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1、德州仪器德州仪器 LMK0480XLMK0480XLMK0480XLMK0480X holdoverholdoverholdoverholdover 的功能分析的功能分析工控摘要：工控摘要：本文首先主要介绍了 TI 的新一代时钟产品 LMK0480X 的 holdover 功能和指标，以及在新一代的无线 C-RAN 网络中的应用。通过对 LMK0480X holdover 的指标分析，证明 LMK04808 完全满足通信网络的时钟倒换的需求。1 1 1 1、HoldoverHoldoverHoldoverHoldover 功能的引入功能的引入在目前的通信系统当中，无论是有线还是无线，都是一个时
2、钟同步系统。参考时钟从宿 源端通过网络传递给系统中的各个设备； 为了提高系统中各个设备的稳定性， 同时为了提高 系统中设备对于不同应用的灵活性， 一般都有超过一路的参考时钟输入到设备中。 当设备中 的时钟单元在这些输入的参考时钟中切换时， 要使时钟单元的输出要保持性能和时钟的稳定性，这就要求时钟电路具备 holdover 功能，支持参考时钟 hitless 切换。以往的模拟时钟电路中所谓的 holdover 功能，只是当发生时钟切换时，鉴相器的电荷泵被强制输出到 VCC/2；但某些情况下，时钟锁定时的电荷泵电压和 VCC/2 差别比较大，这样在时钟切换的过程中， 输出时钟的跳变可能会超出系统所
3、能允许的范围， 造成系统的时 序紊乱。在 TI 最新的时钟去抖芯片 LMK048XX 系列中，增加了电荷泵电压跟踪电路；这个电路实时采样电荷本电压并且保存更新到芯片的集成 DAC 上；当芯片在输入时钟切换的过程中，电荷泵电压输出切换到 DAC 的输出上，这样在参考时钟切换前后，压控电压变化非常微小，保证了系统时钟的稳定性。LMK0480XX 系列时钟器件的 Holdover 功能是真正的 hitless switch，下面的章节将详细介绍 holdover 的整个过程及相关的指标。2 2 2 2、LMK0480xLMK0480xLMK0480xLMK0480x 系列产品系列产品 holdove
4、rholdoverholdoverholdover 功能介绍功能介绍LMK048xx 系列是 TI 推出的新一代时钟去抖芯片，采用了两级锁相环级联的架构。第一级锁相环，利用窄带环路滤波器和外部 VCXO，主要完成对输入参考时钟去抖；第二级环路滤波器主要利用高性能的内部锁相环生成系统需要的各种时钟。上文提到的 Holdover功能是第一级锁相环具备的功能。上图是 LMK048XX holdover 的功能框图。其中，CLKin0 和 CLKin1 分别是来自网络的两个参考时钟， 选择一路作为时钟芯片以及系统的主时钟。 当网络设备发生主从倒换或者业务切换时， 时钟芯片的参考时钟也随之切换。 触发参
5、考时钟切换的条件可以为 a. PLL1 的DLD 状态， b.外部管脚的硬件控制， c. 内部寄存器控制。 下面的讨论我们假定切换是以 PLL1的 DLD 状态触发的。当 LMK048XX holdover 功能使能时，一个完整的参考切换过程如下图所示，主要分为如下几个步骤：Step1： PLL1 正常锁定在 CLKin0， PLL1 DLD 为高；LMK048XX 集成的 counterADC跟 踪 VCXO的 压 控 电 压 并 更 新 集 成 的 counter DAC ，更 新 的 速 率 为PDF/DAC_CLK_DIV，每个更新周期内上升或下降一个 LSB。Step2：当 CLKi
