CN105706383A - 时间同步的可插拔收发信机 - Google Patents

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Abstract

一种可插拔收发信机模块(200)，包括与单元接口发射机(202)相连的线路接收机(208)，与单元接口接收机(204)相连的线路发射机(206)，以及时间戳计数器(210)，该时间戳计数器被适配成基于从外部来源接收的时钟信号来产生计数器值，以及将该计数器值发送到线路发射机(206)和线路接收机(208)。线路发射机(206)和线路接收机(208)被适配成将可插拔收发信机模块(200)发射和接收的数据分组流中的定时分组与时间戳计数器(210)输出的计数器值相关联。

Description

时间同步的可插拔收发信机
技术领域
本发明主要涉及可插拔收发信机模块中的同步，尤其涉及小型可插拔收发信机模块中的时间同步。
背景技术
回程网络会将核心网络与更小的边缘网络或网络元件相连。在移动通信网络中，关于回程网络(移动回程)的一个示例是将无线基站连接到与之对应的基站控制器的网络。目前，使用以太网实施这些回程网络正在成为日益普及的解决方案。
以太网链路与网络设备(例如以太网交换机)的连接可以借助小型可插拔(SFP)收发信机来完成。以太网同时是以光和电的格式存在的，并且市场上已有的SFP要么支持电以太网，要么支持光以太网。小型可插拔收发信机提供了在不改变网络设备自身的情况下，通过使用正确的SFP来将光以太网或电以太网连接到网络设备的灵活性。在SFP的一侧包括一个将SFP连接到网络设备主板或主机设备(例如交换机)的接口。该侧即为通常所说的单元侧。在名为线路侧的另一侧，SFP包括用于连接电以太网线缆且在机电方面已被标准化的RJ45插座。如果SFP支持光以太网，那么将会存在相应的光连接器而不是RJ45插座。通过引入用于电以太网的SFP，可以在SFP中包含以太网PHY(物理层)，由此将标准的电以太网信号预先处理成与从光以太网信号转换而来的电信号足够相似。这样则允许使用相同的后置处理电子设备。
为了在移动回程中有效地使用以太网，有必要保持时间和频率同步。对以太网来说，当前最流行的时间和频率同步技术是在IEEE1588标准中定义的精密时间协议(PTP)以及在ITU-TRec.G.8261、ITU-TRec.G.8262和ITU-TRec.G.8264中定义的同步以太网(SyncE)。
然而，由于处于输入/输出消息的时间戳之前/之后的节点内部路径将会很长，在SFP的物理层引入以太网信号的处理损害了同步以太网(SyncE)时钟链，从而影响IEEE1588标准的性能。
发明内容
本发明的目的是缓解至少一些上述缺陷，以及提供一种改进的可插拔收发信机模块和一种可插拔收发信机模块中的时间同步方法。
相应地，本发明试图以优选的方式缓解、减轻或消除在上文中单独或以任何组合方式述及的一个或多个缺陷。
根据本发明的第一个方面，所提供的是一种可插拔收发信机模块，其包括与单元接口发射机(transmitter)相连的线路接收机以及与单元接口接收机相连的线路发射机。该可插拔收发信机模块还包括一个时间戳计数器，其被适配成基于从外部来源接收的时钟信号来产生计数器值，以及将该计数器值发送到线路发射机和线路接收机。线路发射机和线路接收机被适配成将可插拔收发信机模块发射和接收的数据分组流中的定时分组与时间戳计数器输出的计数器值相关联。
根据本发明的第二个方面，所提供的是一种可插拔收发信机模块，包括与线路发射机相连的单元接口接收机。该单元接口接收机包括与第一抖动衰减器单元相连的第一时钟和数据恢复单元。所述第一抖动衰减器单元还与线路发射机相连。该可插拔收发信机模块还包括与单元接口发射机相连的线路接收机。该线路接收机包括与第二抖动衰减器单元相连的第二时钟和数据恢复单元。所述第二抖动衰减器单元还与单元接口发射机相连。第一和第二抖动衰减器单元被适配成减小相应的时钟和数据恢复单元恢复的时钟信号中的抖动，以及将输出时钟信号发送到相应的单元接口发射机和线路发射机。
根据本发明的第三个方面，所提供的是一种可插拔收发信机模块中的时间同步方法，包括：在可插拔收发信机模块中，基于从外部来源接收的定时信号来产生一个计数器值。该方法还包括将该计数器值发送到可插拔收发信机模块的线路接收机和线路发射机，以及将从网络接收和发往网络的定时分组与所接收的计数器值相关联。
根据本发明的第六个方面，所提供的是一种可插拔收发信机模块中的时间同步方法。该方法包括：在可插拔收发信机模块中，基于代表时刻信息的数据、第一时钟信号和第二时钟信号来产生一个计数器值，其中第一和第二时钟信号是从外部来源接收的。该方法还包括将该计数器值发送到可插拔收发信机模块的线路接收机和线路发射机，以及将从网络接收和发往网络的定时分组与所接收的计数器值相关联。
根据本发明的第四个方面，所提供的是一种在可插拔收发信机模块中恢复同步以太网定时的方法。该方法包括：在可插拔收发信机模块的接收机中，从输入分组中恢复时钟信号，以及减小所述时钟信号中的抖动。该抖动减小的时钟信号被发送到可插拔收发信机模块的发射机。该方法还包括：发射机将抖动减小的时钟信号用作同步以太网分组传输的参考信号。
