【经验】以Si5348/5345为例介绍如何在无线和基于分组的网络应用中实现主从时序冗余

时间： 2019-10-17 来源：Silicon Labs

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强大的同步分配方案历来是通信网络中必不可少的，尤其是当今不断发展的网络则显得比以往任何时候都更为重要。通信网络之间需要进行同步以便于有效地传输数据，当位置转移时，移动网络依赖于频率和相位同步来支持高速数据传输和管理呼叫切换，并且数据中心需要进行同步来维持一天精确分布式计算和高频交易。因此，重要的是这些系统必须设计有冗余的同步体系结构，以防止单点故障。

广泛使用的同步分发体系结构使用两个集中式定时卡，其中多个线卡通过公共底板进行通信。这种体系结构提供了一个冗余的主从时序系统，其中时序卡用于将系统时钟传送到线卡。两个时序卡提供了冗余，确保了不间断的同步和系统的鲁棒性。而发生故障时，从站将作为主站的备份。在这种类型的体系结构中，一个时序卡被指定为主卡，另一个被指定为从卡。主设备选择输入参考时钟，而从设备（即备用时序卡）密切跟踪主系统时钟，并提供频率和相位与其对齐的冗余系统时钟。万一主控定时卡发生故障，从属设备将迅速成为主设备，而不会中断线卡。

图1 主从时序冗余系统框图

强大的冗余网络同步器对于防止故障情况的系统级保护非常重要，下文将以Si5348和Si5345为例重点介绍使用Silicon Lab产品实现主从定时冗余系统的案例。

1.概览

SILICON LABS为这些时序卡应用提供了诸如Si5348网络同步器之类的产品，该设备符合Stratum 3/3E标准，可用于基于同步以太网/ IEEE1588数据包的应用。Si5348是一款实现IEEE 1588功能的专用网络同步时钟发生器，同时也支持抖动衰减器的功能，它支持I2C/SPI可编程接口、支持7路时钟输出，支持多种时钟域，最高支持718.5MHz时钟信号输出对于线卡应用。Silicon Labs提供了诸如Si5345之类的产品，可提供同步，抖动清除，时钟乘法和高速SerDes时钟。除此之外，Si5348有三路输入信号，Si5348上电后在输入没有的情况下回自动进入free–run模式，当输入信号时，可以将输入源选择手动开启，让锁相环先锁定无输入的源，避开无效恢复时钟。

2.系统配置

以下系统配置是在实验室环境中已设置和测试的特定案例，带宽设置可能会因情况而异，并非强制性。系统加电时，其中一个时序卡被配置为主卡（在图1中的红色显示），另一张被配置为从卡（以灰色显示）。对于此应用，主网络同步器的PLL带宽为0.1 Hz，而从网络同步器的PLL带宽为100 Hz。从站带宽设置得更高，以便快速响应使得从站跟踪主站的运动。

主机配置为具有不同输入时钟的特定优先级，并且启用了无中断切换。从机连接到与主机相同的输入时钟，但配置为跟踪主机。在上面的从属计时卡上，显示为IN1，其他输入连接都是对称的，使从机可以切换到主机模式。线卡被配置为优先采用来自主机输入（图1中线卡IN0中显示）。如果在主机上检测到故障或启动了常规开关，则线卡会自动切换到IN1。线卡上启用了无中断切换，并且PLL（锁相环）带宽设置为100 Hz。

3.主从切换过程的详细信息排序

由于主机上的故障，可能会强制或启动开关。下表显示了在强制主/从切换过程中发生的事件顺序。

表1 强制主/从切换中的事件顺序

主机开始带宽设置为0.1 Hz锁定到外部基准，而从机带宽设置为100 Hz锁定到主机，线卡已锁定到主机。然后，主机处理器在例行主设备到从设备的切换期间强制从设备进入保持状态。处理器将线卡上的输入从主机切换到处于保持状态的从机，线卡锁定到从站，从站将立即配置为原始主站设置。从站被迫退出保持状态，现在被视为新的主站。新的主机使用0.1 Hz带宽设置通过锁定获取对外部基准的锁定，将线卡锁定到新的主机，将旧的主机重新配置为100 Hz带宽的从机，并锁定到新的主机。

下表显示了主服务器故障期间的事件顺序，在这种情况下，从站上检测到LOS（信号丢失）故障，这导致其进入强制保持状态。由于主时钟故障，消除了步骤3，从而使线卡在保持状态下自动切换到从属设备。否则，事件的顺序与例行切换相同。

表2 主机故障期间的事件顺序

4.主从切换下的相位测量

下图显示了Anue 3500测量系统记录的输出瞬态，在Anue系统的输入3上监视25 MHz的输出信号，该信号来自线卡的输出。Anue框架使用与输入线卡相同的GPS作为输入1上的参考，在整个切换过程中记录TIE测量值。在软件序列中添加了一些延迟，以便能够识别不同的步骤，以便于它们可以显示在图形中，但是切换过程中的步骤1至6（来自上表）可能会在几毫秒内发生。结果表明，在主/从开关序列期间，相位瞬变低至1 ns。使用Si5348网络同步器和Si5345线卡时钟IC中已开发出的更高级的功能，可以使步骤7到步骤8退出保持状态变得更小。

图2 Anue 3500测量系统记录的输出瞬态

5.结论

冗余网络同步器用于主/从配置，以便在发生故障时提供系统级保护。当使用高性能网络同步器和线卡PLL时，从主时序卡到从时序卡的切换过程可以在不到1 ns相位瞬变的情况下无缝进行。但在一些冗余复位同步器的使用中可能也存在着一些问题，例如使用多个异步时钟的设计，设计人员需要确保在目标寄存器使用的时钟方面，通过异步复位的同步去断言，否则可能导致目标触发器发生时序违反，从而产生亚稳态。

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