同步网络中的高性能线卡时钟解决方案

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1 Application Report ZHCA493 JAN 2013 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 Shawn Han; Steven Shi China Telecom Application Team 摘 要 作 为 一 种 高 性 能 低 成 本 的 线 卡 时 钟 解 决 方 案,LMK04800 可 以 实 现 传 统 的 SDH/SONET 系 统 时 钟 和 分 组 交 换 网 络 中 的 同 步 以 太 网 时 钟 频 率 的 灵 活 转 换, 同 时 提 供 150fs 级 别 的 低 抖 动 性 能, 满 足 Telcordia GR-253 ITU-T G.813 G.8262 抖 动 产 生 规 格 约 束 下 ~10Gbps 高 速 率 线 卡 参 考 时 钟 的 应 用 需 求 同 时, 作 为 一 款 模 拟 锁 相 环, LMK04800 突 破 了 传 统 模 拟 锁 相 环 保 持 性 能 设 计 的 缺 陷, 内 部 集 成 DAC 实 现 高 准 确 度 保 持 性 能 所 需 的 压 控 电 压 控 制, 可 以 辅 助 参 考 时 钟 切 换 下 输 出 时 钟 实 现 平 滑 / 无 缝 地 转 换 本 文 基 于 同 步 定 时 方 案 的 系 统 设 计 要 求, 分 析 了 线 卡 业 务 板 上 的 时 钟 方 案, 重 点 分 析 了 基 于 LMK04800 系 列 高 性 能 时 钟 滤 除 器 实 现 平 滑 切 换 的 解 决 方 案, 尤 其 是 为 了 满 足 高 速 线 速 率 的 应 用 场 景 目 录 1. 介 绍 同 步 网 络 线 卡 时 钟 方 案 设 计 要 求 系 统 方 案 分 析 线 卡 时 钟 关 键 指 标 规 格 主 备 倒 换 的 平 滑 输 出 抖 动 性 能 基 于 LMK04800 时 钟 锁 相 环 的 线 卡 时 钟 方 案 LMK04800 器 件 特 点 功 能 原 理 相 噪 性 能 Holdover 保 持 电 路 特 性 和 无 缝 切 换 关 系 LMK04800 时 钟 电 路 设 计 MHz input, MHz output 电 路 设 计

2 MHz input, MHz output 电 路 设 计 小 结 总 结 参 考 资 料...17 图 1 同 步 网 络 的 时 钟 传 递 系 统 同 步 网 络 设 备 的 时 钟 系 统 方 案 LMK04800 功 能 模 块 LMK04800 噪 声 仿 真 Holdover 电 路 工 作 过 程 LMK04800 线 卡 电 路 设 计 PLL1 电 路 参 数 (19.44MHz 输 入,25MHz VCXO) PLL2 电 路 参 数 (25MHz 输 入,156.25MHz 输 出 ) UI 输 入 相 跳 下 输 出 瞬 态 响 应 UI 相 位 跳 变 引 入 压 控 电 压 波 动 和 输 出 频 率 跳 变 特 性 MHz 输 出 相 噪 PLL1 电 路 参 数 (25MHz 输 入,25MHz VCXO ) UI 输 入 相 跳 下 输 出 瞬 态 响 应 UI 相 位 跳 变 引 入 压 控 电 压 波 动 和 输 出 频 率 跳 变 特 性 表 1 光 口 抖 动 要 求 (SDH/SONET SyncE) 本 例 对 应 的 锁 相 环 环 路 参 数 本 例 对 应 的 锁 相 环 环 路 参 数 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案

