Holdover 功能的参数设置 - 德州仪器LMK0480X holdover的功能分析

　　3、Holdover 功能的参数设置

　　3.1 Holdover 功能的配置

　　使用holdover 功能，必须首先Holdover_Mode = Enable;在绝大多数的应用场景，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工作需要在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 的电压也可以是手动设置，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， 用于设置DAC 输出电压的上下门限。

　　触发芯片进入holdover 状态，可以是以下任一条件：

　　? Force_holdover = 1;

　　? PLL1 失锁 或DLD =0;

　　? Vtune 或DAC 跟踪电压超出DAC_Low_Trip 和DAC_High_Trip;

　　在使用的过程中，需要根据不同的系统需求选择合适的holdover 触发条件；从目前来看，大部分应用场景选择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二章中已经介绍。

　　3.2 Holdover 参数配置的注意事项

　　当系统上电开始工作是， CLKin0 或CLKin1 来自光纤的恢复时钟， 性能并不稳定。若Holdover_DLD_CNT 和PLL1_DLD_CNT 值设置比较小，LMK0480X 很容易进入锁定状态，本地时钟VCXO锁定CLKin 输入信号，同时DAC 开始跟踪VCXO 的Vtune 电压；但前面提到，通常CLKin 在刚开始工作时并不稳定，某些情况下CLKin 的输入可能漂出VCXO 的频率调整范围，导致器件重新失锁并进入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）的频率不能满足退出holdover 的条件，出现了LMK0480X 无法退出holdover 的情况。如下图PartA 部分所示。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，进入锁定。如下图PartB 部分所示。

　　另一方面，在第二章中分析得到，当PLL1_DLD_CNT 和HOLDOVER_DLD_CNT 的值过大时，会影响时钟切换的整个时长，所以在应用中，PLL1_DLD_CNT 和HOLDOVER_DLD_CNT 值得选取，是一个折中的过程；同时也可以通过芯片的配置流程对这个问题加以改善。

　　Figure 3 上电时参考时钟和holdover 关系

　　4、Holdover 功能在无线RRU 中应用的需求分析

　　4.1 C-RAN 网络架构的优势

　　随着电信业务的蓬勃发展与用户行为的不断变化，无线接入网正面临着前所未有的挑战：大量站点导致高能耗，网络的资本支出与运维成本逐年增高;站点资源难以获取;复杂的网络环境致使无线覆盖质量不高，潮汐效应导致部分基站利用率低下……面对技术、成本、资源和安全等多个问题 ，2010 年4 月，中国移动提出新一代绿色无线接入网架构C-RAN。

　　Figure 4 RAN 网络架构

　　C-RAN 架构是在分布式基站基础上的进一步创新，通过基带集中处理（Centralized）、协作式无线电技术（Collaborative）以及实时云架构（Cloud），实现网络资源共享以及动态的网络负载均衡，实现无线接入网的绿色高效（Clean）并面向未来平滑演进，提供更大的带宽和更灵活的多标准运营支持，如图4 所示。

　　4.2 C-RAN 网络中环形倒换对时钟指标的要求

　　在C-RAN 组网中，如图5，基带集中RRU 拉远需要光纤互联，采用多级级联和环形组网，一方面各站点RRU 通过光纤接入环采用环形组网方式接入BBU，有效节省光纤资源，另一方面这种组网结构支持环网倒换保护功能，充分保证网络安全和可靠性，即当任何一段光纤意外损坏或者链路中任一个RRU损坏， 会自动倒换到反向链路， 从而不会影响上级或下级RRU 的正常工作。

　　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+/-0.05ppm;

　　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 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、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LMK0480XX 的holdover 功能真正的实现了hitless switch，完全可以满足通信系统的时钟切换功能，大大简化了通信系统的时钟单元的设计难度和成本。

　　6、参考资料

　　1. LMK04800 Datasheet