DP83640同步以太網(wǎng)模式：在PTP應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)次納秒精度

1.0 引言

美國國家半導(dǎo)體產(chǎn)品DP83640的獨(dú)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(shí)間協(xié)議（PTP）系統(tǒng)之間實(shí)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(luò)拓?fù)浼s束內(nèi)，實(shí)現(xiàn)PTP應(yīng)用達(dá)到次納秒級(jí)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(zhǔn)的從結(jié)點(diǎn)時(shí)鐘輸出。

本應(yīng)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(diǎn)同步所得到的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)。然后，提供了與同步以太網(wǎng)模式相關(guān)的工作原理和拓?fù)湎拗朴嘘P(guān)的背景信息。接著討論了典型應(yīng)用，通過經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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(shí)鐘計(jì)數(shù)器和相應(yīng)的同步從時(shí)鐘計(jì)數(shù)器之間的瞬間時(shí)差。通過測量在特定時(shí)間觸發(fā)的主信號(hào)和由本地同步時(shí)鐘計(jì)數(shù)器在相同時(shí)間觸發(fā)的相應(yīng)從信號(hào)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(hào)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(hào)。

根據(jù)主從同步的精確性，也可直接測量控制PTP計(jì)數(shù)器的主從PTP時(shí)鐘輸出的相位關(guān)系。

在擴(kuò)展周期內(nèi)重復(fù)進(jìn)行測量，采集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可提供主從時(shí)鐘或者PPS信號(hào)之間的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和一個(gè)最大時(shí)間或“峰峰值”差。

當(dāng)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(nèi)積累的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值來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(nèi)部PTP計(jì)數(shù)器的精度限制。在DP838640T器件中，內(nèi)部PTP計(jì)數(shù)器（或數(shù)字時(shí)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(guān)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(shí)鐘和從PTP時(shí)鐘之間的物理層雙向路徑中的任何不對(duì)稱也會(huì)導(dǎo)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(dāng)連接斷開并重新建立時(shí)，就會(huì)確定一個(gè)新的，采樣時(shí)鐘限制內(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(dāng)確立同步時(shí)在符合固定平均值的一個(gè)主信號(hào)和一個(gè)從信號(hào)之間測得的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3.0 結(jié)果總結(jié)

在為同步以太網(wǎng)工作配置的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)PTP系統(tǒng)中，正常條件下在擴(kuò)展周期內(nèi)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(shí)的類似測試相比大約精確100倍。

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)還說明了產(chǎn)生的高達(dá)125 MHz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(zhǔn)的性能。采用一個(gè)外部精確時(shí)鐘器件，例如NSC LMK3000系列的器件，可實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性，因?yàn)閺腜TP時(shí)鐘被鎖定到主時(shí)鐘上。

4.0 背景介紹

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

在PTP使能的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接中使用DP83640提供的硬件主導(dǎo)的優(yōu)勢，有可能實(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接中有可能實(shí)現(xiàn)次納秒級(jí)的精度。

為了利用同步以太網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須符合特定的拓?fù)浼s束。為了幫助解釋這些限制，一些關(guān)鍵參數(shù)，器件的內(nèi)部時(shí)鐘結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟竺枋鋈缦隆?

4.1 重要術(shù)語

主結(jié)點(diǎn): 主結(jié)點(diǎn)是已使能精密時(shí)間協(xié)議（PTP）的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，其包含或傳播一個(gè)主PTP時(shí)鐘信號(hào)和主PTP計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)。

從結(jié)點(diǎn): 從結(jié)點(diǎn)是已使能PTP的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，其包含了一個(gè)從PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器。從結(jié)點(diǎn)通常會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)連到一個(gè)主結(jié)點(diǎn)。采用PTP將一個(gè)從PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器同步到一個(gè)主PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器。

PTP 時(shí)鐘: 一個(gè)PTP時(shí)鐘是與PTP計(jì)數(shù)器鎖定的輸出時(shí)鐘信號(hào)源。在DP83640中，本地PTP時(shí)鐘工作在250 MHz，配置時(shí)鐘用來控制CLK_OUT信號(hào)。這種PTP CLK_OUT信號(hào)可被編程為250 MHz PTP時(shí)鐘的整除頻率，整除數(shù)范圍從2到255（相應(yīng)頻率為125 MHz到0.98 MHz）。