3 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 3

4 1. 介 绍 在 传 统 的 基 于 TDM 的 SDH/SONET 承 载 网 络, 同 时 具 有 数 字 网 同 步 的 功 能,ITU-T G.813 定 义 SDH 设 备 时 钟 (SEC) 实 现 时 钟 同 步 的 具 体 规 格 要 求 随 着 网 络 业 务 IP 化 的 演 进 过 程, 在 分 组 网 络 中 要 保 证 现 存 TDM 业 务 的 同 步 特 性, 以 及 无 线 网 络 中 基 站 之 间 的 业 务 同 步 需 求, 分 组 网 络 实 现 时 钟 和 时 间 同 步 成 为 通 信 网 络 发 展 中 的 一 种 必 然 需 求 目 前, 各 个 厂 家 常 用 的 IP 网 络 同 步 技 术 包 括 :ITU-T G.8261 基 于 物 理 层 的 同 步 以 太 网 技 术, 和 IEEE 1588V2 基 于 分 组 包 实 现 时 钟 和 时 间 同 步 技 术 因 此, 当 前 的 电 信 网 络 还 是 一 个 同 步 网 络 同 步 网 络 一 般 采 用 主 从 同 步 方 式, 即 拥 有 高 精 度 高 稳 定 度 的 主 时 钟 由 设 备 传 送 给 下 游 各 设 备, 下 游 设 备 同 步 于 来 自 上 一 级 的 时 钟 信 号, 从 而 达 到 全 网 时 钟 或 时 间 或 两 者 同 时 同 步 如 下 图 1 所 示, 下 游 设 备 借 助 锁 相 环, 利 用 上 一 级 网 元 发 送 端 传 送 的 串 行 码 流 中 的 时 钟 频 率 时 间 相 位 信 息, 时 钟 锁 相 环 跟 踪 其 中 一 路 线 路 时 钟 或 外 部 参 考 时 钟, 产 生 系 统 时 钟, 通 过 系 统 时 钟 作 为 线 卡 板 上 物 理 层 芯 片 的 发 送 参 考 时 钟 并 可 以 插 入 时 间 信 息 以 实 现 时 钟 时 间 向 下 级 传 递, 完 成 了 同 步 时 钟 提 取 恢 复 再 使 用 图 1 同 步 网 络 的 时 钟 传 递 系 统 德 州 仪 器 的 LMK04800 系 列 产 品 是 两 级 级 联 的 模 拟 锁 相 环 抖 动 滤 除 器 件, 只 需 要 外 加 低 频 低 成 本 的 VCXO 就 能 提 供 在 12kHz 到 20MHz 范 围 内 RMS 抖 动 ~150fs, 非 常 适 合 在 高 速 有 线 网 络 中 线 卡 套 片 解 决 方 案 对 参 考 时 钟 的 特 殊 需 求 同 时, 作 为 一 款 高 性 能 低 成 本 的 模 拟 锁 相 环 解 决 方 案,LMK04800 系 列 器 件 能 提 供 低 至 10Hz 的 环 路 带 4 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案

5 宽, 通 过 外 围 的 电 阻 电 容 可 以 灵 活 设 计 环 路 参 数 以 实 现 时 钟 的 平 滑 切 换 同 时, 借 助 LMK04800 内 部 集 成 高 精 度 的 DAC, 实 现 在 保 持 状 态 下 的 输 出 频 率 的 准 确 性, 可 以 配 合 在 时 钟 切 换 或 时 钟 丢 失 下 时 钟 输 出 的 相 对 精 度 本 文 通 过 分 析 基 于 ITU-T G.813 ITU-T G.8261/2 等 标 准 对 同 步 时 钟 定 时 方 案 设 计 的 要 求, 分 析 了 线 卡 业 务 板 上 的 时 钟 锁 相 环 PLL 方 案, 重 点 介 绍 基 于 LMK04000 系 列 高 性 能 时 钟 滤 除 器 的 解 决 方 案, 尤 其 是 为 了 满 足 高 速 线 速 率 的 应 用 场 景 2. 同 步 网 络 线 卡 时 钟 方 案 设 计 要 求 1588V2 是 网 络 测 量 和 控 制 系 统 的 精 密 时 钟 和 时 间 同 步 协 议 标 准, 同 步 定 时 单 元 需 要 进 行 时 钟 报 文 信 息 处 理 和 系 统 时 钟 产 生, 而 线 卡 时 钟 方 案 是 同 步 于 系 统 时 钟, 下 面 以 SDH/SONET 传 输 网 和 同 步 以 太 网 SyncE( 基 于 物 理 层 时 钟 恢 复 和 插 入 ) 的 时 钟 架 构 展 开 分 析, 重 点 探 讨 线 卡 时 钟 解 决 方 案 需 求 2.1 系 统 方 案 分 析 为 了 兼 容 基 于 SDH/SONET 的 时 钟 同 步 产 生 和 分 配, 目 前 同 步 网 络 的 定 时 方 案 是 同 时 支 持 SDH/SONET 和 同 步 以 太 网 的 各 种 输 入 和 输 出 时 钟 接 口 图 2 所 示 基 于 G.783 的 时 钟 定 时 结 构 模 块, 同 步 设 备 定 时 产 生 (SETG) 输 出 系 统 时 钟 给 外 同 步 时 钟 2.048MHz/2.048Mbps 单 元 和 线 卡 板 实 现 网 络 设 备 同 步, 同 时 具 有 G.813 定 义 的 SDH/SONET 的 定 时 指 标 规 格, 以 及 满 足 G.8262 定 义 同 步 以 太 网 设 备 (EEC) 时 钟 最 小 要 求 ( 类 似 G.813 指 标 ), 如 时 钟 精 度 环 路 带 宽 保 持 性 能 相 位 瞬 变 抖 动 / 漂 移 产 生 / 传 递 / 容 限 等 图 2 中 所 示 的 线 卡 时 钟 方 案,SETG 单 元 输 出 的 系 统 时 钟 作 为 线 卡 业 务 芯 片 的 参 考 时 钟, 常 用 的 系 统 时 钟 频 率 是 19.44MHz(SDH/SONET 时 钟 ) 和 25MHz(Ethernet 时 钟 ) 线 卡 的 时 钟 方 案 可 采 用 锁 相 环 电 路 实 现, 锁 定 时 钟 定 时 模 块 提 供 的 系 统 时 钟, 输 出 125MHz/156.25MHz(Ethernet) MHz(SDH/SONET) 等 给 板 上 业 务 处 理 芯 片, 用 于 保 证 链 路 业 务 的 误 码 指 标, 以 及 在 G.813 和 G.8262 定 义 的 光 口 规 格 要 求 由 于 同 步 定 时 单 元 采 用 主 备 冗 余 保 护 设 计, 为 了 降 低 对 线 卡 时 钟 电 路 设 计 的 要 求, 备 SETG 电 路 通 常 要 锁 定 主 SETG 送 出 的 系 统 时 钟, 同 时 在 相 位 上 要 实 现 同 步 (SETG 电 路 模 块 具 有 输 出 相 位 时 延 可 编 程 特 性 ), 以 保 证 在 主 备 系 统 时 钟 切 换 时, 线 卡 时 钟 方 案 可 以 很 方 便 地 实 现 平 滑 输 出 (hitless), 不 会 产 生 链 路 业 务 误 码 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 5

