DP83640同步以太網(wǎng)模式：在PTP應用中實現(xiàn)次納秒精度

1.0 引言

美國國家半導體產(chǎn)品DP83640的獨特性能，即100 Mb/s下的同步以太網(wǎng)技術(shù)，可在用以太網(wǎng)連接的IEEE1588精密時間協(xié)議（PTP）系統(tǒng)之間實現(xiàn)非常精確的同步。采用這種特性，便可工作在要求的網(wǎng)絡拓撲約束內(nèi)，實現(xiàn)PTP應用達到次納秒級的主從同步精度。同時也能產(chǎn)生一個與主PTP時鐘鎖定和校準的從結(jié)點時鐘輸出。

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(jié)點同步所得到的經(jīng)驗結(jié)果的總結(jié)。然后，提供了與同步以太網(wǎng)模式相關的工作原理和拓撲限制有關的背景信息。接著討論了典型應用，通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)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

2.0 測量同步

同步精確性可定義為主時鐘計數(shù)器和相應的同步從時鐘計數(shù)器之間的瞬間時差。通過測量在特定時間觸發(fā)的主信號和由本地同步時鐘計數(shù)器在相同時間觸發(fā)的相應從信號之間的時間差，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，或稱之為PPS（秒脈沖）信號。

根據(jù)主從同步的精確性，也可直接測量控制PTP計數(shù)器的主從PTP時鐘輸出的相位關系。

在擴展周期內(nèi)重復進行測量，采集的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可提供主從時鐘或者PPS信號之間的平均值、標準偏差和一個最大時間或“峰峰值”差。

當連接從器件并與主器件進行同步時，在主從PTP時鐘之間確立一個固定的相位關系。采用在特定時間內(nèi)積累的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均值來測量這種固定的相位關系。這種相位關系變化的程度受到內(nèi)部PTP計數(shù)器的精度限制。在DP838640T器件中，內(nèi)部PTP計數(shù)器（或數(shù)字時鐘）在125 MHz頻率下以8 ns為增量不斷更新。因此，固定的相位關系，或者主從器件之間確定的平均值變化范圍從+8 ns到-8 ns。主PTP時鐘和從PTP時鐘之間的物理層雙向路徑中的任何不對稱也會導致額外的變化。

只要維持同步連接，平均值就會保持恒定。然而，當連接斷開并重新建立時，就會確定一個新的，采樣時鐘限制內(nèi)的固定平均值。

根據(jù)本文的用途，用術(shù)語 “精度”來描述當確立同步時在符合固定平均值的一個主信號和一個從信號之間測得的標準偏差。

3.0 結(jié)果總結(jié)

在為同步以太網(wǎng)工作配置的點對點PTP系統(tǒng)中，正常條件下在擴展周期內(nèi)進行的測試表明，主時鐘到從時鐘的同步可獲得優(yōu)于100 ps的精度，測量的峰峰值小于1 ns。這些結(jié)果與同步以太網(wǎng)模式禁止時的類似測試相比大約精確100倍。

經(jīng)驗數(shù)據(jù)還說明了產(chǎn)生的高達125 MHz的從時鐘并將其與PTP主時鐘連接的網(wǎng)絡鎖定和校準的性能。采用一個外部精確時鐘器件，例如NSC LMK3000系列的器件，可實現(xiàn)更高的鎖頻時鐘。

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鐘的不穩(wěn)定性，因為從PTP時鐘被鎖定到主時鐘上。

4.0 背景介紹

IEEE 1588精密時間協(xié)議在主從系統(tǒng)之間提供了網(wǎng)絡連接、基于信息包的同步功能。當僅使用純軟件過程時，系統(tǒng)獲得的同步精度一般在毫秒數(shù)量級。

在PTP使能的點對點連接中使用DP83640提供的硬件主導的優(yōu)勢，有可能實現(xiàn)優(yōu)于10 ns的同步精度。

此外，使能同步以太網(wǎng)模式，在點對點連接中有可能實現(xiàn)次納秒級的精度。

為了利用同步以太網(wǎng)模式，網(wǎng)絡系統(tǒng)必須符合特定的拓撲約束。為了幫助解釋這些限制，一些關鍵參數(shù)，器件的內(nèi)部時鐘結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡拓撲要求描述如下。

