LMK0480X holdover 功能分析

 摘要

本文首先主要介紹了TI 的新一代時(shí)鐘產(chǎn)品LMK0480X 的holdover 功能和指標(biāo)，以及在新一代的無(wú)線C-RAN 網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)LMK0480X holdover 的指標(biāo)分析，證明LMK04808 完全滿足通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘倒換的需求。

1、Holdover 功能的引入

在目前的通信系統(tǒng)當(dāng)中，無(wú)論是有線還是無(wú)線，都是一個(gè)時(shí)鐘同步系統(tǒng)。參考時(shí)鐘從宿源端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備;為了提高系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性，同時(shí)為了提高系統(tǒng)中設(shè)備對(duì)于不同應(yīng)用的靈活性，一般都有超過(guò)一路的參考時(shí)鐘輸入到設(shè)備中。當(dāng)設(shè)備中的時(shí)鐘單元在這些輸入的參考時(shí)鐘中切換時(shí)，要使時(shí)鐘單元的輸出要保持性能和時(shí)鐘的穩(wěn)定性，這就要求時(shí)鐘電路具備holdover 功能，支持參考時(shí)鐘hitless 切換。

以往的模擬時(shí)鐘電路中所謂的holdover 功能，只是當(dāng)發(fā)生時(shí)鐘切換時(shí)，鑒相器的電荷泵被強(qiáng)制輸出到VCC/2;但某些情況下，時(shí)鐘鎖定時(shí)的電荷泵電壓和VCC/2 差別比較大，這樣在時(shí)鐘切換的過(guò)程中，輸出時(shí)鐘的跳變可能會(huì)超出系統(tǒng)所能允許的范圍，造成系統(tǒng)的時(shí)序紊亂。

在TI 最新的時(shí)鐘去抖芯片LMK048XX 系列中，增加了電荷泵電壓跟蹤電路;這個(gè)電路實(shí)時(shí)采樣電荷本電壓并且保存更新到芯片的集成DAC 上;當(dāng)芯片在輸入時(shí)鐘切換的過(guò)程中，電荷泵電壓輸出切換到DAC 的輸出上，這樣在參考時(shí)鐘切換前后，壓控電壓變化非常微小，保證了系統(tǒng)時(shí)鐘的穩(wěn)定性。

LMK0480XX 系列時(shí)鐘器件的Holdover 功能是真正的hitless switch，下面的章節(jié)將詳細(xì)介紹holdover 的整個(gè)過(guò)程及相關(guān)的指標(biāo)。

2、LMK0480x 系列產(chǎn)品holdover 功能介紹

LMK048xx 系列是TI 推出的新一代時(shí)鐘去抖芯片，采用了兩級(jí)鎖相環(huán)級(jí)聯(lián)的架構(gòu)。第一級(jí)鎖相環(huán)，利用窄帶環(huán)路濾波器和外部VCXO，主要完成對(duì)輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘去抖;第二級(jí)環(huán)路濾波器主要利用高性能的內(nèi)部鎖相環(huán)生成系統(tǒng)需要的各種時(shí)鐘。上文提到的Holdover 功能是第一級(jí)鎖相環(huán)具備的功能。

Figure 1 LMK0480X holdover 架構(gòu)

上圖是LMK048XX holdover 的功能框圖。其中，CLKin0 和CLKin1 分別是來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)參考時(shí)鐘，選擇一路作為時(shí)鐘芯片以及系統(tǒng)的主時(shí)鐘。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)生主從倒換或者業(yè)務(wù)切換時(shí)，時(shí)鐘芯片的參考時(shí)鐘也隨之切換。觸發(fā)參考時(shí)鐘切換的條件可以為a. PLL1 的DLD 狀態(tài)，b.外部管腳的硬件控制，c. 內(nèi)部寄存器控制。下面的討論我們假定切換是以PLL1 的DLD 狀態(tài)觸發(fā)的。

當(dāng)LMK048XX holdover 功能使能時(shí)，一個(gè)完整的參考切換過(guò)程如下圖所示，主要分為如下幾個(gè)步驟：

Figure 2 LMK0480X holdover 流程

Step1： PLL1 正常鎖定在CLKin0， PLL1 DLD 為高;LMK048XX 集成的counter ADC 跟蹤VCXO 的壓控電壓并更新集成的counter DAC， 更新的速率為PDF/DAC_CLK_DIV，每個(gè)更新周期內(nèi)上升或下降一個(gè)LSB。

