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1 引言 美國國家半導體產(chǎn)品DP83640的獨特性能，即100Mb/s下的同步以太網(wǎng)技術(shù)，可在用以太網(wǎng)連接的IEEE1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）系統之間實(shí)現非常精確的同步。采用這種特性，便可工作在要求的網(wǎng)絡(luò )拓撲約束內，實(shí)現PTP應用達到次納秒級的主從同步精度。同時(shí)也能產(chǎn)生一個(gè)與主PTP時(shí)鐘鎖定和校準的從結點(diǎn)時(shí)鐘輸出。 本應用注釋首先提供了采用同步以太網(wǎng)模式測量主從結點(diǎn)同步所得到的經(jīng)驗結果的總結。然后，提供了與同步以太網(wǎng)模式相關(guān)的工作原理和拓撲限制有關(guān)的背景信息。接著(zhù)討論了典型應用，通過(guò)經(jīng)驗數據清楚地解釋了采用同步以太網(wǎng)模式的潛在精度。本應用注釋適用于下列產(chǎn)品：DP83640 2 測量同步 同步精確性可定義為主時(shí)鐘計數器和相應的同步從時(shí)鐘計數器之間的瞬間時(shí)差。通過(guò)測量在特定時(shí)間觸發(fā)的主信號和由本地同步時(shí)鐘計數器在相同時(shí)間觸發(fā)的相應從信號之間的時(shí)間差，可以確定同步精度。通常，在PTP討論的上下文中，這些觸發(fā)信號每1秒發(fā)生一次，故定義為平均每秒脈沖，或稱(chēng)之為PPS（秒脈沖）信號。 根據主從同步的精確性，也可直接測量控制PTP計數器的主從PTP時(shí)鐘輸出的相位關(guān)系。 在擴展周期內重復進(jìn)行測量，采集的統計數據可提供主從時(shí)鐘或者PPS信號之間的平均值、標準偏差和一個(gè)最大時(shí)間或“峰峰值”差。 當連接從器件并與主器件進(jìn)行同步時(shí)，在主從PTP時(shí)鐘之間確立一個(gè)固定的相位關(guān)系。采用在特定時(shí)間內積累的統計數據的平均值來(lái)測量這種固定的相位關(guān)系。這種相位關(guān)系變化的程度受到內部PTP計數器的精度限制。在DP838640T器件中，內部PTP計數器（或數字時(shí)鐘）在125MHz頻率下以8ns為增量不斷更新。因此，固定的相位關(guān)系，或者主從器件之間確定的平均值變化范圍從+8ns到-8ns。主PTP時(shí)鐘和從PTP時(shí)鐘之間的物理層雙向路徑中的任何不對稱(chēng)也會(huì )導致額外的變化。 只要維持同步連接，平均值就會(huì )保持恒定。然而，當連接斷開(kāi)并重新建立時(shí)，就會(huì )確定一個(gè)新的，采樣時(shí)鐘限制內的固定平均值。 根據本文的用途，用術(shù)語(yǔ)“精度”來(lái)描述當確立同步時(shí)在符合固定平均值的一個(gè)主信號和一個(gè)從信號之間測得的標準偏差。 3 結果總結 在為同步以太網(wǎng)工作配置的點(diǎn)對點(diǎn)PTP系統中，正常條件下在擴展周期內進(jìn)行的測試表明，主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的同步可獲得優(yōu)于100ps的精度，測量的峰峰值小于1ns。這些結果與同步以太網(wǎng)模式禁止時(shí)的類(lèi)似測試相比大約精確100倍。 經(jīng)驗數據還說(shuō)明了產(chǎn)生的高達125MHz的從時(shí)鐘并將其與PTP主時(shí)鐘連接的網(wǎng)絡(luò )鎖定和校準的性能。采用一個(gè)外部精確時(shí)鐘器件，例如NSCLMK3000系列的器件，可實(shí)現更高的鎖頻時(shí)鐘。 還需注意，若使能同步以太網(wǎng)模式，可以消除任何本地從參考時(shí)鐘的不穩定性，因為從PTP時(shí)鐘被鎖定到主時(shí)鐘上。 4 背景介紹 IEEE1588精密時(shí)間協(xié)議在主從系統之間提供了網(wǎng)絡(luò )連接、基于信息包的同步功能。當僅使用純軟件過(guò)程時(shí)，系統獲得的同步精度一般在毫秒數量級。 在PTP使能的點(diǎn)對點(diǎn)連接中使用DP83640提供的硬件主導的優(yōu)勢，有可能實(shí)現優(yōu)于10ns的同步精度。 此外，使能同步以太網(wǎng)模式，在點(diǎn)對點(diǎn)連接中有可能實(shí)現次納秒級的精度。 