6、n0 由于某些原因丢失或出现比较大的频率误差时，PLL1 的鉴相误差超过锁定窗口（PLL1_WND_SIZE） ，DLD 为低；DLD 为低时，ADC 停止跟踪压控电压及更新 DAC， DAC 的输出保持在最后锁定时的压控电压； DLD 拉低同时触发 LMK048XX 进入 holdover 状态，内部开关切换 VCXO 的压控电压到 DAC 输出。3 3 3 3、HoldoverHoldoverHoldoverHoldover 功能的参数设置功能的参数设置功能的参数设置功能的参数设置3.1 Holdover 功能的配置使 holdover 功能，必须先 Holdover_Mode = Ena
7、ble;在绝多数的应场景，内部的 DAC 输出需要跟踪 VCXO Vtune 电压， 所以 EN_Track = 1; 并且跟踪电路的正常作需要在 PLL1 锁定之前设置 EN_Track =1；否则，当 PLL1 锁定之后，设置 EN_Track=1 并不能使 DAC 输出跟踪 Vtune 电压。DAC 的电压也可以是动设置，此时需要 EN_MAN_DAC = 1;同时 LMK0480X 提供了两个寄存器，DAC_Low_Trip 和 DAC_High_Trip， 于设置 DAC 输出电压的上下门限。触发芯进 holdover 状态，可以是以下任条件：? Force_holdover = 1
8、;? PLL1 失锁 或 DLD =0;? Vtune 或 DAC 跟踪电压超出 DAC_Low_Trip 和 DAC_High_Trip;在使的过程中，需要根据不同的系统需求选择合适的 holdover 触发条件；从前来看，部分应场景选择 PLL1 失锁或 DLD = 0 触发 holdvoer 状态。最后还需要配置 Holdover_DLD_CNT 以及 DAC_CLK_DIV，这两个寄存器的功能在第章中已经介绍。3.2 Holdover 参数配置的注意事项当系统上电开始作是， CLKin0 或 CLKin1 来光纤的恢复时钟， 性能并不稳定。若 Holdover_DLD_CNT 和 PL
9、L1_DLD_CNT 值设置较，LMK0480X 很容易进锁定状态，本地时钟 VCXO 锁定 CLKin 输信号，同时 DAC 开始跟踪 VCXO 的 Vtune 电压；但前提到，通常 CLKin 在刚开始作时并不稳定，某些情况下 CLKin 的输可能漂出VCXO 的频率调整范围，导致器件重新失锁并进 holdover 状态，并且此时 holdover 输出电压可能为3.3V 或0V； 在这之后， CLKin 的频率渐趋稳定， 但 CLKin 的频率和 VCXO （Vtune= 0V 或 3.3V） 的频率不能满退出 holdover 的条件， 出现了 LMK0480X 法退出 holdove
10、r的情况。如下图 PartA 部分所。因此，在 holdover 功能电路设计中，通常适当的增加PLL1_DLD_CNT 和 HOLDOVER_DLD_CNT 的值，使得退出和锁定的判决条件更为苛刻，只有当 CLKin 稳定时，才会退出 holdover，进锁定。如下图 PartB 部分所。另，在第章中分析得到，当 PLL1_DLD_CNT 和 HOLDOVER_DLD_CNT 的值 过 时 ， 会 影 响 时 钟 切 换 的 整 个 时 长 ， 所 以 在 应 中 ， PLL1_DLD_CNT 和HOLDOVER_DLD_CNT 值得选取，是个折中的过程；同时也可以通过芯的配置流程对这个问题
11、加以改善。Figure 3 上电时参考时钟和 holdover 关系4 4 4 4、HoldoverHoldoverHoldoverHoldover 功能在线功能在线功能在线功能在线 RRURRURRURRU 中应的需求分析中应的需求分析中应的需求分析中应的需求分析4.1 C-RAN 络架构的优势随着电信业务的蓬勃发展与户为的不断变化，线接正临着前所未有的挑战：量站点导致能耗，络的资本出与运维成本逐年增;站点资源难以获取;复杂的络环境致使线覆盖质量不，潮汐效应导致部分基站利率低下对技术、成本、资源和安全等多个问题 ，2010 年4 ，中国移动提出新代绿线接架构 C-RAN。Figure 4 R