根据本发明的第五个方面，所提供的是一种可插拔收发信机模块，包括单元接口发射机和单元接口接收机，以及线路发射机和线路接收机。该可插拔收发信机模块还包括被适配成接收来自外部来源的时刻信息的非易失存储器，以及输出端与线路发射机和线路接收机相连的时间戳计数器。该时间戳计数器还包括用于从非易失存储器接收代表时刻信息的数据的第一输入，，用于接收第一时钟信号的第二输入，以及用于接收第二时钟信号的第三输入。时间戳计数器被适配成使用第一时钟信号来产生计数器值，以及第二时钟信号被用于触发计数器值与从非易失存储器接收的代表时刻信息的数据校准处理。该线路发射机和线路接收机被适配成将定时分组与时间戳计数器输出的计数器值相关联。
根据本发明的第六个方面，所提供的是一种可插拔收发信机模块中的时间同步方法。该方法包括：在可插拔收发信机模块中，基于代表时刻信息的数据、第一时钟信号和第二时钟信号来产生一个计数器值，其中第一和第二时钟信号是从外部来源接收的。该方法还包括将计数器值发送到可插拔收发信机模块的线路接收机和线路发射机，以及将从网络接收和发往网络的定时分组与所接收的计数器值相关联。
本发明的其他特征是在从属权利要求中请求保护的。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中可以更全面地理解和领会本发明，其中：
图1是示出了已知的可插拔收发信机模块的图示；
图2到图8示出的是本发明的不同实施例中的可插拔收发信机模块；
图9是示出了本发明的一个实施例中的可插拔收发信机模块的单元侧接口的印刷电路板的图示；
图10是示出了本发明的一个实施例中的抖动衰减器模块的图示；
图11是示出了本发明的一个实施例中的时钟和数据恢复单元的图示；
图12是示出了本发明的一个实施例中的与主机设备相连的可插拔收发信机模块的图示；
图13到图15示出的是本发明的不同实施例中的可插拔收发信机模块的时间同步方法；
图16示出的是本发明的一个实施例中的用于在可插拔收发信机模块中恢复同步以太网定时的方法。
具体实施方式
为了简洁起见，除非特别述及光以太网，否则以下关于以太网的参考全都涉及电以太网。
如前所述，在电以太网SFP中，物理层的以太网信号处理会破坏同步以太网(syncE)时钟链。图1对此情况进行了图示，其中该图描述的是已知的电以太网SFP的基本框图。
SFP中的物理层(PHY)预处理会导致无法在接收方向上向位于SFP主机设备的近端以太网线路卡提供所恢复的SyncE定时，并且SFP印刷电路板上的这个电子设备部分被标记成102。如图1所示，电以太网帧122经由RJ45插座116到达SFP110。这些电以太网帧122带有在这里用118表示的SyncE定时。虽然电以太网帧122是通过电子设备(线路接收机108和线路发射机106)传播的，但是SyncE定时会在线路接收机108上中断。本地振荡器充当了PHY的内部本地参考时钟112，并且用于产生从单元接口发射机106传送到近端以太网线路卡的信号122的定时。
更进一步，已知的解决方案不能向远端以太网卡、也就是不能在相反的方向上输送高质量的节点锁定的发射SyncE定时124。同样，其根本原因在于由本地振荡器而不是SyncE定时124充当了PHY的内部本地参考时钟112。以太网信号128将会穿越SFP100，由此将会经过单元接口接收机104、线路发射机110以及RJ45插座116。初始从单元(例如以太网交换机)接收的SyncE定时124会端接在单元接口接收机104上。
目前，将以太网用于移动回程(MBH)正在成为一种流行的解决方案。随着传输速度提升，引入以太网的时间和频率同步(定时)的处理也日趋重要。IEEE1588是当前最流行的基于分组的时间同步技术。但是对于这种基于分组的技术来说，时间同步性能的稳定始终是它的一个缺点。IEEE1588是以交换分组时间戳的处理为基础的，因此是很容易实施和部署的。然而时间同步性能的稳定性始终是此类基于分组的技术的一个缺点。在实践中，影响IEEE1588时间同步性能的关键因素是时间戳点。
发明人认识到，要使精密时间协议PTP正常工作，有必要以尽可能接近于用于输入分组和输出分组的线路接口卡的方式来产生时间戳。因此，SFP是产生PTP时间戳的最理想的地点。
参考图2，该图描绘的是本发明的实施例中的可插拔收发信机模块200。可插拔收发信机模块200包括位于可插拔收发信机模块200的单元侧的单元接口发射机202和单元接口接收机204。所述单元侧与诸如交换机、分组处理器、网络处理器之类的主机单元电路相连。模块220还具有位于可插拔收发信机模块200的线路侧的线路发射机206和线路接收机208。并且线路侧是模块200中与以太网电缆相连的一侧。在一个优选实施例中，RJ45插座214位于连接以太网电缆的线路侧。该RJ45插座214由内部布线连接到位于物理层电子设备电路250的线路发射机206和线路接收机208。
为了解决依据将时间戳应用于分组/帧的处理的时间同步性能的稳定性需要对所述分组/帧的到来/离开(例如IEEE1588分组或ITU-TY.1731/IEEE802.1agOAM以太网帧)进行精确估计的问题，可插拔收发信机模块200还包括被适配成产生馈送至线路发射机206和线路接收机208的计数器值的时间戳计数器210。由于其用以产生计数器值的定时来源，该时间戳计数器是非常稳定和精确的。
