采用FPGA設(shè)計SDH設(shè)備時鐘
SEC需要滿足ITU-T G.813建議[1]中的相關(guān)指標(biāo)要求。SEC可以工作在自由振蕩、跟蹤、保持三種模式下，并且能夠在三種模式之間進(jìn)行平滑切換。由于ITU-T G.813建議規(guī)定的SEC帶寬較窄（-3db帶寬在1～10Hz內(nèi)），且需要在三種工作模式下輸出穩(wěn)定的時鐘，同時還要保證在三種模式切換過程中輸出時鐘穩(wěn)定（即平滑切換），采用模擬鎖相環(huán)（APLL）很難實現(xiàn)。因此一般采用數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）實現(xiàn)SEC[2]；也有許多芯片廠商直接采用單片集成電路芯片實現(xiàn)SEC，如SEMTECH公司的ACS8520[3]等。
本文介紹一種采用單片現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片實現(xiàn)SEC功能的方案，在此將用FPGA設(shè)計的SEC功能芯片命名為TSP8500。
1 TSP8500芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)計原理
TSP8500芯片采用Altera公司的EP2C5T144-8 FPGA實現(xiàn)。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
TSP8500提供兩類時鐘輸出接口：①給SDH網(wǎng)元系統(tǒng)中各功能模塊提供38.88MHz系統(tǒng)時鐘sysclkout和2kHz系統(tǒng)幀頭信號sysfpout；②給其他網(wǎng)元設(shè)備提供2.048MHz的外同步輸出基準(zhǔn)時鐘ext_clk_out。
該芯片需要外部輸入一路19.44MHz的本地時鐘，通過FPGA的內(nèi)部PLL(鎖相環(huán)1)倍頻后得到311.04MHz高速時鐘，作為芯片內(nèi)部數(shù)字鎖相環(huán)的工作時鐘。當(dāng)所有參考源丟失時，為保證SEC仍然能夠輸出高質(zhì)量的時鐘，本地時鐘一般采用高穩(wěn)定度的溫補(bǔ)晶振(TCXO)或者恒溫晶振（OCXO）提供。
該芯片還提供微處理器接口，用于各數(shù)字鎖相環(huán)的參考源選擇、工作模式的設(shè)置以及芯片內(nèi)部工作狀態(tài)的查詢。
1.1 系統(tǒng)時鐘的設(shè)計實現(xiàn)
從圖1可以看出，芯片輸出的系統(tǒng)時鐘sysclkout，主要由一路全數(shù)字鎖相環(huán)（ADPLL）[4]、主備互鎖模塊（實際上也是一路ADPLL）和FPGA的內(nèi)部PLL (鎖相環(huán)2)共同完成。
該芯片可以從輸入時鐘中任選1路作為參考時鐘進(jìn)行跟蹤。應(yīng)用該芯片時，用戶通過微處理器接口設(shè)置參考源的優(yōu)先級表（Priority table）后，芯片便可根據(jù)參考源的質(zhì)量等級自動選擇最優(yōu)的參考源進(jìn)行鎖相跟蹤。
在TSP8500芯片中設(shè)計的ADPLL和其他類型的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)基本一致，主要由鑒相器、邏輯濾波器和數(shù)控時鐘產(chǎn)生器三部分組成。SEC要求在保持模式下仍然能夠輸出高質(zhì)量的時鐘，所以在用于產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘的ADPLL中，增加了保持?jǐn)?shù)據(jù)模塊。
系統(tǒng)時鐘工作在跟蹤模式時，通過ADPLL環(huán)路實現(xiàn)輸出系統(tǒng)時鐘和參考時鐘的同步。同時，將頻率控制字?jǐn)?shù)據(jù)保存在FPGA內(nèi)部自帶的RAM中（即圖1中的保持?jǐn)?shù)據(jù)模塊）。當(dāng)所有參考源丟失時，SEC進(jìn)入保持工作模式，芯片將保持?jǐn)?shù)據(jù)模塊中保存的頻率數(shù)據(jù)按先進(jìn)后出的方式取出，對數(shù)控時鐘產(chǎn)生器進(jìn)行控制，保證了系統(tǒng)時鐘在保持模式下仍然能夠輸出高質(zhì)量的時鐘。
系統(tǒng)時鐘工作在自由振蕩模式時，由高頻時鐘直接自由分頻得到系統(tǒng)時鐘。
根據(jù)ITU-T G.813建議要求，SEC帶寬較窄（-3db帶寬在1～10Hz內(nèi)）。在邏輯濾波器模塊，采用FPGA內(nèi)部的數(shù)字邏輯實現(xiàn)二階線性濾波器，滿足了SEC噪聲傳遞特性的要求。為了靈活應(yīng)用，濾波器的環(huán)路帶寬可以通過微處理器接口進(jìn)行靈活調(diào)整。當(dāng)參考源切換時，通過濾波器的平滑設(shè)計，保證了頻率控制字緩慢變化，可靠地實現(xiàn)了參考源的平滑切換。
