一種增強(qiáng)型PTP光纖級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)頻同步方法

戴群雄 郝青茹 王 錚 左兆輝 王士楠

①(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 石家莊050081)

②(衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊050081)

③(深圳市遠(yuǎn)東華強(qiáng)導(dǎo)航定位有限公司 深圳518000)

1 引言

時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)為衛(wèi)星導(dǎo)航、指揮控制、靶場(chǎng)試驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)通信等各型系統(tǒng)建設(shè)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)和統(tǒng)一的時(shí)間尺度[1]，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起到基礎(chǔ)性、根本性和保障性的作用。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各型系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)時(shí)頻應(yīng)用需求不斷朝著高精度、多節(jié)點(diǎn)、大跨度的方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備之間的高精度同步與聯(lián)動(dòng)工作[2]，很有必要建設(shè)一個(gè)高精度的時(shí)頻傳遞與同步網(wǎng)絡(luò)，解決高精度時(shí)頻傳遞、同步及授時(shí)等時(shí)間統(tǒng)一問(wèn)題，為設(shè)備提供高精度的時(shí)頻信號(hào)[3]。當(dāng)前主流的精密時(shí)頻傳遞與同步方法有衛(wèi)星共視、衛(wèi)星雙向時(shí)頻傳遞和光纖時(shí)頻傳遞，本文研究重點(diǎn)為光纖時(shí)頻傳遞領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)及專(zhuān)家在該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究，趙曉宇等人[4]研究了基于光纖環(huán)形網(wǎng)的多點(diǎn)高精度時(shí)頻傳遞方法，龍波等人[5]研究和設(shè)計(jì)了一種基于UTC溯源與光纖傳遞的高精度時(shí)間同步系統(tǒng)，Zhu等人[6]研究了在樹(shù)形分支網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行光纖時(shí)頻傳遞的鐘差測(cè)量方法，Krehlik等人[7]進(jìn)行了基于干線提取方案的多點(diǎn)光纖時(shí)頻傳遞系統(tǒng)研究。本文側(cè)重于研究一種通過(guò)多級(jí)時(shí)頻設(shè)備PTP光纖級(jí)聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn)精密時(shí)頻傳遞與同步的方法，以滿足上述背景技術(shù)中的用時(shí)需求。

2 傳統(tǒng)NTP/PTP時(shí)頻同步方法

在進(jìn)行時(shí)頻傳遞與同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，時(shí)頻信號(hào)同步精度以及多節(jié)點(diǎn)輸出能力、傳輸跨度是重要考慮的因素及技術(shù)難點(diǎn)，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)各設(shè)備之間聯(lián)合運(yùn)行的效率以及系統(tǒng)能否穩(wěn)定、高效運(yùn)行。在早期的時(shí)頻同步網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，通常采用較為傳統(tǒng)的NTP時(shí)間同步技術(shù)或PTP時(shí)間同步技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步[8]。NTP時(shí)間同步技術(shù)一般采用NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，其同步精度由于軟件時(shí)間戳精度以及時(shí)間戳產(chǎn)生位置的限制，同步精度一般在10 ms左右，精度不高，且隨著級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)增加，其同步精度會(huì)進(jìn)一步降低。PTP時(shí)間同步技術(shù)通過(guò)硬件時(shí)間戳同步的方式去實(shí)施主從同步，雖然點(diǎn)到點(diǎn)同步精度能達(dá)到ns量級(jí)[9]，但是為了滿足時(shí)頻信號(hào)大跨度、多節(jié)點(diǎn)輸出的應(yīng)用需求，通常需要將時(shí)頻設(shè)備多級(jí)級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)后，主從設(shè)備時(shí)鐘相位噪聲、線纜鋪設(shè)長(zhǎng)度增加帶來(lái)的時(shí)延誤差等會(huì)逐級(jí)累積，由此，系統(tǒng)時(shí)間同步精度隨著級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)增加會(huì)逐漸降低到μs量級(jí)或更低。隨著信息化平臺(tái)的不斷發(fā)展，這兩鐘方法顯然無(wú)法滿足現(xiàn)有許多系統(tǒng)提出的高精度、多節(jié)點(diǎn)、大跨度的時(shí)頻同步應(yīng)用需求了。