為了利用同步以太網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò )系統必須符合特定的拓撲約束。為了幫助解釋這些限制，一些關(guān)鍵參數，器件的內部時(shí)鐘結構和網(wǎng)絡(luò )拓撲要求描述如下。 4.1 重要術(shù)語(yǔ) 主結點(diǎn):主結點(diǎn)是已使能精密時(shí)間協(xié)議（PTP）的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)，其包含或傳播一個(gè)主PTP時(shí)鐘信號和主PTP計數器數據。 從結點(diǎn):從結點(diǎn)是已使能PTP的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)，其包含了一個(gè)從PTP時(shí)鐘和計數器。從結點(diǎn)通常會(huì )通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連到一個(gè)主結點(diǎn)。采用PTP將一個(gè)從PTP時(shí)鐘和計數器同步到一個(gè)主PTP時(shí)鐘和計數器。 PTP時(shí)鐘:一個(gè)PTP時(shí)鐘是與PTP計數器鎖定的輸出時(shí)鐘信號源。在DP83640中，本地PTP時(shí)鐘工作在250MHz，配置時(shí)鐘用來(lái)控制CLK_OUT信號。這種PTPCLK_OUT信號可被編程為250MHzPTP時(shí)鐘的整除頻率，整除數范圍從2到255（相應頻率為125MHz到0.98MHz）。 PTP計數器  TP計數器包含時(shí)間信息，并與PTP時(shí)鐘鎖定。在主結點(diǎn)上，PTP計數器是使用精密時(shí)間協(xié)議時(shí)的數據源，目的是同步PTP從結點(diǎn)中的計數器。PTP計數器的增量值為8ns。 本地參考時(shí)鐘:本地參考時(shí)鐘用來(lái)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )流量。本地參考時(shí)鐘被嵌入到發(fā)送的網(wǎng)絡(luò )信息流，并在接收器結點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò )信息流中恢復。所有以太網(wǎng)物理層器件都采用本地參考時(shí)鐘源。在DP83640內部的本地參考時(shí)鐘工作頻率為125MHz。 4.2關(guān)鍵的配置要求 當網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)執行PTP從器件功能時(shí)，結點(diǎn)必須連到一個(gè)對接點(diǎn)（為結點(diǎn)，開(kāi)關(guān)或者轉發(fā)器）上，提供到主PTP時(shí)鐘的通路，PTP協(xié)議必須被使能并且是活動(dòng)的。 此外，對接點(diǎn)必須將其本地參考時(shí)鐘鎖頻到PTP主時(shí)鐘上。如果也要求在主從器件之間進(jìn)行PTP時(shí)鐘相位對準，PTP主時(shí)鐘必須與主PTP計數器進(jìn)行相位對準。（欲知DP83640中輸出時(shí)鐘相位對準的信息，請參考應用注釋AN—1729–“DP83640IEEE1588PTP同步時(shí)鐘輸出”。）還有一點(diǎn)也很重要，僅在用作一個(gè)從PTP時(shí)鐘結點(diǎn)的器件中使能同步以太網(wǎng)模式。在主結點(diǎn)中使能同步以太網(wǎng)模式將會(huì )產(chǎn)生不希望的結果。 4.3使能同步以太網(wǎng)模式 僅在指定為從結點(diǎn)的結點(diǎn)上使能同步以太網(wǎng)模式。只要設定PHYCR2擴展頁(yè)0寄存器的SYNC_ENET_EN位為1（Reg0x1C:13=1），便可使能同步以太網(wǎng)模式。 4.4DP83640時(shí)鐘結構 DP83640具有幾個(gè)內部時(shí)鐘，包括本地參考時(shí)鐘，一個(gè)以太網(wǎng)接收時(shí)鐘和一個(gè)PTP時(shí)鐘信號源。同時(shí)還包括一個(gè)內部的PTP數字計數器，以及可以控制數字計數器和PTP時(shí)鐘速率（頻率）的邏輯（參見(jiàn)圖1）。 圖1.同步以太網(wǎng)模式被禁止的DP83640內部時(shí)鐘 一個(gè)外部晶振或振蕩器對本地參考時(shí)鐘提供了激勵。