除了时间戳计数器之外，模块200还包括被适配成从外部来源接收包括时刻信息TOD在内的配置信息的非易失存储器212。在一个实施例中，用作非易失存储器212的是电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)，然而其他替换方案也是可用的。在一个优选实施例中，EEPROM212借助I2C(集成电路间)接口接收时刻信息，这对小型可插拔模块而言是非常有利的，因为TOD数据可以由位于主机设备1200的CPU(中央处理单元)1202提供。主机设备1200的CPU1202包括I2C接口，并且由于SFP标准已经将与外部EERPOM对接且用于在SFP与CPU之间交换配置信息的接口标准化，因此，使用该接口来向SFP递送TOD数据的处理是非常简单直接的。
在图2显示的实施例中，物理层电子设备电路250包括线路发射机和接收机206和208以及单元接口发射机和接收机202和204，而非易失存储器212和时间戳计数器210则是作为独立模块实施的。
时间戳计数器210还包括用于从EEPROM存储器212接收代表时刻信息的数据的第一输入216，用于接收第一时钟信号PTP_CLK的第二输入，即引脚7，以及用于接收第二时钟信号PTP_1Hz的第三输入，即引脚9。
时间戳计数器210被适配成使用第一时钟信号PTP_CLK来产生计数器值，以及第二时钟信号PTP_1Hz被用于触发该计数器值与从EEPROM存储器212接收的代表时刻信息的数据的校准处理。第一时钟信号PTP_CLK确保时间戳计数器210以正确速度运行，而第二时钟信号PTP_1Hz则提供计数器相位，也就是说，第二时钟信号PTP_1Hze会将每一秒钟的开端与参考时间的开端校准，其中所述参考时间即为所述时刻。考虑到这一点，当存在PTP_1Hz转变时，其仍旧无法确定以哪一秒为开始(例如日期+时间：2013.02.1.04.14.17.45)，并且该信息是由管理平面(例如主机设备1200的主板上的CPU1202)借助I2C接口并通过将日期和时间(分辨率为1秒)写入SFP200的EEPROM存储器212的文本标记器提供的。然后，第二时钟信号PTP_1Hz的上升沿会触发时间戳计数器将时间数据从EEPROM载入时间戳计数器210。
在基于三个定时信号产生计数器值以及将其发送到线路发射机206和线路接收机208时，线路发射机206和线路接收机208会基于时间戳计数器210输出的计数器值来关联从网络接收和发往网络的PTP分组。依照IEEE1588，PTP分组带有定时信息。然而，在本发明的替换实施例中，更新分组的处理还涵盖了这样一种状况，即分组流包含了与IEEE1588不同的定时信息或者不包含任何时间戳，并且在本发明的一个实施例中，时间戳仅仅是在通过SFP之后才被施加的。
在一个实施例中，关联定时分组与时间戳计数器输出的计数器值的处理包括将计数器值插入定时分组自身，由此更新或修改定时分组。在一个替换实施例中，该定时分组未被修改，并且与定时分组关联的计数器值是单独发送的(在后续分组中)。
在一个优选实施例中，第一时钟信号PTP_CLK是源自在IEEE中定义且工作在125MHz的标准PTP时钟的信号。第二时钟信号PTP_1Hz是用于触发时间戳计数器210将时间数据从EEPROM载入时间戳计数器210的相位信号，所述第二时钟在1Hz上工作。虽然以上给出的示例涉及的是基于标准的IEEE1588时钟来实施IEEE1588同步，然而对本领域技术人员来说，时钟频率显然可以不同于以上所给的示例。
时间戳计数器210是在每次循环之后递增其数值的计数器，对于IEEE1588的实施方式而言，PTP_CLK的每个刻点都是125MHz时钟信号。计数器值与TOD的校准是以1Hz的频率执行的，并且该处理是由PTP_1Hz信号的上升沿触发的。该计数器值可用作插入PTP分组的时间戳。
优选地，所使用的是一个完整版本的时间戳，该时间戳总共有80比特，并且可以用如下形式表示：YY：MM：DD：HH：MM：SS：mm：uu：nn，其中：
TOD只包含直至“秒”比特(SS)为止的比特。在该优选实施例中(完整版本的时间戳)，时间戳长度是80比特，并且包括TOD+计数器值。
在图3显示的实施例中，可插拔收发信机模块200的线路发射机206包括被适配成辨识定时分组的第一辨识器模块302，以及第一修改器模块304，所述第一修改器模块被适配成基于从时间戳计数器210接收的信息来更新所辨识的带有时间戳的定时分组，以及发送所述分组，从而使其朝着线路侧接口前向传输。当在线路发射机206上接收到数据分组(或以太网帧，因为在处于以太网链路时，数据分组被称为以太网帧)的时候，在经由RJ45插座214传输该数据分组之前，所述数据分组已经遍历了第一帧开始(SOF)模块350，第一FIFO(先入先出)模块352和第一修改器模块304。SOF、FIFO和修改器模块全都可以从现有的小型可插拔模块中获知。为了实施本发明的一个实施例，第一SOF模块350将所接收的以太网帧的拷贝发送到第一辨识器模块302，以及将该以太网帧转发到第一FIFO模块352，在以先入先出的方式排队之后，所述帧会从该位置转发至第一修改器模块304。通过使用所述帧中的信息，第一辨识器模块302识别出带有定时信息的分组(例如PTP或OAM分组)，并且指示第一辨识器模块304使用从时间戳计数器210接收的时间戳来更新所辨识的定时分组中的定时信息。在操作中，定时分组是在第一修改器模块304中接收的，如果发生这种情况，第一辨识器模块302会向第一修改器模块304发送一个时间戳，所述第一修改器模块304则会应用该时间戳，并且会经由RJ45接口来发送定时分组。