12、AN 网络架构C-RAN 架构是在分布式基站基础上的进步创新，通过基带集中处理（Centralized）、协作式线电技术（Collaborative）以及实时云架构（Cloud） ，实现络资源共享以及动态的络负载均衡，实现线接的绿效（Clean）并向未来平滑演进，提供更的带宽和更灵活的多标准运营持，如图4 所。4.2 C-RAN 络中环形倒换对时钟指标的要求在 C-RAN 组中，如图5，基带集中 RRU 拉远需要光纤互联，采多级级联和环形组， 各站点 RRU 通过光纤接环采环形组式接 BBU， 有效节省光纤资源，另这种组结构持环倒换保护功能， 充分保证络安全和可靠性， 即当任何段光纤意外损坏或
13、者链路中任个 RRU 损坏， 会动倒换到反向链路， 从不会影响上级或下级 RRU 的正常作。Figure 5 C-RAN 环形布网RRU 级联系统在正常工作中，每个 RRU 的系统参考时钟来自上一级 RRU；当 RRU 在完成环网倒换过程中， RRU 的系统参考时钟的来源也会切换， 从切换前的来自上一级 RRU切换到另一侧的 RRU；在整个切换的过程中，系统时钟必须保持一定的稳定度和准确度，从而保证现有用户不掉话，保证通话 MOS 和数据业务吞吐率。以 TD-LTE 系统为例，基站具体的时钟需求如下：不同基站间空口同步信号相对时间误差小于+/-1.5us;基站空口载波频率稳定度优于+/-0.0
14、5ppm;基站输入抖动容限不小于200ns;BBU+多级 RRU 串连级联时空口相对传输输出接口的时间精度小于300ns；在时钟切换的过程中，需要确保数字部分的 FIFO 不要溢出，同时也要考虑频率误差带来的空口同步误差，小于系统的要求+/-300ns。假定在切换过程中，频率误差为 X*10e6 ppm， 每帧长度为 Tf，则造成300ns 的空口误差需要的时间 Ts 为：Equation 6假定 X = 6， Tf = 0.01 S， 则 Ts = 0.3 S， 即整个切换过程必须在0.3 S 内完成，否则频率误差可能造成空口的同步误差，造成 TD 系统的收发切换紊乱。同理，假设 FIFO
15、的工作时钟是 Fclk，当 FIFO 深度为1 时，造成一个码片误差的时间 Te 为：Equation 7当 FIFO = 491.52MHz 时，Te = 2mS. 可以看到这个要求是相当苛刻的；但这个问题可以通过增加 FIFO 的深度来解决。当 FIFO 深度为1000 时，Te = 2 S；但继续增加 FIFO深度已经没有意义，因为瓶颈已经变成了 Ts。通过同时可以看到，当提高切换过程中的频率稳定度，降低频率误差，可以延长切换过 程需要的时间；反之，如果切换过程中频率度很差，则必须快速完成切换，否则很容易造成 客户断链掉话。根 据 第 二 章 中 介 绍 的 LMK048XX系 列 的
16、介 绍 的 holdover功 能 ， 假 定PLL1_WND_SIZE = 40nS ，FPD1 =1.024MHz ，Holdover_DLD_CNT = 4096 ，PLL1_DLD_CNT = 4096， DAC_CLK_DIV = 32， 在整个切换过程中， 总共用时为0.053（ Texit_ holdover ） + 0.024（Tlock ） +0.016（Ttrack ） = 0.093s， 在切换过程中输出时钟的精度保持在0.5ppm。根据前面讨论的 C-RAN 系统需求（切换时间0.3s，频率精度1ppm） ，LMK048XX 完全可以满足环形网络系统在倒换情况下的时钟精度需求。5 5 5 5、总结、总结本文主要介绍了 LMK048XX 系列时钟的 holdover 功能。通过对 C-RAN 系统时钟切换需求的举例分析，证明