4.1 重要術(shù)語

主結(jié)點: 主結(jié)點是已使能精密時間協(xié)議（PTP）的一個網(wǎng)絡結(jié)點，其包含或傳播一個主PTP時鐘信號和主PTP計數(shù)器數(shù)據(jù)。

從結(jié)點: 從結(jié)點是已使能PTP的一個網(wǎng)絡結(jié)點，其包含了一個從PTP時鐘和計數(shù)器。從結(jié)點通常會通過網(wǎng)絡連到一個主結(jié)點。采用PTP將一個從PTP時鐘和計數(shù)器同步到一個主PTP時鐘和計數(shù)器。

PTP 時鐘: 一個PTP時鐘是與PTP計數(shù)器鎖定的輸出時鐘信號源。在DP83640中，本地PTP時鐘工作在250 MHz，配置時鐘用來控制CLK_OUT信號。這種PTP CLK_OUT信號可被編程為250 MHz PTP時鐘的整除頻率，整除數(shù)范圍從2到255（相應頻率為125 MHz到0.98 MHz）。

PTP 計數(shù)器: PTP計數(shù)器包含時間信息，并與PTP時鐘鎖定。在主結(jié)點上，PTP計數(shù)器是使用精密時間協(xié)議時的數(shù)據(jù)源，目的是同步PTP從結(jié)點中的計數(shù)器。PTP計數(shù)器的增量值為8 ns。

本地參考時鐘: 本地參考時鐘用來產(chǎn)生網(wǎng)絡流量。本地參考時鐘被嵌入到發(fā)送的網(wǎng)絡信息流，并在接收器結(jié)點從網(wǎng)絡信息流中恢復。所有以太網(wǎng)物理層器件都采用本地參考時鐘源。在DP83640內(nèi)部的本地參考時鐘工作頻率為125 MHz。

4.2 關鍵的配置要求

當網(wǎng)絡結(jié)點執(zhí)行PTP從器件功能時，結(jié)點必須連到一個對接點（為結(jié)點，開關或者轉(zhuǎn)發(fā)器）上，提供到主PTP時鐘的通路，PTP協(xié)議必須被使能并且是活動的。

此外，對接點必須將其本地參考時鐘鎖頻到PTP主時鐘上。如果也要求在主從器件之間進行PTP時鐘相位對準，PTP主時鐘必須與主PTP計數(shù)器進行相位對準。（欲知DP83640中輸出時鐘相位對準的信息，請參考應用注釋AN—1729 –“DP83640 IEEE 1588 PTP 同步時鐘輸出”。）還有一點也很重要，僅在用作一個從PTP時鐘結(jié)點的器件中使能同步以太網(wǎng)模式。在主結(jié)點中使能同步以太網(wǎng)模式將會產(chǎn)生不希望的結(jié)果。

4.3 使能同步以太網(wǎng)模式

僅在指定為從結(jié)點的結(jié)點上使能同步以太網(wǎng)模式。只要設定PHYCR2擴展頁0寄存器的SYNC_ENET_EN位為1（Reg 0x1C:13=1），便可使能同步以太網(wǎng)模式。

4.4 DP83640 時鐘結(jié)構(gòu)

DP83640具有幾個內(nèi)部時鐘，包括本地參考時鐘，一個以太網(wǎng)接收時鐘和一個PTP時鐘信號源。同時還包括一個內(nèi)部的PTP數(shù)字計數(shù)器，以及可以控制數(shù)字計數(shù)器和PTP時鐘速率（頻率）的邏輯（參見圖1）。

圖1. 同步以太網(wǎng)模式被禁止的DP83640內(nèi)部時鐘

一個外部晶振或振蕩器對本地參考時鐘提供了激勵。本地參考時鐘成為器件中所有時鐘的核心。從接收的以太網(wǎng)包數(shù)據(jù)流中恢復接收時鐘，并鎖定到對接點中的發(fā)送時鐘。在正常工作時，利用IEEE 1588 PTP包將從器件中的PTP時鐘和計數(shù)器與主器件中的PTP時鐘和計數(shù)器相匹配。通過控制速率調(diào)節(jié)邏輯可完成這種匹配。