6 图 2 同 步 网 络 设 备 的 时 钟 系 统 方 案 2.2 线 卡 时 钟 关 键 指 标 规 格 线 卡 上 的 时 钟 方 案 必 须 能 够 自 动 选 择 合 适 的 参 考 时 钟 输 入, 尽 可 能 地 平 滑 主 备 系 统 时 钟 切 换 时 可 能 引 入 的 输 出 时 钟 瞬 态 跳 变 同 时, 满 足 标 准 要 求 的 各 种 线 速 率 抖 动 产 生 要 求, 保 证 业 务 链 路 的 误 码 性 能 主 备 倒 换 的 平 滑 输 出 当 主 备 系 统 时 钟 相 位 差 控 制 在 较 小 的 误 差 范 围 ( 器 件 和 PCB 板 材 的 波 动 范 围 内 ), 线 卡 上 的 锁 相 环 电 路 可 以 用 模 拟 锁 相 环 对 系 统 时 钟 进 行 锁 相 跟 踪, 通 过 本 板 的 压 控 晶 振 (VCXO) 和 锁 相 环 参 数 设 计 使 得 时 钟 输 出 在 一 定 时 间 段 内 的 较 平 滑 切 换 其 中, 模 拟 锁 相 环 的 环 路 带 宽 和 阻 尼 系 数 是 关 键 规 格, 可 以 通 过 仿 真 和 测 试 加 以 验 证 此 外, 若 主 备 系 统 时 钟 相 位 差 较 大 或 没 有 很 好 地 控 制, 此 时 可 以 通 过 进 一 步 优 化 环 路 参 数 设 计, 尽 量 降 低 切 换 带 来 的 输 出 瞬 态 突 变, 同 时 也 可 利 用 锁 相 环 的 保 持 功 能, 尽 可 能 地 降 低 较 大 的 参 考 输 入 相 位 跳 变 导 致 线 卡 锁 相 环 输 出 频 率 和 相 位 的 突 变 问 题 抖 动 性 能 同 步 网 络 的 相 关 标 准 中, 表 1 列 出 了 G.813/Telcodia GR253 提 出 了 SDH/SONET 相 关 网 络 设 备 接 口 的 抖 动 指 标 要 求,G.8262 对 同 步 以 太 网 的 网 络 接 口 的 抖 动 指 标 要 求 表 1 光 口 抖 动 要 求 (SDH/SONET SyncE) 6 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案

