同步網(wǎng)絡(luò)高性能線卡時(shí)鐘方案解析

在分布式網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的不確定性，導(dǎo)致采用網(wǎng)絡(luò)命令觸發(fā)的同步精度差；同時(shí)，由于分布式網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)位置的分散性，不適合采用各節(jié)點(diǎn)硬件同步提供高精度的同步觸發(fā)?；跁r(shí)間信息的同步觸發(fā)方式特別適合于分布式遠(yuǎn)距離同步系統(tǒng)，其觸發(fā)方式靈活，不受距離的限制。

同步以太網(wǎng)是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時(shí)鐘的技術(shù)， 簡(jiǎn)稱SyncE。同步以太網(wǎng)通過從串行數(shù)據(jù)碼流中恢復(fù)出發(fā)送端的時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。但SyncE不能提供時(shí)間同步。IEEE1588v2是統(tǒng)一提供時(shí)間同步和頻率同步的方法，能適合于不同傳送平臺(tái)的時(shí)頻傳送，既可以基于1588v2的時(shí)間戳以基于分組的時(shí)間傳送（TOP）方式單向傳遞頻率，也可使用IEEE1588v2的協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。IEEE1588v2時(shí)間同步的核心思想是采用主從時(shí)鐘方式，對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性和延時(shí)測(cè)量技術(shù)，通過報(bào)文消息的雙向交互實(shí)現(xiàn)主從時(shí)間的同步。

同步網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘傳遞系統(tǒng)

線卡時(shí)鐘方案必須能自動(dòng)選擇合適的參考時(shí)鐘輸入，盡可能地平滑地進(jìn)行主備時(shí)鐘切換以避免引起輸出時(shí)鐘瞬態(tài)跳變。同時(shí)，時(shí)鐘必須滿足線卡各種工作模式下對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)jitter的要求，以保證業(yè)務(wù)鏈路的誤碼率。

線卡的頻率控制電路會(huì)基于優(yōu)先級(jí)，選取線卡的主參考頻率；如果主參考頻率故障，線卡頻率控制電路會(huì)切換到備參考頻率。主參考頻率和備參考頻率之間的相差可能在時(shí)鐘的輸出端造成相位瞬時(shí)突變而影響系統(tǒng)性能，例如誤碼率升高，因此系統(tǒng)對(duì)參考頻率切換過程照成的頻率輸出相位抖動(dòng)變化率要求極為嚴(yán)格。比如：SONET規(guī)定頻率輸出相位的峰對(duì)峰值最大變動(dòng)幅度必須小于GR-1244-CORE指定的最大時(shí)間間隔誤差 MTIE。

除此之外，系統(tǒng)還要求線卡在輸入?yún)⒖碱l率發(fā)生故障時(shí)，能手動(dòng)或自動(dòng)在主參考輸入頻率和備參考頻率之間進(jìn)行切換。自動(dòng)切換可以包含復(fù)原功能，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)在主參考頻率出現(xiàn)故障時(shí)切換到備參考頻率，等到主參考頻率恢復(fù)正常后再切換回主參考頻率。自動(dòng)切換也可以不包含復(fù)原功能，此時(shí)系統(tǒng)從主參考頻率切換到備參考頻率后，就算主參考頻率恢復(fù)正常也會(huì)繼續(xù)使用備參考頻率。

下表列出了56G PAM-4鏈路中針對(duì)不同走線和電纜長(zhǎng)度的參考時(shí)鐘需求?？梢钥吹剑?6G PAM-4 SerDes的交換機(jī)ASIC供應(yīng)商要求在12 kHz至20 MHz的頻帶內(nèi)最大參考時(shí)鐘抖動(dòng)為150 fs RMS。