使能同步以太網(wǎng)模式時，將PTP時鐘，數(shù)字計數(shù)器和PTP速率調(diào)節(jié)邏輯的控制從本地參考時鐘切換到已恢復的接收時鐘上（參見圖2）。這具有將從系統(tǒng)的PTP時鐘和計數(shù)器鎖定到主系統(tǒng)的PTP時鐘和計數(shù)器的效果。最后，同步精確性會顯著增加（參見圖3）。

圖 2. 同步以太網(wǎng)模式被使能的DP83640內(nèi)部時鐘

圖3. 在點對點網(wǎng)絡拓撲中同步以太網(wǎng)模式使能的DP83640的工作框圖

4.5 系統(tǒng)拓撲的考慮

如前所述，為了以同步以太網(wǎng)模式工作，主結(jié)點參考時鐘必須與主PTP時鐘鎖定。這是當DP83640本地參考時鐘采用PTP數(shù)字計數(shù)器和PTP時鐘時的默認配置。如果在主系統(tǒng)中采用一個外部的PTP時鐘源，可以用外部PLL將參考時鐘源與外部PTP時鐘鎖定。

注意到，沒有必要為了使附接的DP83640從結(jié)點能工作在同步以太網(wǎng)模式而在主PTP時鐘結(jié)點去利用一個DP83640器件。將一個外部PTP時鐘與任何以太網(wǎng)物理層接口器件（Phy）的參考時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時鐘的一個多口集線器或者開關結(jié)構(gòu)，便可把多個從器件同步到一個單獨的主時鐘上。參見圖4。

圖 4. 分布式主時鐘的開關拓撲結(jié)構(gòu)

類似地，可能會通過開關樹狀結(jié)構(gòu)傳播同步以太網(wǎng)模式工作，其中每個從開關結(jié)點將其本身與主網(wǎng)絡源同步。（參見圖5）

圖 5. 兩端口的同步轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)

5.0 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(shù)據(jù)記錄儀器。采用圖4的分布結(jié)點，一個主系統(tǒng)會觸發(fā)一個激勵，例如能量突波，每個從結(jié)點可以代表一個精確的儀器或者傳感器，能用來測量在精確時間點的激勵效果。

此外，有的應用還會要求在本地網(wǎng)絡中的幾個儀器上傳播一個鎖定的時鐘信號。若在同步以太網(wǎng)模式使能時給定1 ns的峰峰值精度，采用125 MHz輸出時鐘可以將幾個儀器與采樣數(shù)據(jù)同步觸發(fā)。采用器件的輸出時鐘控制外部PLL時鐘源，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，因為主時鐘的頻率通過網(wǎng)絡傳遞，當使能同步以太網(wǎng)模式時，本地振蕩器的穩(wěn)定性并不是一個重要的誤差來源。

從屬結(jié)點的穩(wěn)定性直接取決于其相應PTP連接主結(jié)點的穩(wěn)定性。因此，不需要特別的環(huán)境控制來維持同步精度。采用一個高穩(wěn)定性的OCXO的從結(jié)點將會實現(xiàn)相同于標準25 MHz晶振的精度水平。

6.0 同步測量的設置

如之前所提到的，使用一個示波器來比較主時鐘或結(jié)點的輸出信號與從結(jié)點的相應同步信號之間的時延，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。采用主信號來觸發(fā)示波器，依靠主觸發(fā)信號來測量從信號時間。

有些示波器有直方圖功能。通過累計從結(jié)點輸出信號的大量采樣，可確定從結(jié)點到主結(jié)點相對同步的統(tǒng)計信息。在IEEE 1588應用中，一般通過將主器件的一個秒脈沖（PPS）觸發(fā)輸出連接從器件輸出的相應PPS信號，來測量同步性能。