7 Interface Measuring Filter Peak-to-peak Amplitude (UI) STM-1 500Hz to 1.3MHz KHz to 1.3MHz 0.10 STM-4 1KHz to 5MHz KHz to 5MHz 0.10 STM-16/ 5KHz to 20MHz MHz to 20MHz 0.10 STM-64 20KHz to 80MHz MHz to 80MHz GbE 2.5KHz to 10MHz GbE 20KHz to 80MHz 0.50 为 了 保 证 表 1 列 举 的 高 速 线 卡 光 口 的 抖 动 产 生 指 标, 不 少 线 卡 板 上 的 业 务 套 片 或 PHY 芯 片 供 应 商 对 其 内 部 的 高 频 倍 频 合 成 器 (PLL) 参 考 时 钟 有 特 殊 的 要 求 如 10GbE 以 太 网 业 务 处 理 或 PHY 芯 片, 参 考 时 钟 指 标 通 常 要 求 是 <0.3ps 因 此, 线 卡 时 钟 锁 相 环, 必 须 在 跟 踪 系 统 时 钟 实 现 同 步 的 同 时, 必 须 具 有 抖 动 滤 除 功 能, 输 出 的 时 钟 信 号 必 须 能 满 足 业 务 处 理 芯 片 /PHY 芯 片 的 抖 动 规 要 求 3. 基 于 LMK04800 时 钟 锁 相 环 的 线 卡 时 钟 方 案 本 文 重 点 介 绍 了 适 合 主 备 时 钟 相 位 同 步 条 件 下 基 于 LMK04800 时 钟 电 路 设 计, 以 及 其 超 低 抖 动 性 能, 适 合 10Gbps 线 卡 应 用 3.1 LMK04800 器 件 特 点 功 能 原 理 LMK04800 系 列 产 品 带 2 个 高 性 能 的 锁 相 环 (PLL),2 个 PLL 成 级 联 架 构 第 一 个 锁 相 环 (PLL1) 带 有 2 路 冗 余 时 钟 输 入, 可 用 于 参 考 时 钟 的 切 换 当 参 考 时 钟 丢 失,PLL1 可 以 自 动 或 手 动 进 入 时 钟 保 持 (holdover) 模 式 PLL1 会 将 参 考 时 钟 锁 定 到 外 部 压 控 晶 体 振 荡 器 (VCXO) 或 晶 体 (XTAL) 上, 实 现 近 端 相 位 噪 声 的 去 抖 PLL1 的 输 出 会 作 为 第 2 个 锁 相 环 (PLL2) 的 参 考 输 入, 然 后 锁 定 到 内 置 的 压 控 振 荡 器 (VCO) 上, 实 现 较 高 频 率 的 合 成 和 远 端 相 位 噪 声 的 抑 制 然 后 是 时 钟 分 发 模 块, 可 以 实 现 分 频, 相 位 调 整 和 可 编 程 的 不 同 类 型 电 平 (LVPECL, LVDS,LVCMOS) 驱 动 输 出 LMK04800 最 多 可 以 有 14 对 差 分 时 钟 输 出, 或 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 7

8 者 26 个 单 端 时 钟 输 出 另 外,LMK04800 还 可 以 实 现 零 延 迟 功 能, 这 意 味 着 输 入 参 考 时 钟 和 输 出 时 钟 可 以 有 确 定 的 相 位 关 系, 在 某 些 特 定 应 用 场 景, 可 以 简 化 数 据 通 信 的 时 钟 设 计 = External Pins = Internal Nodes Loop Filter CPout1 VCXO or XTAL OSCin CPout2 CLKin0 CLKin1/Fin/ FBCLKin Fin Div Div Ref Mux PLL1 PLL2 Partially Integrated Loop Filter Internal VCO CLKout 0/2/4/ 6/8/10 6 FB Mux Mode Mux2 Holdover Clock Distribution Path Mode Mux1 VCO Div (1-8) Fin OSCout0 OSC Div (2-8) Clock Groups 0 / 1 / 2 / 5 OSCout1 CLKout 6/8 CLKout 7/9 Clock Groups 3 / 4 Delay Divider (1-1045) Digital Delay Osc Mux Digital Delay Divider (1-1045) Delay CLKout 0/2/4/10 CLKout 1/3/5/11 图 3 LMK04800 功 能 模 块 相 噪 性 能 借 助 于 LMK04800 的 仿 真 工 具 Clock Design Tool ( ), 可 以 很 容 易 地 分 析 在 不 同 参 考 输 入 下 的 时 钟 输 出 噪 声 特 性 图 4 是 一 个 MHz 时 钟 输 出 相 位 噪 声 仿 真 的 例 子, 包 括 了 各 种 不 同 部 件 引 入 的 附 加 噪 声 成 分, 总 的 噪 声 是 图 中 黑 色 的 曲 线, 该 仿 真 结 果 是 考 虑 最 差 相 位 噪 声 的 性 能 8 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案

9 图 4 LMK04800 噪 声 仿 真 Holdover 保 持 电 路 特 性 和 无 缝 切 换 关 系 不 同 于 传 统 的 模 拟 锁 相 环 电 路 设 计,LMK04800 内 部 集 成 了 高 精 度 DAC, 当 时 钟 芯 片 丢 失 了 正 常 工 作 的 控 制 条 件 时, 比 如 丢 失 参 考 时 钟, 或 者 环 路 某 个 部 件 故 障 等 进 入 保 持 模 式 时,LMK04800 会 利 用 保 持 模 式 前 DAC 存 储 的 压 控 电 压 值 控 制 VCXO 的 输 出, 从 而 保 证 了 保 持 模 式 下 的 时 钟 输 出 精 度 在 主 备 参 考 时 钟 进 行 切 换 时, 可 以 借 助 这 个 保 持 特 性, 实 现 线 卡 时 钟 的 平 滑 输 出 ( 或 称 为 无 缝 输 出 ) 下 面 通 过 一 个 例 子 描 述 LMK04800 在 参 考 输 入 有 较 大 跳 变 ( 如 主 备 切 换 ) 条 件 下,LMK04800 是 如 何 利 用 Holdover 电 路 实 现 输 出 的 平 滑 特 性 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 9

