SDH設(shè)備時鐘(SEC)是SDH光傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，是SDH設(shè)備構(gòu)建同步網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是同步數(shù)字體系(SDH)可靠工作的前提。SEC的核心部件由鎖相環(huán)" title="鎖相環(huán)">鎖相環(huán)構(gòu)成,。網(wǎng)元通過鎖相環(huán)跟蹤同步定時基準(zhǔn)，并通過鎖相環(huán)的濾波特性對基準(zhǔn)時鐘在傳輸過程中產(chǎn)生的抖動和漂移進(jìn)行過濾,。而當(dāng)基準(zhǔn)源不可用時,，則由SEC提供本地的定時基準(zhǔn)信息，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的時鐘輸出,。
　　SEC需要滿足ITU-T G.813建議^[1]中的相關(guān)指標(biāo)要求,。SEC可以工作在自由振蕩、跟蹤,、保持三種模式下,，并且能夠在三種模式之間進(jìn)行平滑切換。由于ITU-T G.813建議規(guī)定的SEC帶寬較窄（-3db帶寬在1～10Hz內(nèi)）,，且需要在三種工作模式下輸出穩(wěn)定的時鐘,，同時還要保證在三種模式切換過程中輸出時鐘穩(wěn)定（即平滑切換）,，采用模擬鎖相環(huán)（APLL）很難實(shí)現(xiàn)。因此一般采用數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）實(shí)現(xiàn)SEC^[2],；也有許多芯片廠商直接采用單片集成電路芯片實(shí)現(xiàn)SEC,，如SEMTECH公司的ACS8520^[3]等。
??? 本文介紹一種采用單片現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片實(shí)現(xiàn)SEC功能的方案,，在此將用FPGA設(shè)計(jì)的SEC功能芯片命名為TSP8500,。
1 TSP8500芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理
　　TSP8500芯片采用Altera公司的EP2C5T144-8 FPGA實(shí)現(xiàn)。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

