DP83640同步以太網模式：在PTP應用中實現次納秒精度

1.0引言

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

　　本應用注釋首先提供了采用同步以太網模式測量主從結點同步所得到的經驗結果的總結。然后，提供了與同步以太網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，通過經驗數據清楚地解釋了采用同步以太網模式的潛在精度。本應用注釋適用于下列產品：DP83640

　　2.0測量同步

　　同步精確性可定義為主時鐘計數器和相應的同步從時鐘計數器之間的瞬間時差。通過測量在特定時間觸發的主信號和由本地同步時鐘計數器在相同時間觸發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，這些觸發信號每1秒發生一次，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時鐘輸出的相位關系。

　　在擴展周期內重復進行測量，采集的統計數據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。采用在特定時間內積累的統計數據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（或數字時鐘）在125MHz頻率下以8ns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+8ns到-8ns。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，采樣時鐘限制內的固定平均值。

　　根據本文的用途，用術語“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結果總結

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

　　經驗數據還說明了產生的高達125MHz的從時鐘并將其與PTP主時鐘連接的網絡鎖定和校準的性能。采用一個外部精確時鐘器件，例如NSCLMK3000系列的器件，可實現更高的鎖頻時鐘。

　　還需注意，若使能同步以太網模式，可以消除任何本地從參考時鐘的不穩定性，因為從PTP時鐘被鎖定到主時鐘上。

　　4.0背景介紹

　　IEEE1588精密時間協議在主從系統之間提供了網絡連接、基于信息包的同步功能。當僅使用純軟件過程時，系統獲得的同步精度一般在毫秒數量級。

　　在PTP使能的點對點連接中使用DP83640提供的硬件主導的優勢，有可能實現優于10ns的同步精度。

　　此外，使能同步以太網模式，在點對點連接中有可能實現次納秒級的精度。

　　為了利用同步以太網模式，網絡系統必須符合特定的拓撲約束。為了幫助解釋這些限制，一些關鍵參數，器件的內部時鐘結構和網絡拓撲要求描述如下。

　　4.1重要術語

　　主結點:主結點是已使能精密時間協議（PTP）的一個網絡結點，其包含或傳播一個主PTP時鐘信號和主PTP計數器數據。

　　從結點:從結點是已使能PTP的一個網絡結點，其包含了一個從PTP時鐘和計數器。從結點通常會通過網絡連到一個主結點。采用PTP將一個從PTP時鐘和計數器同步到一個主PTP時鐘和計數器。

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

　　PTP計數器:PTP計數器包含時間信息，并與PTP時鐘鎖定。在主結點上，PTP計數器是使用精密時間協議時的數據源，目的是同步PTP從結點中的計數器。PTP計數器的增量值為8ns。

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

　4.2關鍵的配置要求

　　當網絡結點執行PTP從器件功能時，結點必須連到一個對接點（為結點，開關或者轉發器）上，提供到主PTP時鐘的通路，PTP協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–“DP83640IEEE1588PTP同步時鐘輸出”。）還有一點也很重要，僅在用作一個從PTP時鐘結點的器件中使能同步以太網模式。在主結點中使能同步以太網模式將會產生不希望的結果。

　　4.3使能同步以太網模式

　　僅在指定為從結點的結點上使能同步以太網模式。只要設定PHYCR2擴展頁0寄存器的SYNC_ENET_EN位為1（Reg0x1C:13=1），便可使能同步以太網模式。

　　4.4DP83640時鐘結構

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

圖1.同步以太網模式被禁止的DP83640內部時鐘

　　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。從接收的以太網包數據流中恢復接收時鐘，并鎖定到對接點中的發送時鐘。在正常工作時，利用IEEE1588PTP包將從器件中的PTP時鐘和計數器與主器件中的PTP時鐘和計數器相匹配。通過控制速率調節邏輯可完成這種匹配。

　　使能同步以太網模式時，將PTP時鐘，數字計數器和PTP速率調節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）。這具有將從系統的PTP時鐘和計數器鎖定到主系統的PTP時鐘和計數器的效果。最后，同步精確性會顯著增加（參見圖3）。