同样，可插拔收发信机模块200的线路接收机208包括被适配成辨识定时分组的第二辨识器模块306，以及第二修改器模块308，所述第二修改器模块被适配成基于从时间戳计数器210接收的信息来更新所辨识的带有时间戳的定时分组，以及发送所述分组，以便将其前向传输到单元侧接口。第二辨识器模块306、第二修改器模块308以及第二SOF模块354和第二FIFO模块356的操作与以上在线路发射机206的上下文中讨论的操作是相同的。其不同之处在于：对线路接收机208来说，以太网信号从线路侧流向单元侧。
IEEE1588标准指定了两种同步处理模式：单步模式和两步模式。
在两步模式中，主时钟周期性地向相连的从时钟发送一个带有时间估计值的同步消息。同时，发送同步消息的时间会以尽可能精确的方式确定并被记录。然后，主时钟会在后续消息中将同步消息的实际传输时间发送到从时钟。从时钟会测量同步消息的接收时间和后续消息，并且可以计算其与主时钟的偏移。
在单步模式中，主时钟周期性地向从时钟发送带有精确时间的同步消息，在同步消息中插入的时间是发送同步消息的实际时间，并且是由硬件“即时(on-the-fly)”插入同步消息的。单步模式没有后续消息。关于偏移的计算是以与两步模式类似的方式完成的。
有关IEEE1588同步的更多细节可以在该标准自身当中找到。
图4示出了使用单步或两步模式实施同步的一个实施例。对单步模式来说，用虚线图示的元件以及去往和来自虚线元件的连接及信号应被忽略。
在一个用于实施单步模式的实施例中，第一和第二辨识器模块302和306中的每一个都包括检测器模块、时间戳模块以及调节器模块。特别地，第一辨识器模块302包括与第一SOF模块350相连的第一检测器模块312。第一检测器模块312对从单元侧流向线路侧的数据分组执行操作，该模块识别定时分组，并且会在检测到定时分组的时候产生触发。该触发被发送到第一时间戳模块324和第一调节器模块。在接收到来自第一检测器模块312的触发时，第一时间戳模块324基于从时间戳计数器210接收的信息来产生一个时间戳。时间戳计数器210与第一时间戳模块322相连。在接收到来自第一检测器模块312的所述触发时，第一调节器模块320会从第一时间戳模块324获取时间戳和所辨识的定时分组的消息报头信息。所述第一调节器模块320会将所述时间戳和所述报头信息发送到第一修改器模块304。在具有了消息报头信息之后，第一修改器304很容易即可辨识正确分组，并且可以使用与消息报头信息一起从第一调节器模块320接收的时间戳来修改该分组。
在第二辨识器模块306中也会执行类似的操作，但是数据分组会从线路侧流向单元侧。第二辨识器模块306包括与第二SOF模块354相连的第二检测器模块310。第二检测器模块310辨识定时分组，并且会在检测到定时分组的时候产生触发，然后，该触发被发送到第二时间戳模块322和第二调节器模块318。在被第二检测器模块310触发时，第二时间戳模块322会基于从时间戳计数器210接收的信息来产生时间戳。在一个实施例中，产生时间戳意味着在从时间戳计数器210接收的计数器值流中选择了一个当前位于该触发时间的计数器值。换句话说，该触发会导致产生计数器滚动值快照，并且该快照捕捉的计数器值即为时间戳。时间戳计数器210还与第二时间戳模块322相连。在从第二检测器模块310接收到所述触发时，第二调节器模块318会从第二时间戳模块322获取时间戳，以及从第二检测器模块310获取所辨识的定时分组的消息报头信息。该第二调节器模块318会将所述时间戳和所述报头信息发送到第二修改器模块308。与第一修改器模块相似，具有消息报头信息的第二修改器308会辨识正确的分组，并且会使用与所述消息报头信息一起从第二调节器模块318接收的时间戳来修改该分组。
在一个附加实施例中，通过添加图4的虚线元件以及去往和来自这些虚线元件的线路和信号实施两步模式中的操作。在该附加实施例中，第一辨识器模块302包括与第一时间戳模块324相连的第一处理机模块316。第二辨识器模块306包括与第二时间戳模块322相连的第二处理机模块314。第一处理机模块316和第二处理机模块314都与线路接收机208的第二辨识器模块306中的第二修改器模块308相连。
在检测到定时分组之后(对IEEE1588的情况来说是PTP分组)，当第一检测器模块312将其触发时，第一处理机模块316会从与之相连的第一时间戳模块324收集时间戳。允许实施两步模式的实施例有两个。在第一个实施例中，第一处理机模块316存储时间戳并将其发送到EEPROM212，并且CPU(中央处理单元)1202会借助I2C来轮询EEPROM212，以便获取该时间戳信息。在第二实施例中，第一处理器模块316产生插入了该时间戳信息的回传回环分组，并且将其发送到第二修改器308，由此将其发送到CPU1202上的精密时间协议(PTP)堆栈。