3 一種增強(qiáng)型PTP光纖級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)頻同步方法

本文提出了一種增強(qiáng)型PTP光纖級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)頻同步方法，該方法以PTP同步技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合同步以太網(wǎng)時(shí)鐘傳遞技術(shù)和基于數(shù)字雙混頻時(shí)差法的多級(jí)級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)鐘同步技術(shù)，對(duì)PTP同步技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和增強(qiáng)，然后基于這種增強(qiáng)型的PTP級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)頻同步方法，解決多級(jí)級(jí)聯(lián)情況下同步精度會(huì)逐級(jí)惡化的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)ns量級(jí)的系統(tǒng)時(shí)間同步精度。主要包含如下幾個(gè)方面：

(1)采用PTP同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間的粗同步，將PTP主從同步精度控制到100 ns以?xún)?nèi)；

(2)采用同步以太網(wǎng)時(shí)鐘傳遞技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)8 ns同步精度；

(3)采用數(shù)字雙混頻時(shí)差法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)8 ns以下的細(xì)時(shí)延同步，提高PTP同步精度。備注：經(jīng)過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)與測(cè)試，多級(jí)級(jí)聯(lián)(5級(jí))同步精度優(yōu)于2.5 ns，具體說(shuō)明見(jiàn)第4節(jié)；

(4)在多級(jí)級(jí)聯(lián)且同步精度得到保證的前提下，通過(guò)這種多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)大跨度范圍內(nèi)時(shí)頻信號(hào)的多節(jié)點(diǎn)、高質(zhì)量的輸出，為系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)用時(shí)設(shè)備提供精密時(shí)間基準(zhǔn)。

3.1 PTP同步技術(shù)

首先，采用PTP同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間的粗同步，其同步的基本原理[10]如圖1所示。

圖1中，Tms表示PTP Master到PTP Slave之間的時(shí)延，Tsm表示PTP Slave到PTP Master之間的時(shí)延，通過(guò)PTP主設(shè)備(PTP Master)與PTP從設(shè)備(PTP Slave)之間的報(bào)文交互，進(jìn)行一次完整的PTP同步后，PTP Slave端獲得t1,t2,t3,t4時(shí)間戳，在收、發(fā)路徑相同的情況下，即可計(jì)算出PTP主、從之間的時(shí)間偏差ofm[11]

PTP主從之間通過(guò)多次同步，PTP從根據(jù)計(jì)算出的ofm調(diào)整自身時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)主從時(shí)間的粗同步，同步精度為100 ns以?xún)?nèi)。

3.2 同步以太網(wǎng)時(shí)鐘傳遞技術(shù)

本發(fā)明結(jié)合同步以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的逐級(jí)傳遞，在PTP粗同步技術(shù)基礎(chǔ)上，為多級(jí)級(jí)聯(lián)組網(wǎng)提供了統(tǒng)一的組網(wǎng)時(shí)鐘基準(zhǔn)。同步以太網(wǎng)技術(shù)是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時(shí)鐘的技術(shù)[12]，簡(jiǎn)稱(chēng)SyncE。同步以太網(wǎng)通過(guò)以太網(wǎng)物理層芯片從串行數(shù)據(jù)碼流中恢復(fù)出發(fā)送端的時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步[13,14]。同步以太網(wǎng)時(shí)鐘傳遞示意圖如圖2所示。

圖1 PTP同步原理框圖

圖2中，對(duì)于PTP主設(shè)備，通過(guò)時(shí)頻綜合模塊產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘，作為主設(shè)備本地參考時(shí)鐘、PTP內(nèi)核時(shí)鐘、PTP計(jì)數(shù)時(shí)鐘，并同時(shí)注入到串行數(shù)據(jù)中，通過(guò)光纖，逐級(jí)傳遞。PTP從設(shè)備采用同步以太網(wǎng)時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)，恢復(fù)出PTP主設(shè)備的基準(zhǔn)時(shí)鐘，傳遞給時(shí)頻綜合模塊，經(jīng)過(guò)時(shí)頻綜合模塊鎖相同步等處理，輸出本地參考時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)PTP從時(shí)頻基準(zhǔn)與PTP主時(shí)頻基準(zhǔn)同步；同時(shí)，將恢復(fù)時(shí)鐘對(duì)下級(jí)PTP從設(shè)備，逐級(jí)傳遞，實(shí)現(xiàn)PTP主設(shè)備時(shí)頻基準(zhǔn)時(shí)鐘的全網(wǎng)傳遞及同步功能。由于主從設(shè)備本地參考時(shí)鐘為125 M，該時(shí)鐘的時(shí)間戳精度為8 ns，在PTP主、從采用同步以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)頻率同步的情況下，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)正負(fù)8 ns的同步精度。

