理，可依網路架構協助決定 CNT-91R 與 CNT-104S 的分工、參考源的配置與校準文件的準備，並提供 TimeView 與 SCPI 自動化的技術支援；驗收或短期專案也可先以頻率計數器租賃進行。