數(shù)控時鐘產(chǎn)生器模塊由高頻時鐘在頻率控制字的作用下進(jìn)行受控分頻得到。為了減小數(shù)控時鐘產(chǎn)生器輸出時鐘在受控分頻過程中產(chǎn)生的數(shù)字相位噪聲，TSP8500芯片設(shè)計時采用了獨特的“微小相位調(diào)整技術(shù)”，使數(shù)控時鐘產(chǎn)生器輸出時鐘的Cycle-Cycle抖動僅0.4ns。
SEC一般都采用主備備份設(shè)計。由于SEC本身的帶寬較窄，俘獲速度較慢，當(dāng)主備SEC跟蹤同一路參考源時，無法時刻保持主備SEC相位同步。設(shè)計中增加了主備互鎖模塊，保證了主備相位的快速同步。主備互鎖模塊也由ADPLL實現(xiàn)，但其環(huán)路帶寬設(shè)計的較寬，俘獲速度很快，足以保證主備相位準(zhǔn)確同步。SEC工作在主模式時，主備互鎖模塊直接鎖定本板的全數(shù)字鎖相環(huán)ADPLL輸出的時鐘；而當(dāng)SEC工作在備模式時，主備互鎖模塊鎖定對板送來的系統(tǒng)時鐘RDSYSCLK。
主備互鎖模塊輸出的時鐘，仍然有0.4ns的相位抖動。在這里通過FPGA自帶的PLL（鎖相環(huán)2）進(jìn)行相位平滑。
主板的系統(tǒng)幀頭直接由主板的38.88MHz時鐘自由分頻得到。而備板的系統(tǒng)幀頭，則由本板的系統(tǒng)時鐘在主板送來的同步幀頭受控下分頻產(chǎn)生。由于主備系統(tǒng)時鐘的相位同步了，所以保證了系統(tǒng)幀頭的相位同步。
1.2 外同步時鐘的設(shè)計實現(xiàn)
芯片輸出的外同步時鐘ext_clk_out由一路ADPLL實現(xiàn)。
外同步時鐘可以從輸入時鐘或系統(tǒng)時鐘中任選一路作為參考時鐘進(jìn)行跟蹤；通過微處理器接口進(jìn)行選源。
外同步時鐘環(huán)路的濾波設(shè)計，也由FPGA內(nèi)部的數(shù)字邏輯直接實現(xiàn)，但是環(huán)路帶寬設(shè)計得比較寬。當(dāng)進(jìn)行參考源切換時，ADPLL會短暫地進(jìn)入保持工作模式，保證了輸出時鐘的穩(wěn)定。
由于外時鐘頻率為2.048MHz，不能由311.04MHz時鐘整數(shù)分頻得到，所以數(shù)控時鐘產(chǎn)生器模塊采用了小數(shù)受控分頻設(shè)計。由于采用了小數(shù)分頻，數(shù)控時鐘產(chǎn)生器輸出的外同步時鐘的相位抖動為0.8ns。
鑒于FPGA的PLL資源限制，外同步時鐘沒有采用APLL進(jìn)行濾抖，而是直接由數(shù)控時鐘產(chǎn)生器輸出。但是輸出時鐘的相位抖動也遠(yuǎn)遠(yuǎn)能夠滿足小于0.05UI的要求。
2 輸出時鐘的性能指標(biāo)測試
對TSP8500芯片輸出的系統(tǒng)時鐘和外同步時鐘的各項指標(biāo)進(jìn)行了測試。下面主要給出時鐘的抖動特性以及鎖定模式下SEC的相位漂移特性和保持模式下SEC的相位漂移特性。
2.1 輸出時鐘抖動特性
將高速示波器設(shè)置為“長余暉”模式，測試TSP8500輸出的系統(tǒng)時鐘sysclkout和外同步時鐘ext_clkout的信號波形，得到輸出時鐘的P-P抖動特性。其中sysclkout時鐘的P-P抖動小于100ps；ext_clkout時鐘的P-P抖動小于2ns。
2.2 SEC的相位漂移特性
測試方法如圖2所示。
采用銣鐘作為測試時鐘基準(zhǔn)源?；鶞?zhǔn)時鐘送TSP8500進(jìn)行跟蹤，同時送時間間隔分析儀。
TSP8500的系統(tǒng)時鐘sysclkout的參考源，通過CPU接口選定為時鐘基準(zhǔn)源送來的2.048MHz時鐘。由于系統(tǒng)時鐘sysclkout輸出為38.88MHz，不便于用時間間隔分析儀進(jìn)行測試，所以采用外同步時鐘ext_clk_out接口輸出2.048MHz時鐘送時間間隔分析儀進(jìn)行TIE曲線的測試；而ext_clk_out時鐘的參考源，則通過CPU接口選擇sysclkout時鐘。
在跟蹤模式下，圖2中的開關(guān)K閉合，測試24小時后得到的MTIE/TDEV曲線，如圖3所示。
從圖3的測試結(jié)論來看，TSP8500跟蹤模式下的相位漂移特性滿足ITU-T G.813建議要求。
跟蹤24小時后，將圖2的開關(guān)K斷開，TSP8500的系統(tǒng)時鐘自動進(jìn)入保持工作模式，繼續(xù)用時間間隔分析儀表測試24小時，得到保持模式下的MTIE/TDEV曲線，如圖4所示。
從圖4的測試結(jié)論來看，TSP8500芯片在保持模式下的相位漂移特性也滿足ITU-T G.813建議要求。
采用單片F(xiàn)PGA實現(xiàn)的SEC芯片TSP8500，輸出時鐘滿足其在SDH設(shè)備中應(yīng)用的要求，各項時鐘性能指標(biāo)完全滿足ITU-T G.813的相關(guān)建議要求。TSP8500芯片已在國內(nèi)某著名通訊設(shè)備廠商開發(fā)的SDH設(shè)備中得到應(yīng)用。
另外，TSP8500芯片所采用的FPGA，其成本低于10＄，遠(yuǎn)低于商用SEC芯片的價格，且功能可靠，具有相當(dāng)高的性價比，有望得到更大規(guī)模的商用。
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