在两步模式中，定时分组(对IEEE1588的情况来说是PTP分组)将被检测，该定时分组的时间戳将被产生，然而与在所述定时分组插入时间戳不同，所述时间戳被保存在第一处理机316中。该定时分组未经修改(它是同步消息)即被发送到位于远端的从时钟，然后，CPU1202上的PTP堆栈会产生后续分组，该分组包含了该时间戳以及与该时间戳关联的定时分组的标识符。在一个实施例中，定时分组的消息报头信息可作为标识符使用。然后，在远端的从时钟中会使用同步和后续消息来计算偏移。
在一个优选实施例中，CPU1202被安装在了主机设备的主板上。图12更加简化地示出了与主机设备1200相连的可插拔收发信机模块200。主机设备及其组件并不是本发明的一部分，在这里不会对其进行描述。然而，本领域技术人员很容易即可了解其功能。
优选地，可插拔收发信机模块200是作为小型可插拔(SFP)模块实施的。将本发明作为SFP模块来加以实施的优点在于：由于具有标准化接口，本发明可以与已经支持SFP模块的大量的交换机以及其他网络元件结合使用。
对于现有的SFP/SFP+/电子SFP模块来说，可选的引脚有两个：引脚7和引脚9。换句话说，用户可以将这两个引脚定义成用于特定的功能。在本发明的实施例中，这两个引脚被用于传递时间参考。用于驱动时间戳计数器产生时间戳数据的高质量的第一时钟信号PTP_CLK是通过引脚7递送的。用于触发时间戳计数器校准其时间的第二时钟信号PTP_1Hz则是通过引脚9递送的。这样一来，来自中心系统来源的精确时间参考将被传送到SFP并且驱动时间戳计数器运作，其中在一个实施例中，该中心系统来源是IEEE1588芯片。在一个替换实施例中，时钟信号可以用相反的方式指定到这些引脚。与此同时，现有的I2C接口可用于递送TOD信号，在现有SFP/SFP+/电子SFP模块中，引脚4和5被用于I2C接口。
通过使用这两个引脚，可以将高质量的PTP恢复时钟以及1PPS信号作为时间参考传送到SFP。然后，SFP将能包含时间同步功能。
在表1中描绘了根据本发明一个实施例的时间同步电子SFP的引脚描述。采用斜体字的要素指示的引脚7和9的新功能：
表1
此外，本发明还向后兼容已知的SFP解决方案，这一点是非常有利的。电子SFP内部有一个带有128个寄存器的EEPROM。在一个实施例中，通过使用地址为96的新附加寄存器，能够启用时间同步功能，并且该寄存器会选择引脚7和引脚9作为时间参考。寄存器96的比特0会对该选择进行控制。
在一个实施例中，主机设备可以通过双线串行ID接口、也就是通过引脚4和5相连的I2C接口，来控制该寄存器。在本发明的一个实施例中，寄存器96中的比特0的默认值是1，由此会从引脚7选择第一时钟信号PTP_CLK以及从引脚9选择第二时钟信号PTP_1Hz作为时间参考。在通电之后，主机设备可以改变该寄存器，以便选择是否启用引脚7和引脚9作为时间参考，这一点取决于其是否为时间同步的电以太网SFP。这样一来，主机设备可以接受根据本发明实施例的设备(即时间同步的可插拔收发信机)并与之合作，以及与不支持基于本发明的解决方案的旧有SFP合作。
在表2中显示的是关于新添加的用于启用时间参考的寄存器96的定义。
表2
除了具有选择时间参考以及启用时间同步功能和/或SyncE功能的能力之外，根据本发明实施例的时间同步的可插拔收发信机是以与现有SFP几乎相同的方式运作的。因此，在由主机配置该寄存器来从引脚7和9选择时间参考时钟的时候，时间同步的可插拔收发信机可作为现有电子SFP的替换方案来使用。
精确的时刻(TOD)数据首先会借助I2C接口而被存入EEPROM的寄存器。该时刻信息的长度为48比特，并且在一个实施例中可以使用EEPORM保留的寄存器60-62和92-94来存储这些信息。在一个实施例中，寄存器60-62是时刻数据中的高位24个比特，并且寄存器92-94是时刻数据中的低位24个比特。在替换实施例中，相反的情况也是可能发生的。如前所述，在产生时间戳的过程中，第二时钟信号PTP_1Hz的上升沿将会触发时间戳计数器210加载来自EEPROM212的时间数据。
表3定义的是本发明的一个实施例中的EEPROM212的地址。
在图5中显示了根据本发明实施例的基于IEEE1588分组(或OAM分组)的SFP内部的时间同步路径502。线条504示出的是两步模式中的回环。
PTP是基于分组的第二层/第三层时间分布功能。并且，为使PTP从时钟快速锁定到其主时钟，以及使其本地时钟稳定，有必要以尽可能与两侧线路接近的方式来产生时间戳。因此，SFP是产生PTP时间戳的最理想的位置。本发明的实施例允许由SFP通过主机设备/装置的外部电路提供的时间参考产生最精确的时间戳。
除了IEEE1588之外，本发明的不同实施例中的时间戳功能还可以支持OAM单向和双向延迟测量，例如MPLSOAM、以太网服务OAM。
图6显示的是启用同步以太网(SyncE)操作的可插拔收发信机模块400的一个实施例。在一个实施例中，与客户业务路径最接近的PHY产生所提取的接收机时钟，并且会在发射方向上使用高质量的节点锁定的发射时钟。在可插拔收发信机模块中，将接收机时钟和发射时钟内置入Tx/Rx数据流是非常便利的，并且对系统的影响最小。