串行鏈路中的總允許抖動(dòng)由IEEE協(xié)議或CEI協(xié)議決定。 例如，IEEE 802.3bs在400GAUI-8中規(guī)定，對(duì)于芯片到芯片（C2C）數(shù)據(jù)傳輸，最大發(fā)送抖動(dòng)（RMS）應(yīng)不大于0.023UI，這相當(dāng)于鏈路總抖動(dòng)為865 fs RMS。通常分配到時(shí)鐘模塊的抖動(dòng)很低，對(duì)于SNR通常較低的PAM-4系統(tǒng)，甚至可低至10%總抖動(dòng)。 因此，對(duì)于10%時(shí)鐘抖動(dòng)預(yù)算，允許的參考時(shí)鐘抖動(dòng)為270 fs RMS。

TI的LMK05318 是一款高性能網(wǎng)絡(luò)同步器時(shí)鐘器件，提供抖動(dòng)消除、時(shí)鐘生成、先進(jìn)的時(shí)鐘監(jiān)控和卓越的無中斷切換性能，可滿足通信基礎(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)格計(jì)時(shí)要求。該器件可使用 TI 專有的體聲波 （BAW） VCO 技術(shù)生成具有 50fs RMS 抖動(dòng)的輸出時(shí)鐘，而不受 XO 和基準(zhǔn)輸入的抖動(dòng)和頻率的影響。DPLL 支持抖動(dòng)和漂移衰減的可編程環(huán)路帶寬，而兩個(gè) APLL 支持分頻率轉(zhuǎn)換，從而可以實(shí)現(xiàn)靈活的時(shí)鐘生成。DPLL 支持的同步選項(xiàng)包括采用相位消除的無中斷切換、數(shù)字保持和頻率階躍小于 0.001ppb（十億分之一）的 DCO 模式，從而實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)鐘控制（IEEE 1588 PTP 從運(yùn)行）。DPLL 可以鎖相到 1 PPS（每秒脈沖數(shù)）基準(zhǔn)輸入，并且在一個(gè)輸出上支持可選零延遲模式，以實(shí)現(xiàn)具有可編程失調(diào)電壓的確定性輸入到輸出相位校準(zhǔn)。先進(jìn)的基準(zhǔn)輸入監(jiān)控塊可確保穩(wěn)健的時(shí)鐘故障檢測(cè)并在發(fā)生基準(zhǔn)缺失 （LOR） 時(shí)幫助將輸出時(shí)鐘干擾降至最低。

下圖是LMK045318 輸出相位噪聲，時(shí)鐘輸出頻點(diǎn)156.25MHZ，在（12KHz~20MHz）積分區(qū)間，均值抖動(dòng)是59fs，PLL1 2.5GHz BAW。Jitter性能能很好地滿足高速線卡時(shí)鐘方案的抖動(dòng)需求。

采用相位對(duì)消功能，LMK05318具有行業(yè)領(lǐng)先的±50ps相位瞬態(tài)切換。下圖是156.25MHz時(shí)鐘輸出，手動(dòng)強(qiáng)制從主參考切換到備參考時(shí)的切換性能?？梢钥吹酵耆螴TU-T G.8262要求。

用于 IEEE1588 和同步以太網(wǎng)的德州儀器的DPLL（數(shù)字 PLL）芯片LMK05318專為實(shí)現(xiàn)整個(gè)分組交換網(wǎng)絡(luò)中的同步化而設(shè)計(jì)。對(duì)于 IEEE1588 應(yīng)用，可將嵌入式 DCO（數(shù)控振蕩器）用作低抖動(dòng)合成器來完成 IEEE1588 時(shí)鐘恢復(fù)算法。對(duì)于同步以太網(wǎng)應(yīng)用，DPLL 符合EEC（同步以太網(wǎng)設(shè)備時(shí)鐘）的ITU-T建議；這些器件還符合SONET/SDH同步要求。TI的DPLL可在IEEE1588 DCO與 SyncE 模式之間切換，并提供了下列功能：可選環(huán)路濾波器、延遲、不中斷參考切換、相位斜率限制和時(shí)鐘冗余。這些特點(diǎn)大大簡(jiǎn)化同步網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)線卡時(shí)鐘的設(shè)計(jì)。