ｓｄｈ设备时钟（ｓｅｃ）是ｓｄｈ光传输系统的重要组成部分，是ｓｄｈ设备构建同步网的基础，也是同步数字体系（ｓｄｈ）可靠工作的前提。ｓｅｃ的核心部件由锁相环构成。网元通过锁相环跟踪同步定时基准，并通过锁相环的滤波特性对基准时钟在传输过程中产生的抖动和漂移进行过滤。而当基准源不可用时，则由ｓｅｃ提供本地的定时基准信息，实现高质量的时钟输出。

　　ｓｅｃ需要满足ｉｔｕ－ｔ　ｇ．８１３建议［１］中的相关指标要求。ｓｅｃ可以工作在自由振荡、跟踪、保持三种模式下，并且能够在三种模式之间进行平滑切换。由于ｉｔｕ－ｔ　ｇ．８１３建议规定的ｓｅｃ带宽较窄（－３ｄｂ带宽在１～１０ｈｚ内），且需要在三种工作模式下输出稳定的时钟，同时还要保证在三种模式切换过程中输出时钟稳定（即平滑切换），采用模拟锁相环（ａｐｌｌ）很难实现。因此一般采用数字锁相环（ｄｐｌｌ）实现ｓｅｃ［２］；也有许多芯片厂商直接采用单片集成电路芯片实现ｓｅｃ，如ｓｅｍｔｅｃｈ公司的ａｃｓ８５２０［３］等。

　　本文介绍一种采用单片现场可编程门阵列（ｆｐｇａ）芯片实现ｓｅｃ功能的方案，在此将用ｆｐｇａ设计的ｓｅｃ功能芯片命名为ｔｓｐ８５００。

　　１　ｔｓｐ８５００芯片内部结构及设计原理

　　ｔｓｐ８５００芯片采用ａｌｔｅｒａ公司的ｅｐ２ｃ５ｔ１４４－８　ｆｐｇａ实现。芯片的内部结构框图如图１所示。

　　ｔｓｐ８５００提供两类时钟输出接口：①给ｓｄｈ网元系统中各功能模块提供３８．８８ｍｈｚ系统时钟ｓｙｓｃｌｋｏｕｔ和２ｋｈｚ系统帧头信号ｓｙｓｆｐｏｕｔ；②给其他网元设备提供２．０４８ｍｈｚ的外同步输出基准时钟ｅｘｔ＿ｃｌｋ＿ｏｕｔ。

　　该芯片需要外部输入一路１９．４４ｍｈｚ的本地时钟，通过ｆｐｇａ的内部ｐｌｌ（锁相环１）倍频后得到３１１．０４ｍｈｚ高速时钟，作为芯片内部数字锁相环的工作时钟。当所有参考源丢失时，为保证ｓｅｃ仍然能够输出高质量的时钟，本地时钟一般采用高稳定度的温补晶振（ｔｃｘｏ）或者恒温晶振（ｏｃｘｏ）提供。

　　该芯片还提供微处理器接口，用于各数字锁相环的参考源选择、工作模式的设置以及芯片内部工作状态的查询。

　　１．１　系统时钟的设计实现

　　从图１可以看出，芯片输出的系统时钟ｓｙｓｃｌｋｏｕｔ，主要由一路全数字锁相环（ａｄｐｌｌ）［４］、主备互锁模块（实际上也是一路ａｄｐｌｌ）和ｆｐｇａ的内部ｐｌｌ　（锁相环２）共同完成。

　　该芯片可以从输入时钟中任选１路作为参考时钟进行跟踪。应用该芯片时，用户通过微处理器接口设置参考源的优先级表（ｐｒｉｏｒｉｔｙ　ｔａｂｌｅ）后，芯片便可根据参考源的质量等级自动选择最优的参考源进行锁相跟踪。

　　在ｔｓｐ８５００芯片中设计的ａｄｐｌｌ和其他类型的锁相环结构基本一致，主要由鉴相器、逻辑滤波器和数控时钟产生器三部分组成。ｓｅｃ要求在保持模式下仍然能够输出高质量的时钟，所以在用于产生系统时钟的ａｄｐｌｌ中，增加了保持数据模块。

　　系统时钟工作在跟踪模式时，通过ａｄｐｌｌ环路实现输出系统时钟和参考时钟的同步。同时，将频率控制字数据保存在ｆｐｇａ内部自带的ｒａｍ中（即图１中的保持数据模块）。当所有参考源丢失时，ｓｅｃ进入保持工作模式，芯片将保持数据模块中保存的频率数据按先进后出的方式取出，对数控时钟产生器进行控制，保证了系统时钟在保持模式下仍然能够输出高质量的时钟。

　　系统时钟工作在自由振荡模式时，由高频时钟直接自由分频得到系统时钟。

　　根据ｉｔｕ－ｔ　ｇ．８１３建议要求，ｓｅｃ带宽较窄（－３ｄｂ带宽在１～１０ｈｚ内）。在逻辑滤波器模块，采用ｆｐｇａ内部的数字逻辑实现二阶线性滤波器，满足了ｓｅｃ噪声传递特性的要求。为了灵活应用，滤波器的环路带宽可以通过微处理器接口进行灵活调整。当参考源切换时，通过滤波器的平滑设计，保证了频率控制字缓慢变化，可靠地实现了参考源的平滑切换。

　　数控时钟产生器模块由高频时钟在频率控制字的作用下进行受控分频得到。为了减小数控时钟产生器输出时钟在受控分频过程中产生的数字相位噪声，ｔｓｐ８５００芯片设计时采用了独特的“微小相位调整技术”，使数控时钟产生器输出时钟的ｃｙｃｌｅ－ｃｙｃｌｅ抖动仅０．４ｎｓ。

　　ｓｅｃ一般都采用主备备份设计。由于ｓｅｃ本身的带宽较窄，俘获速度较慢，当主备ｓｅｃ跟踪同一路参考源时，无法时刻保持主备ｓｅｃ相位同步。设计中增加了主备互锁模块，保证了主备相位的快速同步。主备互锁模块也由ａｄｐｌｌ实现，但其环路带宽设计的较宽，俘获速度很快，足以保证主备相位准确同步。ｓｅｃ工作在主模式时，主