3.3 多級(jí)級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)鐘同步技術(shù)

通過(guò)同步以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PTP各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘傳遞，但點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的同步精度只能達(dá)到8 ns；同時(shí)，在實(shí)施級(jí)聯(lián)同步時(shí)，PTP主節(jié)點(diǎn)與級(jí)聯(lián)PTP從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘相位噪聲會(huì)不斷累積，同步精度會(huì)逐級(jí)惡化。

如何有效地抑制級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)增大帶來(lái)的時(shí)鐘相位噪聲累積，并實(shí)現(xiàn)8 ns以下的精細(xì)時(shí)鐘同步，是實(shí)現(xiàn)高精度系統(tǒng)時(shí)間同步的關(guān)鍵。在PTP主、從設(shè)備采用同步以太網(wǎng)實(shí)施同步時(shí)，其同步流程為：PTP主設(shè)備→恢復(fù)時(shí)鐘→時(shí)頻綜合→本地參考時(shí)鐘，單純通過(guò)時(shí)頻綜合模塊對(duì)恢復(fù)時(shí)鐘進(jìn)行鎖相處理的方式實(shí)現(xiàn)主從同步，同步精度決定于鎖相輸出時(shí)鐘的時(shí)間戳精度，指標(biāo)受限。為了進(jìn)一步提升精度，該文采用數(shù)字雙混頻時(shí)差法(DMTD)[15,16]，對(duì)時(shí)頻綜合模塊輸出本地參考時(shí)鐘與恢復(fù)時(shí)鐘之間的鐘差進(jìn)行精測(cè)，測(cè)量精度達(dá)到ps量級(jí)[17]，然后將精測(cè)得到的鐘差再反饋給時(shí)頻綜合模塊，時(shí)頻綜合模塊根據(jù)反饋的鐘差調(diào)整輸出時(shí)鐘頻率[18]，這種精密時(shí)差測(cè)量及補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程反復(fù)迭代，完成PTP同步的精細(xì)傳輸延遲的測(cè)量、傳遞和同步，實(shí)現(xiàn)8 ns以下的精細(xì)時(shí)鐘同步，點(diǎn)到點(diǎn)同步精度可達(dá)到亞ns量級(jí)，PTP同步精度得到有效提升。結(jié)合數(shù)字雙混頻時(shí)差法實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)鐘同步的工作原理示意圖如圖3所示。

圖2 同步以太網(wǎng)時(shí)鐘傳遞示意圖

從圖3可以看出，本文主要通過(guò)DMTD精細(xì)時(shí)差測(cè)量模塊和時(shí)頻綜合模塊來(lái)完成PTP主設(shè)備與PTP從設(shè)備時(shí)鐘鐘差精細(xì)測(cè)量與同步；其中，時(shí)頻綜合模塊又包括恒溫晶振模塊和MCU。級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)鐘同步具體工作原理及流程如下：

(1)恒溫晶振模塊輸出125 MHz時(shí)鐘作為本地參考時(shí)鐘，輸出10 MHz時(shí)鐘作為MCU工作時(shí)鐘；

(2)DMTD精細(xì)時(shí)差測(cè)量模塊接收PTP從設(shè)備通過(guò)同步以太網(wǎng)技術(shù)從串行數(shù)據(jù)中恢復(fù)的125 MHz時(shí)鐘，代表PTP主設(shè)備時(shí)鐘，同時(shí)接收恒溫晶振模塊輸出的125 MHz時(shí)鐘，代表PTP從設(shè)備時(shí)鐘；

(3)DMTD精細(xì)時(shí)差測(cè)量模塊完成主從鐘差精細(xì)測(cè)量并輸出給MCU；

(4)MCU對(duì)鐘差進(jìn)行濾波等綜合處理后，生成調(diào)鐘信息；

(5)恒溫晶振模塊接收調(diào)鐘信息，調(diào)整輸出時(shí)鐘頻率，實(shí)現(xiàn)PTP主從設(shè)備精細(xì)時(shí)鐘同步。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證本方法的可行性和有效性，按照?qǐng)D4所示搭建驗(yàn)證平臺(tái)。由于試驗(yàn)條件受限，搭建5級(jí)PTP光纖級(jí)聯(lián)時(shí)頻傳遞與同步系統(tǒng)作為驗(yàn)證平臺(tái)，系統(tǒng)由5級(jí)時(shí)頻設(shè)備組成。第1級(jí)設(shè)備為系統(tǒng)基準(zhǔn)設(shè)備，為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)源參考，第2～5級(jí)設(shè)備輸出的1 pps為同步第1級(jí)設(shè)備時(shí)源之后輸出的時(shí)頻信號(hào)，其相對(duì)于時(shí)源1 pps的同步誤差直接反映了多級(jí)級(jí)聯(lián)后系統(tǒng)時(shí)間同步精度[19]。