在同步以太网中，SyncE定时是内置在输入数据中的。
在一个实施例中，可插拔收发信机模块400包括位于单元侧且与位于可插拔收发信机模块线路侧的线路发射机406相连的单元接口接收机404。单元接口接收机404包括与第一抖动衰减器单元414相连的第一时钟和数据恢复单元(CDR)410。第一抖动衰减器单元414与线路发射机406相连。在操作中，CDR410从输入数据中恢复时钟，并且抖动衰减器414减小源自所恢复的时钟的抖动，以及输出高质量的时钟信号。线路发射机406可以使用这个高质量的恢复时钟作为参考时钟。
在相反的方向上，可插拔收发信机模块线路侧的线路接收机408与可插拔收发信机模块单元侧的单元接口发射机402相连。线路接收机408包括与第二抖动衰减器单元416相连的第二时钟和数据恢复单元412。并且，第二抖动衰减器单元416还与单元接口发射机402相连。接收机-CDR-抖动衰减器-发射机这条链路的操作在两个方向上是相同的。无论在单元侧还是线路侧，发射机都会使用这个高质量的恢复时钟，以使其成为同步以太网分组传输的参考时钟。
在图7中描述了SFP内部的SyncE定时路径702；该路径是连续的，这意味着其会成功地在单元侧与线路侧之间交换SyncE定时。这样做能使SFP满足SyncE需求。
在一个优选实施例中，第一和第二抖动衰减器414和416基于锁相环PLL。
在图11中示出了时钟和数据恢复CDR模块412的一个实施例。CDR412从输入数据流中提取内置的时钟信息和数据。在一个实施例中，与抖动衰减器414、416相似，时钟和数据恢复模块412是作为锁相环PLL实施的。CDR412包括用于接收作为一个输入的输入数据流以及第一压控振荡器1108产生的时钟信号的第一相位检测器1102。第一相位检测器1102检测在当前采样周期中是否发生数据传输吗，并且会产生误差输出数据以及数据输出(其与输入数据是相同数据，但其在相位检测器中经过了过滤)。这个重新定时数据会通过可插拔模块400传播到发射机402、406。第一相位检测器1102输出的电子相位误差信号与第一VCO1108产生的时钟信号和输入数据流中存在时钟信号之间的相位差成比例。电荷泵1104接收来自第一相位检测器的相位误差信号，并且与第一低通滤波器1106相连。该电荷泵1104通过与第一低通滤波器1106协作来衰减抖动。第一低通滤波器1106产生用于控制第一压控振荡器1108的调谐电信号。第一压控振荡器1108的输出则被环回到第一相位检测器1102。最终，由第一VCO118产生的信号的频率和相位与输入数据流中的时钟相同，并且从源自第一低通滤波器1106的调谐电压未改变第一VCO1108的频率或相位的意义上讲，第一VCO1108是“锁定的”。通过形成闭环系统以及使用负反馈，该环路会确保输入频率与参考频率相等，并且还会确保这两个信号的相位彼此相对固定。第一VCO1108产生的信号部分将被记录并馈送到抖动衰减器414、416。
在图10中示出了基于PLL的抖动衰减器414、416的一个实施例。相位检测器1002检测两个时钟输入之间的相位误差。图10中的一个时钟输入是由CDR410、412从输入数据流中提取的时钟。另一个输入则是由压控振荡器(VCO)1006产生的时钟信号。相位检测器1002依照相位误差(或是VCO1006产生的时钟信号与CDR412从输入数据流中提取的时钟之间的相位差)来产生电信号。然后，这个电信号被馈送到低通滤波器1004。低通滤波器1004会移除任何残留的高频噪声，由此产生VCO的调谐电压。VCO的输出经由可选的除法器1008而被环回到相位检测器。最终，VCO1006产生的信号的频率和相位与CDR从输入数据流中提取的时钟(即参考时钟)相同，并且从源自低通滤波器的调谐电压未改变VCO频率或相位的意义上讲，VCO1006是“锁定的”。VCO1006产生的信号部分将被记录并馈送到可插拔收发信机模块400的发射机402。由此，VCO1006的时钟信号与CDR410、412从输入数据流中提取的时钟相同，然而，由于该时钟信号是重新产生的，因此该信号是无抖动的。
这两个锁相环的差值即为抖动性能。从CDR410、412输出的恢复时钟不满足同步需求，并且将会使用一个作为抖动衰减器的PLL。CDR410、412是快速锁定的，但其抖动性能低于抖动衰减器414、416的抖动性能。与CDR相比，抖动衰减器414、416中的PLL具有很低的带宽以及较长的锁定时间，但其可以更大限度地减小抖动。
实际上，抖动永远都不能完全移除，并且只能被减小。然而，低通滤波器可以滤除抖动。低通滤波器的带宽和阻尼因数以及其他参数将会影响抖动衰减器的性能。因此，优选的方式是为不同的应用使用两个不同的PLL(CDR412和抖动衰减器416)。最终，在时钟信号经过所有这两个PLL之后，该时钟信号将会满足SyncE的需求。
在图8示出的一个优选实施例中，SFP之类的可插拔收发信机模块将会合并在用于解决IEEE1588和SyncE时间和频率同步的实施例中公开的解决方案。该实施例会将用于产生如前所述的用以计算从时钟偏移的时间戳的精密时间戳计数器210与被恢复时钟的抖动衰减相结合，以便在可插拔收发信机模块上启用SyncE。