10 图 5 Holdover 电 路 工 作 过 程 图 5 是 LMK04800 器 件 Holdover 电 路 工 作 的 一 个 完 整 例 子 黑 色 粗 线 表 示 参 考 时 钟 的 变 化 特 性, 黄 色 细 线 表 示 VCXO 输 出 频 率 的 变 化, 绿 色 标 线 表 示 PLL1 进 入 锁 定 的 检 测 门 限, 蓝 色 标 线 表 示 退 出 Holdover 保 持 状 态 的 控 制 门 限 在 AB 阶 段, 参 考 时 钟 稳 定, 处 于 锁 定 状 态 ;B 时 刻, 参 考 时 钟 跳 变, PLL1 失 锁 后 进 入 了 Holdover 状 态 ;C 时 刻, 参 考 时 钟 恢 复 稳 定, 或 者 切 换 到 了 备 份 参 考 时 钟 ;CD 阶 段, 虽 然 有 了 参 考 时 钟, 但 是 由 于 PLL1 工 作 在 开 环 保 持 状 态, 新 的 参 考 时 钟 和 Holdover 状 态 下 的 VCXO 在 鉴 相 器 上 还 可 能 是 异 频 异 相 的, 但 是 频 偏 已 经 小 于 蓝 色 线 门 限, 当 鉴 相 器 上 相 差 小 于 PLL1_WND_SIZE 定 义 的 窗 口, 开 始 退 出 Holdover 计 数 ;D 时 刻, 满 足 退 出 Holdover 计 数 条 件,PLL1 闭 环 重 新 进 入 跟 踪 状 态, 电 荷 泵 开 始 工 作 ;DF 阶 段 是 PLL1 捕 捉 锁 定 过 程 ;F 时 刻 之 后 PLL1 正 式 进 入 锁 定 状 态 其 中 : 锁 定 时 允 许 的 最 大 频 偏 : Lock 2e6 PLL1_ WND _ SIZE f Accuracy( PPM ) PLL1_ DLD _ CNT PD1 _ 6.4mV KVCO 1e6 Holdover 时 的 频 率 精 度 : Holdover _ Accuracy( PPM ) VCXO _ Frequency 退 出 Holdover 的 门 限 : Holdover 2e6 PLL1_ WND _ SIZE f Exit _ Threshold( PPM) HOLDOVER_ DLD _ CNT PD1 _ 从 图 5 中 可 以 看 出, 当 参 考 时 钟 跳 变 时,LMK4800 要 准 确 进 入 Holdover 工 作 状 态, 同 时 当 参 考 时 钟 恢 复 稳 定 后 PLL1 要 重 新 捕 捉 跟 踪,LMK04800 必 须 要 及 时 退 出 Holdover 开 环 工 作 状 态, 所 以 图 中 蓝 色 门 限 必 须 比 绿 色 门 限 大, 也 就 是 说 必 须 满 足 HOLDOVER_DLD_CNT < PLL1_DLD_CNT LMK04800 寄 存 10 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案

11 器 25 的 第 6bit 到 第 19bit( 即 :R25[19:6], 总 共 14bits) 和 寄 存 器 15 的 第 6bit 到 第 19bit( 即 : R15[19:6], 总 共 14bits) 分 别 用 于 设 置 PLL1_DLD_CNT 和 HOLDOVER_DLD_CNT 计 数 值, 最 大 可 设 置 为 16383, 在 具 体 电 路 设 计 中, 可 以 根 据 系 统 电 路 的 时 钟 规 格 要 求, 灵 活 设 计 PLL1_DLD_CNT 和 HOLDOVER_DLD_CNT 计 数 值, 确 保 LMK04800 能 正 确 地 进 入 Holdover 工 作 状 态, 同 时 也 能 正 确 地 退 出 Holdover 工 作 状 态 3.2 LMK04800 时 钟 电 路 设 计 在 混 合 的 SDH/SONET 和 SyncE 同 步 网 络 中, 基 于 LMK04800 线 卡 时 钟 方 案 如 下 图 所 示, 借 助 于 外 部 VCXO 的 频 点 ( 如 25MHz, 或 19.44MHz), 可 以 输 出 MHz 或 MHz 的 时 钟, 满 足 线 卡 对 不 同 参 考 时 钟 的 需 求 图 6 LMK04800 线 卡 电 路 设 计 本 文 以 LMK04806 器 件 为 例, 通 过 分 析 仿 真 EVM 板 电 路 性 能 测 试 验 证 了 在 线 卡 应 用 场 景 下 的 两 种 典 型 电 路 设 计, 该 电 路 可 作 为 大 多 数 线 卡 板 时 钟 方 案 设 计 参 考 MHz input, MHz output 电 路 设 计 本 例 参 考 输 入 19.44MHz,PLL1 采 用 25MHz 的 VCXO,Kvco 为 0.75kHz/V,PLL2 的 输 出 频 率 是 MHz PLL1 由 于 受 到 19.44MHz 和 25MHz 最 大 公 因 子 约 束, 最 大 鉴 相 频 率 PDF1 只 能 为 40kHz, 为 降 低 VCXO 压 控 端 漏 电 流 的 影 响, 选 取 最 大 的 电 荷 泵 电 流 1.6mA PLL1 一 般 设 计 为 窄 环 路 带 宽 如 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 11