使用DP83640能測量同步，可以使用輸出觸發(fā)器（包括一個周期性的PPS輸出觸發(fā)），或者使用實際的PTP時鐘信號，可通過對器件的CLK_OUT引腳（引腳24）上的輸出編程來實現(xiàn)。參見圖6。

圖 6. 同步測量的設置

根據(jù)本應用注釋的用途，將兩個DP83640演示板卡分別用作主從器件來進行測量，采用1米電纜進行連接。主器件采用OCXO 25 MHz參考時鐘源。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(wěn)定性的抗干擾性能。在25 ℃室溫和3.3 V的VCC等正常條件下進行測量。采用了Tektronix 784C示波器。

7.0 測量結(jié)果

表1總結(jié)了在正常條件下同步數(shù)據(jù)的長時間（幾個小時）累計。統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(nèi)測量的時間。在數(shù)據(jù)表中每行的相關直方圖也用附加的示波圖表示出來。

為了進行比較，在表1 （圖7 ）中的測試編號1代表了同步以太網(wǎng)模式禁止時采集的同步數(shù)據(jù)。主從器件利用非常穩(wěn)定的OCXO參考時鐘源測量數(shù)據(jù)。可以看到，當以主時鐘為參考時，測量捕捉到的從時鐘分布的標準偏差約為5 ns，最大峰峰值約為48 ns。

測試編號2（圖8 ）表示了同步以太網(wǎng)模式禁止時在相同配置中采集的數(shù)據(jù)，但是將晶振作為一個從參考時鐘源來比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，在測量的最大峰峰值約為119 ns時，標準偏差幾乎倍增到約9.5 ns。如果最大峰峰值結(jié)果大于100 ns，就不可能得到一個穩(wěn)定的10 MHz信號直方圖跡線，所以會采用1 MHz時鐘輸出信號來代替。

作為對比，測試編號3（圖9 ）顯示了當使能同步以太網(wǎng)模式時標準偏差約為80 ps，此時峰峰值測量約為900 ps。測得的精度比采用同步以太網(wǎng)模式禁止時的相應數(shù)據(jù)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)模式使能時在相同配置下測試的數(shù)據(jù)，但再次使用了晶振作為從參考時鐘源以進行比較。以大約77 ps的標準偏差和大約700 ps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鐘不穩(wěn)定性的抗干擾能力。與以太網(wǎng)模式禁止下的參照數(shù)據(jù)相比，精度高出約100倍以上。

測試編號5（圖11）可將代表10 MHz CLK_OUT信號的數(shù)據(jù)與代表秒脈沖觸發(fā)輸出同步的數(shù)據(jù)作比較。數(shù)據(jù)表明，當標準偏差與類似的10 MHz CLK_OUT數(shù)據(jù)（測試編號3）可比擬時，測得的數(shù)據(jù)峰峰值加倍到約2 ns。

最后，測試編號6（圖12）表明標準偏差約為79 ps，最大幅值約為760 ps時，125 MHz主時鐘到從時鐘輸出的性能與10 MHz條件下的性能可比擬。

表 1. 同步輸出測試結(jié)果

8.0 結(jié)論

通過提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，能清楚地說明美國國家半導體DP83640的同步以太網(wǎng)模式特性的優(yōu)點?？梢钥吹剑揭蕴W(wǎng)模式使能與同步以太網(wǎng)模式禁止時在類似配置下得到的結(jié)果相比，精度可提高100倍以上。

對于要求記錄數(shù)據(jù)達到次納秒級精度的任何應用而言，在PTP使能的網(wǎng)絡環(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)絡鏈路上主時鐘源需要精密鎖定擴展的應用，或者在同步從系統(tǒng)須與本地參考時鐘的不穩(wěn)定性影響相隔離的應用中也很有用。

在顯著改善精度時，為了正確應用同步以太網(wǎng)模式，必須滿足要求的網(wǎng)絡拓撲限制。這些限制包括將主PTP時鐘對主物理層時鐘的相位鎖定，以及在鎖頻網(wǎng)絡鏈路上，將鎖相的主PTP時鐘結(jié)點和從PTP時鐘結(jié)點直接相連。

作者：美國國家半導體公司