圖2.同步以太網模式被使能的DP83640內部時鐘

圖3.在點對點網絡拓撲中同步以太網模式使能的DP83640的工作框圖

　　4.5系統拓撲的考慮

　　如前所述，為了以同步以太網模式工作，主結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數字計數器和PTP時鐘時的默認配置。如果在主系統中采用一個外部的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從結點能工作在同步以太網模式而在主PTP時鐘結點去利用一個DP83640器件。將一個外部PTP時鐘與任何以太網物理層接口器件（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通道同步到主PTP時鐘的一個多口集線器或者開關結構，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構

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

圖5.兩端口的同步轉發器系統

　　5.0典型應用

　　同步以太網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，一個主系統會觸發一個激勵，例如能量突波，每個從結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。若在同步以太網模式使能時給定1ns的峰峰值精度，采用125MHz輸出時鐘可以將幾個儀器與采樣數據同步觸發。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絡傳遞，當使能同步以太網模式時，本地振蕩器的穩定性并不是一個重要的誤差來源。

　　從屬結點的穩定性直接取決于其相應PTP連接主結點的穩定性。因此，不需要特別的環境控制來維持同步精度。采用一個高穩定性的OCXO的從結點將會實現相同于標準25MHz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點的輸出信號與從結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。采用主信號來觸發示波器，依靠主觸發信號來測量從信號時間。

　　有些示波器有直方圖功能。通過累計從結點輸出信號的大量采樣，可確定從結點到主結點相對同步的統計信息。在IEEE1588應用中，一般通過將主器件的一個秒脈沖（PPS）觸發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，可以使用輸出觸發器（包括一個周期性的PPS輸出觸發），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。參見圖6。

圖6.同步測量的設置

　　根據本應用注釋的用途，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OCXO25MHz參考時鐘源。從器件采用OCXO和晶振，以此表明同步以太網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等正常條件下進行測量。采用了Tektronix784C示波器。

　　7.0測量結果

　　表1總結了在正常條件下同步數據的長時間（幾個小時）累計。統計數據代表了主示波器觸發信號和相應的從信號在擴展周期內測量的時間。在數據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代表了同步以太網模式禁止時采集的同步數據。主從器件利用非常穩定的OCXO參考時鐘源測量數據?？梢钥吹?，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5ns，最大峰峰值約為48ns。

　　測試編號2（圖8）表示了同步以太網模式禁止時在相同配置中采集的數據，但是將晶振作為一個從參考時鐘源來比較。可以發現，在測量的最大峰峰值約為119ns時，標準偏差幾乎倍增到約9.5ns。如果最大峰峰值結果大于100ns，就不可能得到一個穩定的10MHz信號直方圖跡線，所以會采用1MHz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模式時標準偏差約為80ps，此時峰峰值測量約為900ps。測得的精度比采用同步以太網模式禁止時的相應數據高出50倍以上（測試編號1，圖7）。

　　測試編號4（圖10）顯示了同步以太網模式使能時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鐘源以進行比較。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模式提供的對本地時鐘不穩定性的抗干擾能力。與以太網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輸出同步的數據作比較。數據表明，當標準偏差與類似的10MHzCLK_OUT數據（測試編號3）可比擬時，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，125MHz主時鐘到從時鐘輸出的性能與10MHz條件下的性能可比擬。

表1.同步輸出測試結果

　　8.0結論

　　通過提供的經驗數據，能清楚地說明美國國家半導體DP83640的同步以太網模式特性的優點?？梢钥吹剑揭蕴W模式使能與同步以太網模式禁止時在類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使能的網絡環境中，同步以太網模式是很有用的。同步以太網模式對于網絡鏈路上主時鐘源需要精密鎖定擴展的應用，或者在同步從系統須與本地參考時鐘的不穩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模式，必須滿足要求的網絡拓撲限制。這些限制包括將主PTP時鐘對主物理層時鐘的相位鎖定，以及在鎖頻網絡鏈路上，將鎖相的主PTP時鐘結點和從PTP時鐘結點直接相連。