12 10Hz~50Hz, 工 作 在 去 抖 状 态, 输 出 的 抖 动 主 要 由 VCXO 决 定,PLL2 工 作 在 频 率 合 成 状 态, 一 般 使 用 宽 环 路 带 宽 如 100kHz~200kHz 借 助 TI 提 供 的 仿 真 工 具 Clock Design Tool, 易 得 LMK04806 的 PLL1 和 PLL2 的 外 围 参 数 和 环 路 输 参 数 图 7 和 图 8 分 别 是 PLL1 和 PLL2 的 电 路 参 数 设 计, 表 2 是 相 应 的 PLL1 和 PLL2 环 路 参 数 图 7 PLL1 电 路 参 数 (19.44MHz 输 入,25MHz VCXO) 图 8 PLL2 电 路 参 数 (25MHz 输 入,156.25MHz 输 出 ) 表 2 本 例 对 应 的 锁 相 环 环 路 参 数 关 键 环 路 参 数 环 路 带 宽 相 位 余 量 阻 尼 系 数 PLL Hz degrees PLL KHz degrees 以 1UI 的 输 入 相 跳 为 例, 仿 真 得 到 的 输 出 时 钟 瞬 态 响 应 特 性 如 图 9 所 示, 输 出 频 率 瞬 变 最 大 在 5.1PPM 左 右 12 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案

13 图 9 1UI 输 入 相 跳 下 输 出 瞬 态 响 应 由 于 LMK04800 的 PLL1 环 路 带 宽 远 低 于 PLL2,PLL2 能 更 好 地 跟 踪 PLL1 输 出 的 变 化, 因 此 整 个 级 联 环 路 的 总 输 出 瞬 态 响 应 特 性 基 本 上 由 PLL1 的 瞬 态 响 应 特 性 决 定 下 面 通 过 实 验 测 试 到 了 PLL1 压 控 电 压 的 变 化 波 形, 如 图 10.a 所 示, 并 把 压 控 电 压 波 形 转 换 为 PLL1 输 出 时 钟 的 频 率 变 化 特 性, 如 图 10.b 所 示 a. 输 入 相 跳 导 致 压 控 电 压 的 变 化 特 性 b. 对 应 压 控 电 压 变 化 下 的 时 钟 输 出 频 率 变 化 特 性 图 10 1UI 相 位 跳 变 引 入 压 控 电 压 波 动 和 输 出 频 率 跳 变 特 性 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 13

14 图 11 是 LMK04806 输 出 相 位 噪 声, 在 (12KHz~20MHz) 积 分 区 间, 均 值 抖 动 是 122.2fs, 能 很 好 地 满 足 高 速 线 卡 时 钟 方 案 的 抖 动 需 求 图 MHz 输 出 相 噪 MHz input, MHz output 电 路 设 计 本 例 参 考 输 入 为 25MHz,PLL1 采 用 25MHz 的 VCXO,PLL2 的 输 出 频 率 是 MHz 参 考 的 分 析 例 子, 图 12 是 PLL1 的 电 路 参 数 设 计, 由 于 VCXO 没 有 改 变,PLL2 的 电 路 设 计 跟 的 例 子 ( 图 8) 完 全 一 样, 表 3 是 本 例 对 应 的 锁 相 环 环 路 参 数 图 12 PLL1 电 路 参 数 (25MHz 输 入,25MHz VCXO) 14 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案

15 表 3 本 例 对 应 的 锁 相 环 环 路 参 数 关 键 环 路 参 数 环 路 带 宽 相 位 余 量 阻 尼 系 数 PLL Hz degrees PLL KHz degrees 图 13 是 仿 真 得 到 的 在 0.5UI 输 入 切 换 下 的 MHz 时 钟 输 出 波 形, 图 14 是 实 验 测 试 得 到 的 压 控 电 压 波 动 和 相 应 的 输 出 时 钟 瞬 变 特 性 可 以 看 出, 此 时 输 出 时 钟 最 大 频 跳 大 概 在 4PPM 图 UI 输 入 相 跳 下 输 出 瞬 态 响 应 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 15