PTP 計(jì)數(shù)器: PTP計(jì)數(shù)器包含時(shí)間信息，并與PTP時(shí)鐘鎖定。在主結(jié)點(diǎn)上，PTP計(jì)數(shù)器是使用精密時(shí)間協(xié)議時(shí)的數(shù)據(jù)源，目的是同步PTP從結(jié)點(diǎn)中的計(jì)數(shù)器。PTP計(jì)數(shù)器的增量值為8 ns。

本地參考時(shí)鐘: 本地參考時(shí)鐘用來產(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(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)信息流中恢復(fù)。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(nèi)部的本地參考時(shí)鐘工作頻率為125 MHz。

4.2 關(guān)鍵的配置要求

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)執(zhí)行PTP從器件功能時(shí)，結(jié)點(diǎn)必須連到一個(gè)對(duì)接點(diǎn)（為結(jié)點(diǎn)，開關(guān)或者轉(zhuǎn)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(duì)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(duì)準(zhǔn)，PTP主時(shí)鐘必須與主PTP計(jì)數(shù)器進(jìn)行相位對(duì)準(zhǔn)。（欲知DP83640中輸出時(shí)鐘相位對(duì)準(zhǔn)的信息，請參考應(yīng)用注釋AN—1729 –“DP83640 IEEE 1588 PTP 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(jié)點(diǎn)的器件中使能同步以太網(wǎng)模式。在主結(jié)點(diǎn)中使能同步以太網(wǎng)模式將會(huì)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(diǎn)的結(jié)點(diǎn)上使能同步以太網(wǎng)模式。只要設(shè)定PHYCR2擴(kuò)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(shí)鐘結(jié)構(gòu)

DP83640具有幾個(gè)內(nèi)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(hào)源。同時(shí)還包括一個(gè)內(nèi)部的PTP數(shù)字計(jì)數(shù)器，以及可以控制數(shù)字計(jì)數(shù)器和PTP時(shí)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(shí)鐘

一個(gè)外部晶振或振蕩器對(duì)本地參考時(shí)鐘提供了激勵(lì)。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(shù)據(jù)流中恢復(fù)接收時(shí)鐘，并鎖定到對(duì)接點(diǎn)中的發(fā)送時(shí)鐘。在正常工作時(shí)，利用IEEE 1588 PTP包將從器件中的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器與主器件中的PTP時(shí)鐘和計(jì)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(shí)，將PTP時(shí)鐘，數(shù)字計(jì)數(shù)器和PTP速率調(diào)節(jié)邏輯的控制從本地參考時(shí)鐘切換到已恢復(fù)的接收時(shí)鐘上（參見圖2）。這具有將從系統(tǒng)的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器鎖定到主系統(tǒng)的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器的效果。最后，同步精確性會(huì)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(shí)鐘

圖3. 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲型揭蕴W(wǎng)模式使能的DP83640的工作框圖

4.5 系統(tǒng)拓?fù)涞目紤]

如前所述，為了以同步以太網(wǎng)模式工作，主結(jié)點(diǎn)參考時(shí)鐘必須與主PTP時(shí)鐘鎖定。這是當(dāng)DP83640本地參考時(shí)鐘采用PTP數(shù)字計(jì)數(shù)器和PTP時(shí)鐘時(shí)的默認(rèn)配置。如果在主系統(tǒng)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，沒有必要為了使附接的DP83640從結(jié)點(diǎn)能工作在同步以太網(wǎng)模式而在主PTP時(shí)鐘結(jié)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)多口集線器或者開關(guān)結(jié)構(gòu)，便可把多個(gè)從器件同步到一個(gè)單獨(dú)的主時(shí)鐘上。參見圖4。

圖 4. 分布式主時(shí)鐘的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

類似地，可能會(huì)通過開關(guān)樹狀結(jié)構(gòu)傳播同步以太網(wǎng)模式工作，其中每個(gè)從開關(guān)結(jié)點(diǎn)將其本身與主網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用

同步以太網(wǎng)模式的一種典型應(yīng)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(diǎn)，一個(gè)主系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)一個(gè)激勵(lì)，例如能量突波，每個(gè)從結(jié)點(diǎn)可以代表一個(gè)精確的儀器或者傳感器，能用來測量在精確時(shí)間點(diǎn)的激勵(lì)效果。

此外，有的應(yīng)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(hào)。若在同步以太網(wǎng)模式使能時(shí)給定1 ns的峰峰值精度，采用125 MHz輸出時(shí)鐘可以將幾個(gè)儀器與采樣數(shù)據(jù)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(dǎo)體的LMK3000系列器件，可獲得更大的頻率選擇范圍。