图9示出的是能够向后兼容现有SFP解决方案的单元侧接口的印刷电路板的一个实施例。该实施例与现有SFP是以引脚与引脚对应的方式兼容的。
本领域技术人员将会了解，由于本发明是一种真正灵活的电子PTP和/或SyncE设计，因此，本发明优于现有技术的解决方案。特别地，对于使用现有接口的SFP收发信机来说，所设计和制造的SFP收发信机可以向后兼容现有主机设备，并且允许实施需要时间同步以太网的解决方案。与图1所示的收发信机相比，本发明的不同实施例不需要本地时钟112，这是因为在图6、7和8所示的与SyncE相关的实施例中，抖动衰减器移除/减小了在其各自的接收机上恢复的定时信号，并且将所述定时馈送到与之对应的发射机。因此，该定时不会在PHY上被打断。同样，在图2-5和8所示的与PTP相关的实施例中，使用外部定时信号的时间戳计数器会在本地产生供PTP分组使用的计数器值，并且由于其以来自单元的高精度PTP时钟为基础，因此不需要由本地振荡器来产生定时脉冲。
在图13中示出了可插拔收发信机模块200中的时间同步方法的一个实施例。如在以上公开的实施例中公开和在图2-12中所示，在可插拔收发信机中实施的方法包括：在该可插拔收发信机模块200中产生1304一个计数器值，其中该计数器值基于代表时刻信息的数据TOD、第一时钟信号PTP_CLK以及第二时钟信号PTP_1Hz。第一和第二时钟信号是从外部来源接收的。在一个优选实施例中，第一时钟信号PTP_CLK用于产生计数器值，而第二时钟信号PTP_1Hz则用于触发计数器值与代表时刻信息的数据的校准处理。TOD信息是由可插拔模块从位于主机设备1200的CPU(中央处理单元)1202接收的，并且被保存在EEPROM存储器212中，然后，该信息从EEPROM存储器212中被获取，以便在产生计数器值的过程中使用。第一时钟信号PTP_CLK确保产生计数器的时间戳计数器210以正确的速度运行，而第二时钟信号PTP_1Hz则会将每一秒钟的开端与参考时间的开端即时刻TOD校准。该方法还包括将计数器值发送1306到可插拔收发信机模块200的线路接收机和线路发射机。在线路接收机和线路发射机中将会执行一个将从网络接收和发往网络的定时分组与所接收的计数器值相关联1308的步骤。
优选地，如图14所示，该关联步骤包括辨识1410发送至网络以及从网络接收的分组流中的定时分组。作为示例，这些定时分组可以是依据IEEE1588的PTP分组或ITU-TY.1731/IEEE802.1agQAM以太网帧。
在一个实施例中(先前描述的两步模式)，定时分组将被辨识，并且该方法包括基于所接收的计数器值来将已辨识的定时分组与时间戳相关联1414。这种关联是通过产生包含时间戳的后续分组实现的，而定时分组则未被修改。所述定时分组和后续分组是分开发送的。
在一个替换实施例中(单步模式)，该关联步骤包括基于所接收的计数器值来更新1416定时分组。在该实施例中，关联定时分组与计数器值包括将计数器值插入定时分组自身，以便更新或修改定时分组。
图15描述的是可插拔收发信机模块200中的时间同步方法的另一个实施例。在该实施例中，如果检测到定时分组1514，则触发基于所接收的计数器值来产生时间戳的处理1516，以及将所述时间戳和所辨识的定时分组的消息报头信息发送1518到修改器模块。在一个实施例中，产生时间戳意味着在计数器值流中选择当前处于触发时间出现的计数器值。换句话说，该触发(检测定时分组)会导致产生计数器滚动值的快照，并且该快照捕捉的计数器值即为该时间戳。如果该方法在单步模式中工作，那么该方法的实施例还包括：在修改器模块基于所接收的消息报头信息并使用所接收的时间戳来更新1416定时分组。
作为替换，在两步模式中，该方法包括将所述时间戳以及所辨识的定时分组的消息报头信息发送1520到一个处理器单元，该处理器单元则基于该消息报头信息和时间戳来产生1414后续消息。
图16示出的是用于在可插拔收发信机模块400中恢复同步以太网定时的方法的一个实施例。该方法包括：在可插拔收发信机模块400的接收机中，从输入分组中恢复1602时钟信号，以及减小1604所述时钟信号中的抖动。然后，抖动减小的时钟信号被发送1606到可插拔收发信机模块400的发射机。该发射机会使用1608抖动减小的时钟信号作为同步以太网分组传输的参考时钟。

Claims (19)

1.一种可插拔收发信机模块，包括：
与单元接口发射机相连的线路接收机；
与单元接口接收机相连的线路发射机；
时间戳计数器，其被适配成基于从外部来源接收的时钟信号来产生计数器值，以及将所述计数器值发送到所述线路发射机和所述线路接收机，其中所述线路发射机和所述线路接收机被适配成将所述可插拔收发信机模块发射和接收的数据分组流中的定时分组与所述时间戳计数器输出的计数器值相关联。
2.根据权利要求1的可插拔收发信机模块，还包括：
被适配成从外部来源接收时刻信息的非易失存储器；其中
所述时间戳计数器还包括：
用于从所述非易失存储器接收代表所述时刻信息的数据的第一输入；
用于接收第一时钟信号的第二输入；
用于接收第二时钟信号的第三输入；
其中所述时间戳计数器被适配成使用所述第一时钟信号来产生计数器值，以及所述第二时钟信号被用于触发将所述计数器值与从所述非易失存储器接收的代表所述时刻信息的所述数据的校准。