本地參考時(shí)鐘成為器件中所有時(shí)鐘的核心。從接收的以太網(wǎng)包數據流中恢復接收時(shí)鐘，并鎖定到對接點(diǎn)中的發(fā)送時(shí)鐘。在正常工作時(shí)，利用IEEE1588PTP包將從器件中的PTP時(shí)鐘和計數器與主器件中的PTP時(shí)鐘和計數器相匹配。通過(guò)控制速率調節邏輯可完成這種匹配。 使能同步以太網(wǎng)模式時(shí)，將PTP時(shí)鐘，數字計數器和PTP速率調節邏輯的控制從本地參考時(shí)鐘切換到已恢復的接收時(shí)鐘上（參見(jiàn)圖2）。這具有將從系統的PTP時(shí)鐘和計數器鎖定到主系統的PTP時(shí)鐘和計數器的效果。最后，同步精確性會(huì )顯著(zhù)增加（參見(jiàn)圖3）。 圖2.同步以太網(wǎng)模式被使能的DP83640內部時(shí)鐘 圖3.在點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )拓撲中同步以太網(wǎng)模式使能的DP83640的工作框圖 4.5系統拓撲的考慮 如前所述，為了以同步以太網(wǎng)模式工作，主結點(diǎn)參考時(shí)鐘必須與主PTP時(shí)鐘鎖定。這是當DP83640本地參考時(shí)鐘采用PTP數字計數器和PTP時(shí)鐘時(shí)的默認配置。如果在主系統中采用一個(gè)外部的PTP時(shí)鐘源，可以用外部PLL將參考時(shí)鐘源與外部PTP時(shí)鐘鎖定。 注意到，沒(méi)有必要為了使附接的DP83640從結點(diǎn)能工作在同步以太網(wǎng)模式而在主PTP時(shí)鐘結點(diǎn)去利用一個(gè)DP83640器件。將一個(gè)外部PTP時(shí)鐘與任何以太網(wǎng)物理層接口器件（Phy）的參考時(shí)鐘輸入作相位鎖定就足夠了。 如果利用能將所有以太網(wǎng)通道同步到主PTP時(shí)鐘的一個(gè)多口集線(xiàn)器或者開(kāi)關(guān)結構，便可把多個(gè)從器件同步到一個(gè)單獨的主時(shí)鐘上。參見(jiàn)圖4。 圖4.分布式主時(shí)鐘的開(kāi)關(guān)拓撲結構 類(lèi)似地，可能會(huì )通過(guò)開(kāi)關(guān)樹(shù)狀結構傳播同步以太網(wǎng)模式工作，其中每個(gè)從開(kāi)關(guān)結點(diǎn)將其本身與主網(wǎng)絡(luò )源同步。（參見(jiàn)圖5） 圖5.兩端口的同步轉發(fā)器系統 5 典型應用 同步以太網(wǎng)模式的一種典型應用是要求非常精確的數據記錄儀器。采用圖4的分布結點(diǎn)，一個(gè)主系統會(huì )觸發(fā)一個(gè)激勵，例如能量突波，每個(gè)從結點(diǎn)可以代表一個(gè)精確的儀器或者傳感器，能用來(lái)測量在精確時(shí)間點(diǎn)的激勵效果。 此外，有的應用還會(huì )要求在本地網(wǎng)絡(luò )中的幾個(gè)儀器上傳播一個(gè)鎖定的時(shí)鐘信號。若在同步以太網(wǎng)模式使能時(shí)給定1ns的峰峰值精度，采用125MHz輸出時(shí)鐘可以將幾個(gè)儀器與采樣數據同步觸發(fā)。采用器件的輸出時(shí)鐘控制外部PLL時(shí)鐘源，例如美國國家半導體的LMK3000系列器件，可獲得更大的頻率選擇范圍。 最后，因為主時(shí)鐘的頻率通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳遞，當使能同步以太網(wǎng)模式時(shí)，本地振蕩器的穩定性并不是一個(gè)重要的誤差來(lái)源。 從屬結點(diǎn)的穩定性直接取決于其相應PTP連接主結點(diǎn)的穩定性。因此，不需要特別的環(huán)境控制來(lái)維持同步精度。采用一個(gè)高穩定性的OCXO的從結點(diǎn)將會(huì )實(shí)現相同于標準25MHz晶振的精度水平。 6 同步測量的設置 如之前所提到的，使用一個(gè)示波器來(lái)比較主時(shí)鐘或結點(diǎn)的輸出信號與從結點(diǎn)的相應同步信號之間的時(shí)延，可測得同步的精確性。典型情況下，主從輸出信號連到示波器的輸入端。采用主信號來(lái)觸發(fā)示波器，依靠主觸發(fā)信號來(lái)測量從信號時(shí)間。 有些示波器有直方圖功能。通過(guò)累計從結點(diǎn)輸出信號的大量采樣，可確定從結點(diǎn)到主結點(diǎn)相對同步的統計信息。