16 a. 输 入 相 跳 导 致 压 控 电 压 的 变 化 特 性 b. 对 应 压 控 电 压 变 化 下 的 时 钟 输 出 频 率 变 化 特 性 图 UI 相 位 跳 变 引 入 压 控 电 压 波 动 和 输 出 频 率 跳 变 特 性 3.3 小 结 通 过 上 面 两 个 例 子 的 设 计 分 析, 锁 相 环 是 低 通 特 性, 具 有 对 输 入 切 换 下 相 位 突 变 进 行 平 滑 滤 除 能 力 当 环 路 带 宽 在 15Hz 左 右,1UI 相 跳 引 入 5PPM 左 右 的 输 出 频 跳 ; 当 环 路 带 宽 在 20Hz 时,0.5UI 相 位 跳 变 引 入 4PPM 左 右 的 输 出 频 跳 结 合 具 体 应 用 需 求, 可 进 一 步 优 化 LMK04800 的 环 路 参 数, 包 括 环 路 带 宽 相 位 余 量 / 阻 尼 系 数 等, 控 制 输 出 的 平 滑 特 性, 满 足 各 种 线 卡 时 钟 方 案 设 计 的 要 求 4. 总 结 LMK04800 系 列 器 件 集 参 考 时 钟 切 换, 时 钟 抖 动 滤 除, 时 钟 合 成 和 时 钟 分 发 于 一 体, 可 以 简 化 业 务 线 卡 时 钟 的 设 计, 同 时 提 供 150fs rms (12kHz~20MHz) 的 低 抖 动 时 钟 本 文 回 顾 了 同 步 网 络 时 钟 的 设 计 需 求, 然 后 以 LMK04806 为 例, 进 行 参 考 时 钟 切 换 的 仿 真 和 实 测, 通 过 合 理 的 环 路 参 数 配 置 可 以 将 频 偏 控 制 在 目 标 范 围 内, 满 足 系 统 设 计 规 格 此 外, 也 可 以 利 用 LMK04800 自 带 高 精 度 Holdover 功 能 电 路, 在 参 考 时 钟 输 入 跳 变, 如 主 备 参 考 时 钟 切 换 下, 通 过 灵 活 设 计 进 入 和 退 出 Holdover 工 作 条 件, 有 利 于 实 现 LMK04800 输 出 的 平 滑 性 能 通 过 本 文 介 绍 的 两 个 例 子,LMK04800 系 列 时 钟 产 品 能 适 应 不 同 系 统 设 计 规 格 需 求, 是 一 种 高 性 能 低 成 本 的 线 卡 时 钟 方 案 16 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案

17 5. 参 考 资 料 1. Texas Instruments; LMK04800 Datasheet (snas489i.pdf) 2. Texas Instruments; Clock Design Tool v1.1 Instructions (snau082.pdf) 3. International Telecommunication Union; ITU-T Recommendation G.813, Timing characteristics of SDH equipment slave clocks (SEC), 03/ International Telecommunication Union; ITU-T Recommendation G.8261, Timing and synchronization aspects in packet networks, 04/ International Telecommunication Union; ITU-T Recommendation G.8262, Timing characteristics of a synchronous Ethernet equipment slave clock, 07/ Roland E.Best,Phase Locked Loops: Design, Simulation, and Applications,6th ed., McGraw-Hill Inc,2007 同 步 网 络 中 的 高 性 能 线 卡 时 钟 解 决 方 案 17