3.根据权利要求1或权利要求2的可插拔收发信机模块，其中所述线路发射机包括第一辨识器模块和第一修改器模块，并且所述线路接收机包括第二辨识器模块和第二修改器模块，其中所述第一和第二辨识器模块被适配成辨识定时分组，以及所述第一和第二修改器模块被适配成基于从所述时间戳计数器接收的信息来更新所辨识的带有时间戳的定时分组。
4.根据权利要求3的可插拔收发信机模块，其中所述第一辨识器模块包括：
第一检测器模块，被适配成辨识定时分组以及在检测到定时分组时产生触发；
第一时间戳模块，被适配成在来自所述第一检测器模块的所述触发时，
以及基于从所述时间戳计数器接收的信息来产生时间戳；
第一调节器模块，在所述第一检测器模块的所述触发时，被适配成从所述第一时间戳模块获取所述时间戳以及所辨识的定时分组的消息报头信息，以及将所述时间戳和所述报头信息发送到所述第一修改器模块；以及
其中第二辨识器模块包括：
第二检测器模块，被适配成辨识定时分组以及在检测到定时分组时产生触发；
第二时间戳模块，被适配成在来自所述第二检测器模块的所述触发时，
以及基于从所述时间戳计数器接收的信息来产生时间戳；
第二调节器模块，在所述第二检测器模块的所述触发时，被适配成从所述第二时间戳模块获取所述时间戳和所辨识的定时分组的消息报头信息，以及将所述时间戳和所述报头信息发送到所述第二修改器模块。
5.根据权利要求4的可插拔收发信机模块，其中所述第一辨识器模块包括与所述第一时间戳模块相连的第一处理机模块，并且所述第二辨识器模块包括与所述第二时间戳模块相连的第二处理机模块，其中所述第一处理机模块和所述第二处理机模块全都连接到所述第二修改器模块。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求的可插拔收发信机模块，包括小型可插拔SFP模块。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求的可插拔收发信机模块，其中所述第一时钟信号是125MHz时钟信号。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求的可插拔收发信机模块，其中所述第二时钟信号是1Hz时钟信号。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求的可插拔收发信机模块，其中所述第一时钟信号定义的是所述时间戳计数器运行的速度，而所述第二时钟信号提供的是所述时间戳计数器的相位，以便将每一秒的开端与参考时间的开端校准。
10.一种可插拔收发信机模块，包括：
与线路发射机相连的单元接口接收机，所述单元接口接收机包括与第一抖动衰减器单元相连的第一时钟和数据恢复单元；所述第一抖动衰减器单元还与所述线路发射机相连；
与单元接口发射机相连的线路接收机，所述线路接收机包括与第二抖动衰减器单元相连的第二时钟和数据恢复单元；所述第二抖动衰减器单元还与所述单元接口发射机相连；
其中所述第一和第二抖动衰减器单元被适配成减小由相应时钟和数据恢复单元恢复的时钟信号中的抖动，以及将输出时钟信号发送到所述相应的单元接口发射机和线路发射机。
11.根据权利要求10的可插拔收发信机单元，包括小型可插拔SFP模块。
12.根据权利要求10或权利要求11的可插拔收发信机单元，其中所述第一抖动衰减器和所述第二抖动衰减器中的每一个都包括锁相环电路。
13.一种可插拔收发信机模块中的时间同步方法，包括：
在所述可插拔收发信机模块中，基于从外部来源接收的定时信号来产生计数器值；
将所述计数器值发送到所述可插拔收发信机模块的线路接收机和线路发射机；
将从网络接收和发往网络的定时分组与所接收的计数器值相关联。
14.根据权利要求13的方法，其中所述定时信号包括代表时刻信息的数据、用于定义所述时间戳计数器运行速度的第一时钟信号以及用于提供所述时间戳计数器的相位以便将每一秒的开端与参考时间的开端校准的第二时钟信号。
15.根据权利要求13或权利要求14的方法，其中关联步骤包括：
辨识发往所述网络和从所述网络接收的分组流中的定时分组；以及
基于所接收的计数器值来将所辨识的定时分组与时间戳相关联。
16.根据权利要求15的方法，其中所述关联步骤包括基于所接收的计数器值来更新所述定时分组。
17.根据权利要求16的方法，其中检测定时分组触发：
基于所接收的计数器值来产生时间戳；
将所述时间戳和所辨识的定时分组的消息报头信息发送到修改器模块；
其中所述方法还包括：在修改器模块上，基于所接收的消息报头信息以及使用所接收的时间戳来更新定时分组。
18.根据权利要求15的方法，其中检测定时分组触发：
基于所接受的计数器值来产生时间戳；
将所述时间戳和所辨识的定时分组的消息报头信息发送到处理器单元；
基于所述消息报头信息和所述时间戳来产生后续消息。
19.一种用于在可插拔收发信机模块中恢复同步以太网定时的方法，所述方法包括：
在可插拔收发信机模块的接收机中，从输入分组中恢复时钟信号；
减小所述时钟信号中的抖动；
将抖动减小的所述时钟信号发送到所述可插拔收发信机模块的发射机；
由所述发射机使用抖动减小的所述时钟信号作为用于同步以太网分组传输的参考时钟。
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