在IEEE1588應用中，一般通過(guò)將主器件的一個(gè)秒脈沖（PPS）觸發(fā)輸出連接從器件輸出的相應PPS信號，來(lái)測量同步性能。 使用DP83640能測量同步，可以使用輸出觸發(fā)器（包括一個(gè)周期性的PPS輸出觸發(fā)），或者使用實(shí)際的PTP時(shí)鐘信號，可通過(guò)對器件的CLK_OUT引腳（引腳24）上的輸出編程來(lái)實(shí)現。參見(jiàn)圖6。 圖6.同步測量的設置 根據本應用注釋的用途，將兩個(gè)DP83640演示板卡分別用作主從器件來(lái)進(jìn)行測量，采用1米電纜進(jìn)行連接。主器件采用OCXO25MHz參考時(shí)鐘源。從器件采用OCXO和晶振，以此表明同步以太網(wǎng)模式提供了對于本地溫度/頻率不穩定性的抗干擾性能。在25℃室溫和3.3V的VCC等正常條件下進(jìn)行測量。采用了Tektronix784C示波器。 7 測量結果 表1總結了在正常條件下同步數據的長(cháng)時(shí)間（幾個(gè)小時(shí)）累計。統計數據代表了主示波器觸發(fā)信號和相應的從信號在擴展周期內測量的時(shí)間。在數據表中每行的相關(guān)直方圖也用附加的示波圖表示出來(lái)。 為了進(jìn)行比較，在表1（圖7）中的測試編號1代表了同步以太網(wǎng)模式禁止時(shí)采集的同步數據。主從器件利用非常穩定的OCXO參考時(shí)鐘源測量數據�？梢钥吹�，當以主時(shí)鐘為參考時(shí)，測量捕捉到的從時(shí)鐘分布的標準偏差約為5ns，最大峰峰值約為48ns。 測試編號2（圖8）表示了同步以太網(wǎng)模式禁止時(shí)在相同配置中采集的數據，但是將晶振作為一個(gè)從參考時(shí)鐘源來(lái)比較�？梢园l(fā)現，在測量的最大峰峰值約為119ns時(shí)，標準偏差幾乎倍增到約9.5ns。如果最大峰峰值結果大于100ns，就不可能得到一個(gè)穩定的10MHz信號直方圖跡線(xiàn)，所以會(huì )采用1MHz時(shí)鐘輸出信號來(lái)代替。 作為對比，測試編號3（圖9）顯示了當使能同步以太網(wǎng)模式時(shí)標準偏差約為80ps，此時(shí)峰峰值測量約為900ps。測得的精度比采用同步以太網(wǎng)模式禁止時(shí)的相應數據高出50倍以上（測試編號1，圖7）。 測試編號4（圖10）顯示了同步以太網(wǎng)模式使能時(shí)在相同配置下測試的數據，但再次使用了晶振作為從參考時(shí)鐘源以進(jìn)行比較。以大約77ps的標準偏差和大約700ps的峰峰值，很清楚地闡明了同步以太網(wǎng)模式提供的對本地時(shí)鐘不穩定性的抗干擾能力。與以太網(wǎng)模式禁止下的參照數據相比，精度高出約100倍以上。 測試編號5（圖11）可將代表10MHzCLK_OUT信號的數據與代表秒脈沖觸發(fā)輸出同步的數據作比較。數據表明，當標準偏差與類(lèi)似的10MHzCLK_OUT數據（測試編號3）可比擬時(shí)，測得的數據峰峰值加倍到約2ns。 最后，測試編號6（圖12）表明標準偏差約為79ps，最大幅值約為760ps時(shí)，125MHz主時(shí)鐘到從時(shí)鐘輸出的性能與10MHz條件下的性能可比擬。 表1.同步輸出測試結果 8 結論 通過(guò)提供的經(jīng)驗數據，能清楚地說(shuō)明美國國家半導體DP83640的同步以太網(wǎng)模式特性的優(yōu)點(diǎn)�？梢钥吹�，同步以太網(wǎng)模式使能與同步以太網(wǎng)模式禁止時(shí)在類(lèi)似配置下得到的結果相比，精度可提高100倍以上。 對于要求記錄數據達到次納秒級精度的任何應用而言，在PTP使能的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，同步以太網(wǎng)模式是很有用的。同步以太網(wǎng)模式對于網(wǎng)絡(luò )鏈路上主時(shí)鐘源需要精密鎖定擴展的應用，或者在同步從系統須與本地參考時(shí)鐘的不穩定性影響相隔離的應用中也很有用。 在顯著(zhù)改善精度時(shí)，為了正確應用同步以太網(wǎng)模式，必須滿(mǎn)足要求的網(wǎng)絡(luò )拓撲限制。這些限制包括將主PTP時(shí)鐘對主物理層時(shí)鐘的相位鎖定，以及在鎖頻網(wǎng)絡(luò )鏈路上，將鎖相的主PTP時(shí)鐘結點(diǎn)和從PTP時(shí)鐘結點(diǎn)直接相連。 |