最后，因?yàn)橹鲿r(shí)鐘的頻率通過網(wǎng)絡(luò)傳遞，當(dāng)使能同步以太網(wǎng)模式時(shí)，本地振蕩器的穩(wěn)定性并不是一個(gè)重要的誤差來源。

從屬結(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性直接取決于其相應(yīng)PTP連接主結(jié)點(diǎn)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(gè)高穩(wěn)定性的OCXO的從結(jié)點(diǎn)將會(huì)實(shí)現(xiàn)相同于標(biāo)準(zhǔn)25 MHz晶振的精度水平。

6.0 同步測量的設(shè)置

如之前所提到的，使用一個(gè)示波器來比較主時(shí)鐘或結(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)與從結(jié)點(diǎn)的相應(yīng)同步信號(hào)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(hào)連到示波器的輸入端。采用主信號(hào)來觸發(fā)示波器，依靠主觸發(fā)信號(hào)來測量從信號(hào)時(shí)間。

有些示波器有直方圖功能。通過累計(jì)從結(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)的大量采樣，可確定從結(jié)點(diǎn)到主結(jié)點(diǎn)相對(duì)同步的統(tǒng)計(jì)信息。在IEEE 1588應(yīng)用中，一般通過將主器件的一個(gè)秒脈沖（PPS）觸發(fā)輸出連接從器件輸出的相應(yīng)PPS信號(hào)，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(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(hào)，可通過對(duì)器件的CLK_OUT引腳（引腳24）上的輸出編程來實(shí)現(xiàn)。參見圖6。

圖 6. 同步測量的設(shè)置

根據(jù)本應(yīng)用注釋的用途，將兩個(gè)DP83640演示板卡分別用作主從器件來進(jìn)行測量，采用1米電纜進(jìn)行連接。主器件采用OCXO 25 MHz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(duì)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(jìn)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(shí)間（幾個(gè)小時(shí)）累計(jì)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)代表了主示波器觸發(fā)信號(hào)和相應(yīng)的從信號(hào)在擴(kuò)展周期內(nèi)測量的時(shí)間。在數(shù)據(jù)表中每行的相關(guān)直方圖也用附加的示波圖表示出來。

為了進(jìn)行比較，在表1 （圖7 ）中的測試編號(hào)1代表了同步以太網(wǎng)模式禁止時(shí)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(shí)鐘源測量數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，當(dāng)以主時(shí)鐘為參考時(shí)，測量捕捉到的從時(shí)鐘分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為5 ns，最大峰峰值約為48 ns。

測試編號(hào)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(shù)據(jù)，但是將晶振作為一個(gè)從參考時(shí)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(shí)，標(biāo)準(zhǔn)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(gè)穩(wěn)定的10 MHz信號(hào)直方圖跡線，所以會(huì)采用1 MHz時(shí)鐘輸出信號(hào)來代替。

作為對(duì)比，測試編號(hào)3（圖9 ）顯示了當(dāng)使能同步以太網(wǎng)模式時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差約為80 ps，此時(shí)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(shí)的相應(yīng)數(shù)據(jù)高出50倍以上（測試編號(hào)1，圖7）。

測試編號(hào)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(shù)據(jù)，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77 ps的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)本地時(shí)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(hào)5（圖11）可將代表10 MHz CLK_OUT信號(hào)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(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差與類似的10 MHz CLK_OUT數(shù)據(jù)（測試編號(hào)3）可比擬時(shí)，測得的數(shù)據(jù)峰峰值加倍到約2 ns。

最后，測試編號(hào)6（圖12）表明標(biāo)準(zhǔn)偏差約為79 ps，最大幅值約為760 ps時(shí)，125 MHz主時(shí)鐘到從時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)，能清楚地說明美國國家半導(dǎo)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)在類似配置下得到的結(jié)果相比，精度可提高100倍以上。

對(duì)于要求記錄數(shù)據(jù)達(dá)到次納秒級(jí)精度的任何應(yīng)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(duì)于網(wǎng)絡(luò)鏈路上主時(shí)鐘源需要精密鎖定擴(kuò)展的應(yīng)用，或者在同步從系統(tǒng)須與本地參考時(shí)鐘的不穩(wěn)定性影響相隔離的應(yīng)用中也很有用。

在顯著改善精度時(shí)，為了正確應(yīng)用同步以太網(wǎng)模式，必須滿足要求的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拗?。這些限制包括將主PTP時(shí)鐘對(duì)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(jié)點(diǎn)和從PTP時(shí)鐘結(jié)點(diǎn)直接相連。

作者：美國國家半導(dǎo)體公司