Step2：當(dāng)CLKin0 由于某些原因丟失或出現(xiàn)比較大的頻率誤差時(shí)，PLL1 的鑒相誤差超過(guò)鎖定窗口(PLL1_WND_SIZE)，DLD 為低;DLD 為低時(shí)，ADC 停止跟蹤壓控電壓及更新DAC，DAC 的輸出保持在最后鎖定時(shí)的壓控電壓;DLD 拉低同時(shí)觸發(fā)LMK048XX 進(jìn)入holdover 狀態(tài)，內(nèi)部開關(guān)切換VCXO 的壓控電壓到DAC 輸出。

在這個(gè)過(guò)程中，由于ADC/DAC 的DNL 誤差(+/-2LSB)，導(dǎo)致輸出頻率與鎖定頻率之間產(chǎn)生了頻率誤差，可以根據(jù)以下公式得到頻率誤差或頻率準(zhǔn)確度：

Equation 1

一般情況下，holdover 的頻率誤差可以控制在0.5ppm。進(jìn)入holdover 功能以后，VCXO 的頻率穩(wěn)定度主要取決于VCXO 以及LMK048XX 自身的溫度特性。

Step3： 當(dāng)芯片檢測(cè)到CLKin1 的有效參考輸入后，LMK048XX 不會(huì)立即退出holdover;VCXO 的輸出首先會(huì)與CLKin1 的參考輸入進(jìn)行鑒相，只有連續(xù)HOLDOVER_DLD_CNT 個(gè)鑒相周期頻率誤差小于PLL1_WND_SIZE，LMK0480XX 將會(huì)退出holdover。按照最差情況下，如果要滿足退出條件，CLKin1 和VCO 的頻率誤差應(yīng)該滿足：

Equation 2

退出holdover 所用的時(shí)間與CLKin1 和VCXO 的初始相位有關(guān)，考慮最差的情況，退出holdover 所用的時(shí)間為：

Equation 3

Step 4: 當(dāng)LMK048XX 退出holdover 以后，VCXO 的Vtune 電壓切回到PLL1 charge pump 輸出，同時(shí)CLKin1 和VCXO 開始鎖相。由于在退出holdover 的過(guò)程中，VCXO 和CLKin1 的相位已經(jīng)相當(dāng)接近(PLL1_WND_SIZE)，所以在重新鎖定的過(guò)程中，VCXO 和CLKin1 的相位誤差迅速減小，滿足小于PLL1_WND_SIZE。一般情況下，這個(gè)時(shí)間不會(huì)大于20ms。

在LMK048XX 中，為了使芯片穩(wěn)定鎖定，VCXO 和CLKin1 的誤差必須連續(xù)PLL1_DLD_CNT 個(gè)鑒相周期小于PLL1_WND_SIZE，DLD 才會(huì)置高上報(bào)芯片重新鎖定。重新鎖定的時(shí)間：

Equation 4

Step 5：當(dāng)芯片再次鎖定，DLD 重新置高，觸發(fā)集成的ADC 重新跟蹤VCXO 的壓控電壓，并開始更新DAC 輸出。

由于DAC 是coutner 型DAC，更新的速率為每個(gè)工作周期增加或降低一個(gè)1LSB。當(dāng)考慮最差情況下，DAC 更新到VCC/2 的時(shí)間為：

Equation 5

LMK048XX 要求PFD/DAC_CLK_DIV < 100KHz，以保證DAC 的更新速度。

至此，LMK048XX 已經(jīng)完成了輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘的整個(gè)平滑切換，進(jìn)入了重新鎖定的狀態(tài)。

3、Holdover 功能的參數(shù)設(shè)置

3.1 Holdover 功能的配置

使用holdover 功能，必須首先Holdover_Mode = Enable;在絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，內(nèi)部的DAC 輸出需要跟蹤 VCXO Vtune 電壓，所以EN_Track = 1; 并且跟蹤電路的正常工作需要在PLL1 鎖定之前設(shè)置EN_Track =1;否則，當(dāng)PLL1 鎖定之后，設(shè)置EN_Track=1 并不能使DAC 輸出跟蹤Vtune 電壓。

DAC 的電壓也可以是手動(dòng)設(shè)置，此時(shí)需要EN_MAN_DAC = 1;同時(shí)LMK0480X 提供了兩個(gè)寄存器，DAC_Low_Trip 和DAC_High_Trip, 用于設(shè)置DAC 輸出電壓的上下門限。

觸發(fā)芯片進(jìn)入holdover 狀態(tài)，可以是以下任一條件：

Ø Force_holdover = 1;

Ø PLL1 失鎖 或DLD =0;

Ø Vtune 或DAC 跟蹤電壓超出DAC_Low_Trip 和DAC_High_Trip;

在使用的過(guò)程中，需要根據(jù)不同的系統(tǒng)需求選擇合適的holdover 觸發(fā)條件;從目前來(lái)看，大部分應(yīng)用場(chǎng)景選擇PLL1 失鎖或DLD = 0 觸發(fā)holdvoer 狀態(tài)。