18 重 要 声 明 德 州 仪 器 (TI) 及 其 下 属 子 公 司 有 权 根 据 JESD46 最 新 标 准, 对 所 提 供 的 产 品 和 服 务 进 行 更 正 修 改 增 强 改 进 或 其 它 更 改, 并 有 权 根 据 JESD48 最 新 标 准 中 止 提 供 任 何 产 品 和 服 务 客 户 在 下 订 单 前 应 获 取 最 新 的 相 关 信 息, 并 验 证 这 些 信 息 是 否 完 整 且 是 最 新 的 所 有 产 品 的 销 售 都 遵 循 在 订 单 确 认 时 所 提 供 的 TI 销 售 条 款 与 条 件 TI 保 证 其 所 销 售 的 组 件 的 性 能 符 合 产 品 销 售 时 TI 半 导 体 产 品 销 售 条 件 与 条 款 的 适 用 规 范 仅 在 TI 保 证 的 范 围 内, 且 TI 认 为 有 必 要 时 才 会 使 用 测 试 或 其 它 质 量 控 制 技 术 除 非 适 用 法 律 做 出 了 硬 性 规 定, 否 则 没 有 必 要 对 每 种 组 件 的 所 有 参 数 进 行 测 试 TI 对 应 用 帮 助 或 客 户 产 品 设 计 不 承 担 任 何 义 务 客 户 应 对 其 使 用 TI 组 件 的 产 品 和 应 用 自 行 负 责 为 尽 量 减 小 与 客 户 产 品 和 应 用 相 关 的 风 险, 客 户 应 提 供 充 分 的 设 计 与 操 作 安 全 措 施 TI 不 对 任 何 TI 专 利 权 版 权 屏 蔽 作 品 权 或 其 它 与 使 用 了 TI 组 件 或 服 务 的 组 合 设 备 机 器 或 流 程 相 关 的 TI 知 识 产 权 中 授 予 的 直 接 或 隐 含 权 限 作 出 任 何 保 证 或 解 释 TI 所 发 布 的 与 第 三 方 产 品 或 服 务 有 关 的 信 息, 不 能 构 成 从 TI 获 得 使 用 这 些 产 品 或 服 务 的 许 可 授 权 或 认 可 使 用 此 类 信 息 可 能 需 要 获 得 第 三 方 的 专 利 权 或 其 它 知 识 产 权 方 面 的 许 可, 或 是 TI 的 专 利 权 或 其 它 知 识 产 权 方 面 的 许 可 对 于 TI 的 产 品 手 册 或 数 据 表 中 TI 信 息 的 重 要 部 分, 仅 在 没 有 对 内 容 进 行 任 何 篡 改 且 带 有 相 关 授 权 条 件 限 制 和 声 明 的 情 况 下 才 允 许 进 行 复 制 TI 对 此 类 篡 改 过 的 文 件 不 承 担 任 何 责 任 或 义 务 复 制 第 三 方 的 信 息 可 能 需 要 服 从 额 外 的 限 制 条 件 在 转 售 TI 组 件 或 服 务 时, 如 果 对 该 组 件 或 服 务 参 数 的 陈 述 与 TI 标 明 的 参 数 相 比 存 在 差 异 或 虚 假 成 分, 则 会 失 去 相 关 TI 组 件 或 服 务 的 所 有 明 示 或 暗 示 授 权, 且 这 是 不 正 当 的 欺 诈 性 商 业 行 为 TI 对 任 何 此 类 虚 假 陈 述 均 不 承 担 任 何 责 任 或 义 务 客 户 认 可 并 同 意, 尽 管 任 何 应 用 相 关 信 息 或 支 持 仍 可 能 由 TI 提 供, 但 他 们 将 独 力 负 责 满 足 与 其 产 品 及 在 其 应 用 中 使 用 TI 产 品 相 关 的 所 有 法 律 法 规 和 安 全 相 关 要 求 客 户 声 明 并 同 意, 他 们 具 备 制 定 与 实 施 安 全 措 施 所 需 的 全 部 专 业 技 术 和 知 识, 可 预 见 故 障 的 危 险 后 果 监 测 故 障 及 其 后 果 降 低 有 可 能 造 成 人 身 伤 害 的 故 障 的 发 生 机 率 并 采 取 适 当 的 补 救 措 施 客 户 将 全 额 赔 偿 因 在 此 类 安 全 关 键 应 用 中 使 用 任 何 TI 组 件 而 对 TI 及 其 代 理 造 成 的 任 何 损 失 在 某 些 场 合 中, 为 了 推 进 安 全 相 关 应 用 有 可 能 对 TI 组 件 进 行 特 别 的 促 销 TI 的 目 标 是 利 用 此 类 组 件 帮 助 客 户 设 计 和 创 立 其 特 有 的 可 满 足 适 用 的 功 能 安 全 性 标 准 和 要 求 的 终 端 产 品 解 决 方 案 尽 管 如 此, 此 类 组 件 仍 然 服 从 这 些 条 款 TI 组 件 未 获 得 用 于 FDA Class III( 或 类 似 的 生 命 攸 关 医 疗 设 备 ) 的 授 权 许 可, 除 非 各 方 授 权 官 员 已 经 达 成 了 专 门 管 控 此 类 使 用 的 特 别 协 议 只 有 那 些 TI 特 别 注 明 属 于 军 用 等 级 或 增 强 型 塑 料 的 TI 组 件 才 是 设 计 或 专 门 用 于 军 事 / 航 空 应 用 或 环 境 的 购 买 者 认 可 并 同 意, 对 并 非 指 定 面 向 军 事 或 航 空 航 天 用 途 的 TI 组 件 进 行 军 事 或 航 空 航 天 方 面 的 应 用, 其 风 险 由 客 户 单 独 承 担, 并 且 由 客 户 独 力 负 责 满 足 与 此 类 使 用 相 关 的 所 有 法 律 和 法 规 要 求 TI 已 明 确 指 定 符 合 ISO/TS16949 要 求 的 产 品, 这 些 产 品 主 要 用 于 汽 车 在 任 何 情 况 下, 因 使 用 非 指 定 产 品 而 无 法 达 到 ISO/TS16949 要 求,TI 不 承 担 任 何 责 任 产 品 数 字 音 频 通 信 与 电 信 放 大 器 和 线 性 器 件 计 算 机 及 周 边 数 据 转 换 器 消 费 电 子 DLP 产 品 能 源 DSP - 数 字 信 号 处 理 器 工 业 应 用 时 钟 和 计 时 器 医 疗 电 子 接 口 安 防 应 用 逻 辑 汽 车 电 子 电 源 管 理 视 频 和 影 像 微 控 制 器 (MCU) RFID 系 统 OMAP 应 用 处 理 器 无 线 连 通 性 德 州 仪 器 在 线 技 术 支 持 社 区 应 用 IMPORTANT NOTICE 邮 寄 地 址 : 上 海 市 浦 东 新 区 世 纪 大 道 1568 号, 中 建 大 厦 32 楼 邮 政 编 码 : Copyright 2013 德 州 仪 器 半 导 体 技 术 ( 上 海 ) 有 限 公 司