　　TSP8500提供兩類時鐘輸出接口：①給SDH網(wǎng)元系統(tǒng)中各功能模塊提供38.88MHz系統(tǒng)時鐘" title="系統(tǒng)時鐘">系統(tǒng)時鐘sysclkout和2kHz系統(tǒng)幀頭信號sysfpout,；②給其他網(wǎng)元設(shè)備提供2.048MHz的外同步輸出基準(zhǔn)時鐘ext_clk_out。
　　該芯片需要外部輸入一路19.44MHz的本地時鐘,，通過FPGA的內(nèi)部PLL(鎖相環(huán)1)倍頻后得到311.04MHz高速時鐘,，作為芯片內(nèi)部數(shù)字鎖相環(huán)的工作時鐘。當(dāng)所有參考源丟失時,，為保證SEC仍然能夠輸出高質(zhì)量的時鐘,，本地時鐘一般采用高穩(wěn)定度的溫補(bǔ)晶振(TCXO)或者恒溫晶振（OCXO）提供。
　　該芯片還提供微處理器接口,，用于各數(shù)字鎖相環(huán)的參考源選擇,、工作模式的設(shè)置以及芯片內(nèi)部工作狀態(tài)的查詢。
1.1 系統(tǒng)時鐘的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　從圖1可以看出,，芯片輸出的系統(tǒng)時鐘sysclkout，主要由一路全數(shù)字鎖相環(huán)（ADPLL）^[4],、主備互鎖模塊（實(shí)際上也是一路ADPLL）和FPGA的內(nèi)部PLL (鎖相環(huán)2)共同完成,。
　　該芯片可以從輸入時鐘中任選1路作為參考時鐘進(jìn)行跟蹤。應(yīng)用該芯片時,，用戶通過微處理器接口設(shè)置參考源的優(yōu)先級表（Priority table）后,，芯片便可根據(jù)參考源的質(zhì)量等級自動選擇最優(yōu)的參考源進(jìn)行鎖相跟蹤。
　　在TSP8500芯片中設(shè)計(jì)的ADPLL和其他類型的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)基本一致,，主要由鑒相器,、邏輯濾波器和數(shù)控時鐘產(chǎn)生器" title="時鐘產(chǎn)生器">時鐘產(chǎn)生器三部分組成。SEC要求在保持模式下仍然能夠輸出高質(zhì)量的時鐘,，所以在用于產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘的ADPLL中,，增加了保持?jǐn)?shù)據(jù)模塊。
　　系統(tǒng)時鐘工作在跟蹤模式時,，通過ADPLL環(huán)路實(shí)現(xiàn)輸出系統(tǒng)時鐘和參考時鐘的同步,。同時，將頻率控制字?jǐn)?shù)據(jù)保存在FPGA內(nèi)部自帶的RAM中（即圖1中的保持?jǐn)?shù)據(jù)模塊）,。當(dāng)所有參考源丟失時,，SEC進(jìn)入保持工作模式,，芯片將保持?jǐn)?shù)據(jù)模塊中保存的頻率數(shù)據(jù)按先進(jìn)后出的方式取出，對數(shù)控時鐘產(chǎn)生器進(jìn)行控制,，保證了系統(tǒng)時鐘在保持模式下仍然能夠輸出高質(zhì)量的時鐘,。
　　系統(tǒng)時鐘工作在自由振蕩模式時，由高頻時鐘直接自由分頻" title="分頻">分頻得到系統(tǒng)時鐘,。
　　根據(jù)ITU-T G.813建議要求,，SEC帶寬較窄（-3db帶寬在1～10Hz內(nèi)）。在邏輯濾波器模塊,，采用FPGA內(nèi)部的數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)二階線性濾波器,，滿足了SEC噪聲傳遞特性的要求。為了靈活應(yīng)用,，濾波器的環(huán)路帶寬可以通過微處理器接口進(jìn)行靈活調(diào)整,。當(dāng)參考源切換時，通過濾波器的平滑設(shè)計(jì),，保證了頻率控制字緩慢變化,，可靠地實(shí)現(xiàn)了參考源的平滑切換。
數(shù)控時鐘產(chǎn)生器模塊由高頻時鐘在頻率控制字的作用下進(jìn)行受控分頻得到,。為了減小數(shù)控時鐘產(chǎn)生器輸出時鐘在受控分頻過程中產(chǎn)生的數(shù)字相位噪聲,，TSP8500芯片設(shè)計(jì)時采用了獨(dú)特的“微小相位調(diào)整技術(shù)”，使數(shù)控時鐘產(chǎn)生器輸出時鐘的Cycle-Cycle抖動僅0.4ns,。
　　SEC一般都采用主備備份設(shè)計(jì),。由于SEC本身的帶寬較窄，俘獲速度較慢,，當(dāng)主備SEC跟蹤同一路參考源時,，無法時刻保持主備SEC相位同步。設(shè)計(jì)中增加了主備互鎖模塊,，保證了主備相位的快速同步,。主備互鎖模塊也由ADPLL實(shí)現(xiàn)，但其環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)的較寬,，俘獲速度很快,，足以保證主備相位準(zhǔn)確同步。SEC工作在主模式時,，主備互鎖模塊直接鎖定本板的全數(shù)字鎖相環(huán)ADPLL輸出的時鐘,；而當(dāng)SEC工作在備模式時，主備互鎖模塊鎖定對板送來的系統(tǒng)時鐘RDSYSCLK,。
主備互鎖模塊輸出的時鐘,，仍然有0.4ns的相位抖動。在這里通過FPGA自帶的PLL（鎖相環(huán)2）進(jìn)行相位平滑。
　　主板的系統(tǒng)幀頭直接由主板的38.88MHz時鐘自由分頻得到,。而備板的系統(tǒng)幀頭,，則由本板的系統(tǒng)時鐘在主板送來的同步幀頭受控下分頻產(chǎn)生。由于主備系統(tǒng)時鐘的相位同步了,，所以保證了系統(tǒng)幀頭的相位同步,。
1.2 外同步時鐘" title="同步時鐘">同步時鐘的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　芯片輸出的外同步時鐘ext_clk_out由一路ADPLL實(shí)現(xiàn)。
　　外同步時鐘可以從輸入時鐘或系統(tǒng)時鐘中任選一路作為參考時鐘進(jìn)行跟蹤,；通過微處理器接口進(jìn)行選源,。
　　外同步時鐘環(huán)路的濾波設(shè)計(jì)，也由FPGA內(nèi)部的數(shù)字邏輯直接實(shí)現(xiàn),，但是環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)得比較寬,。當(dāng)進(jìn)行參考源切換時，ADPLL會短暫地進(jìn)入保持工作模式,，保證了輸出時鐘的穩(wěn)定,。
　　由于外時鐘頻率為2.048MHz，不能由311.04MHz時鐘整數(shù)分頻得到,，所以數(shù)控時鐘產(chǎn)生器模塊采用了小數(shù)受控分頻設(shè)計(jì),。由于采用了小數(shù)分頻，數(shù)控時鐘產(chǎn)生器輸出的外同步時鐘的相位抖動為0.8ns,。
　　鑒于FPGA的PLL資源限制,，外同步時鐘沒有采用APLL進(jìn)行濾抖，而是直接由數(shù)控時鐘產(chǎn)生器輸出,。但是輸出時鐘的相位抖動也遠(yuǎn)遠(yuǎn)能夠滿足小于0.05UI的要求,。
2 輸出時鐘的性能指標(biāo)測試
　　對TSP8500芯片輸出的系統(tǒng)時鐘和外同步時鐘的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測試。下面主要給出時鐘的抖動特性以及鎖定模式下SEC的相位漂移特性和保持模式下SEC的相位漂移特性,。
2.1 輸出時鐘抖動特性
　　將高速示波器設(shè)置為“長余暉”模式,，測試TSP8500輸出的系統(tǒng)時鐘sysclkout和外同步時鐘ext_clkout的信號波形，得到輸出時鐘的P-P抖動特性,。其中sysclkout時鐘的P-P抖動小于100ps；ext_clkout時鐘的P-P抖動小于2ns,。
2.2 SEC的相位漂移特性
　　測試方法如圖2所示,。

　　采用銣鐘作為測試時鐘基準(zhǔn)源?；鶞?zhǔn)時鐘送TSP8500進(jìn)行跟蹤,，同時送時間間隔分析儀。
　　TSP8500的系統(tǒng)時鐘sysclkout的參考源,，通過CPU接口選定為時鐘基準(zhǔn)源送來的2.048MHz時鐘,。由于系統(tǒng)時鐘sysclkout輸出為38.88MHz，不便于用時間間隔分析儀進(jìn)行測試，所以采用外同步時鐘ext_clk_out接口輸出2.048MHz時鐘送時間間隔分析儀進(jìn)行TIE曲線的測試,；而ext_clk_out時鐘的參考源,，則通過CPU接口選擇sysclkout時鐘。
　　在跟蹤模式下,，圖2中的開關(guān)K閉合,，測試24小時后得到的MTIE/TDEV曲線，如圖3所示,。

　　從圖3的測試結(jié)論來看,，TSP8500跟蹤模式下的相位漂移特性滿足ITU-T G.813建議要求。
跟蹤24小時后,，將圖2的開關(guān)K斷開,，TSP8500的系統(tǒng)時鐘自動進(jìn)入保持工作模式，繼續(xù)用時間間隔分析儀表測試24小時,，得到保持模式下的MTIE/TDEV曲線,，如圖4所示。