圖3 級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)鐘同步工作原理示意圖

本次試驗(yàn)通過(guò)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器同時(shí)記錄第2～5級(jí)設(shè)備輸出的1 pps與系統(tǒng)時(shí)源1 pps的時(shí)差[20]，持續(xù)記錄時(shí)間為24 h，每臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)的記錄數(shù)據(jù)為86400個(gè)，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析的要素為同步誤差。圖5(a)、5(b)、5(c)、5(d)所示分別為第2級(jí)設(shè)備、第3級(jí)設(shè)備、第4級(jí)設(shè)備、第5級(jí)設(shè)備同步誤差測(cè)試結(jié)果(原始時(shí)差記錄數(shù)據(jù))，其同步誤差分析見(jiàn)表1。

結(jié)合圖5和表1來(lái)看，這4級(jí)設(shè)備同步誤差(標(biāo)準(zhǔn)差)均控制在0.5 ns以?xún)?nèi)，依次為0.3573 ns,0.4158 ns,0.2931 ns,0.4076 ns，同步誤差(最大時(shí)間間隔誤差)依次為1.454 ns,1.769 ns,2.136 ns,2.328 ns，輸出均較為平緩且未出現(xiàn)跳變的情況。由于設(shè)備/線纜等存在時(shí)延，時(shí)延經(jīng)過(guò)標(biāo)定和補(bǔ)償予以消除[21]，但受到標(biāo)定和補(bǔ)償精度的限制，依然會(huì)存在部分殘差，因此會(huì)逐級(jí)損失掉一部分同步精度指標(biāo)[22]，但從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，經(jīng)5級(jí)級(jí)聯(lián)后，系統(tǒng)時(shí)間同步精度(最大時(shí)間間隔誤差)依然控制在2.5 ns以?xún)?nèi)，表現(xiàn)出很好的多級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)時(shí)間同步性能，由此驗(yàn)證了本文提出的增強(qiáng)型PTP光纖級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)頻同步方法的可行性和有效性。

5 結(jié)論

本文以PTP同步、同步以太網(wǎng)時(shí)鐘傳遞、多級(jí)級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)延同步3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)深入分析和研究，提出了一種增強(qiáng)型PTP光纖級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)頻同步方法，并通過(guò)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，驗(yàn)證了這一方法的可行性和有效性。本文提出的方法相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖4 試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試連接圖

圖5 試驗(yàn)驗(yàn)證同步誤差測(cè)試結(jié)果(原始時(shí)差記錄數(shù)據(jù))

表1 同步誤差(ns)

(1)采用同步以太網(wǎng)時(shí)鐘傳遞技術(shù)和基于數(shù)字雙混頻時(shí)差法的多級(jí)級(jí)聯(lián)精細(xì)時(shí)鐘同步技術(shù)，對(duì)PTP同步技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和增強(qiáng)，點(diǎn)到點(diǎn)同步精度可達(dá)到亞ns量級(jí)，同步精度得到顯著提升。

(2)經(jīng)過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證，多級(jí)級(jí)聯(lián)(5級(jí))后的同步精度可控制在2.5 ns以?xún)?nèi)，同步精度依然控制在ns量級(jí)，極大地滿足了各型系統(tǒng)不斷提升的高精度時(shí)頻同步應(yīng)用需求。

(3)在滿足多級(jí)級(jí)聯(lián)而同步精度依然得到有效保證的前提下，通過(guò)這種多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式可在大跨度范圍內(nèi)將時(shí)頻信號(hào)同步傳送到系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)用時(shí)設(shè)備，大大提高時(shí)頻信號(hào)輸出能力，滿足各型系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)、大跨度的時(shí)頻應(yīng)用需求。

該方法通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證并工程實(shí)現(xiàn)后，可為各型系統(tǒng)提供一個(gè)高精度時(shí)頻傳遞與同步網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)提供高精度、全覆蓋的授時(shí)服務(wù)，也為相關(guān)行業(yè)應(yīng)用提供了可借鑒的設(shè)計(jì)方案[23]，具有良好的應(yīng)用前景。