最后還需要配置Holdover_DLD_CNT 以及DAC_CLK_DIV,這兩個(gè)寄存器的功能在第二章中已經(jīng)介紹。

3.2 Holdover 參數(shù)配置的注意事項(xiàng)

當(dāng)系統(tǒng)上電開始工作是， CLKin0 或CLKin1 來(lái)自光纖的恢復(fù)時(shí)鐘， 性能并不穩(wěn)定。若Holdover_DLD_CNT 和PLL1_DLD_CNT 值設(shè)置比較小，LMK0480X 很容易進(jìn)入鎖定狀態(tài)，本地時(shí)鐘VCXO鎖定CLKin 輸入信號(hào)，同時(shí)DAC 開始跟蹤VCXO 的Vtune 電壓;但前面提到，通常CLKin 在剛開始工作時(shí)并不穩(wěn)定，某些情況下CLKin 的輸入可能漂出VCXO 的頻率調(diào)整范圍，導(dǎo)致器件重新失鎖并進(jìn)入holdover 狀態(tài)，并且此時(shí)holdover 輸出電壓可能為3.3V 或0V;在這之后，CLKin 的頻率漸趨穩(wěn)定，但CLKin 的頻率和VCXO(Vtune = 0V 或 3.3V)的頻率不能滿足退出holdover 的條件，出現(xiàn)了LMK0480X 無(wú)法退出holdover 的情況。如下圖PartA 部分所示。因此，在holdover 功能電路設(shè)計(jì)中，通常適當(dāng)?shù)脑黾覲LL1_DLD_CNT 和HOLDOVER_DLD_CNT 的值，使得退出和鎖定的判決條件更為苛刻，只有當(dāng)CLKin 穩(wěn)定時(shí)，才會(huì)退出holdover，進(jìn)入鎖定。如下圖PartB 部分所示。

另一方面，在第二章中分析得到，當(dāng)PLL1_DLD_CNT 和HOLDOVER_DLD_CNT 的值過(guò)大時(shí)，會(huì)影響時(shí)鐘切換的整個(gè)時(shí)長(zhǎng)，所以在應(yīng)用中，PLL1_DLD_CNT 和HOLDOVER_DLD_CNT 值得選取，是一個(gè)折中的過(guò)程;同時(shí)也可以通過(guò)芯片的配置流程對(duì)這個(gè)問(wèn)題加以改善。

Figure 3 上電時(shí)參考時(shí)鐘和holdover 關(guān)系

4、Holdover 功能在無(wú)線RRU 中應(yīng)用的需求分析

4.1 C-RAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

隨著電信業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展與用戶行為的不斷變化，無(wú)線接入網(wǎng)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)：大量站點(diǎn)導(dǎo)致高能耗，網(wǎng)絡(luò)的資本支出與運(yùn)維成本逐年增高;站點(diǎn)資源難以獲取;復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境致使無(wú)線覆蓋質(zhì)量不高，潮汐效應(yīng)導(dǎo)致部分基站利用率低下……面對(duì)技術(shù)、成本、資源和安全等多個(gè)問(wèn)題 ，2010 年4 月，中國(guó)移動(dòng)提出新一代綠色無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)C-RAN。

Figure 4 RAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

C-RAN 架構(gòu)是在分布式基站基礎(chǔ)上的進(jìn)一步創(chuàng)新，通過(guò)基帶集中處理(Centralized)、協(xié)作式無(wú)線電技術(shù)(Collaborative)以及實(shí)時(shí)云架構(gòu)(Cloud)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享以及動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入網(wǎng)的綠色高效(Clean)并面向未來(lái)平滑演進(jìn)，提供更大的帶寬和更靈活的多標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)支持，如圖4 所示。

4.2 C-RAN 網(wǎng)絡(luò)中環(huán)形倒換對(duì)時(shí)鐘指標(biāo)的要求

在C-RAN 組網(wǎng)中，如圖5，基帶集中RRU 拉遠(yuǎn)需要光纖互聯(lián)，采用多級(jí)級(jí)聯(lián)和環(huán)形組網(wǎng)，一方面各站點(diǎn)RRU 通過(guò)光纖接入環(huán)采用環(huán)形組網(wǎng)方式接入BBU，有效節(jié)省光纖資源，另一方面這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)支持環(huán)網(wǎng)倒換保護(hù)功能，充分保證網(wǎng)絡(luò)安全和可靠性，即當(dāng)任何一段光纖意外損壞或者鏈路中任一個(gè)RRU損壞， 會(huì)自動(dòng)倒換到反向鏈路， 從而不會(huì)影響上級(jí)或下級(jí)RRU 的正常工作。