基于FPGA的雙向同步技術及守時方法

倪 磊，黃 镠，顧 蘇，陳文攀

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

隨著現代戰爭艦載作戰平臺的機動性能大大增強和遠程制導武器的廣泛應用，雷達傳感器作為戰場的千里眼迫切要求其能夠及早發現并跟蹤目標。現有武器裝備受到單平臺雷達傳感器的類型、精度及其視距的限制，很難滿足對抗現代精確制導武器的需要。采用艦-岸、艦-艦雙/多基地的多平臺聯合作戰，實現海上編隊多平臺協同探測，將整個作戰兵力組成一個網絡，共享作戰資源和情報資源，形成統一集成的戰場態勢圖，確保戰場優勢，是現代戰爭的必然趨勢。而如何確保編隊中各節點實現高精度的時間同步在現代網絡作戰中就顯得尤為重要。

現有的技術往往是基于衛星共視方法進行授時與同步。這樣對于衛星設備的依賴性很大，實際作戰時就顯得很不可靠。文獻[1]中提出了無線RTT時鐘同步的相關算法。該算法往往需要占用較多的時隙資源來進行對時而導致通信效率降低。同時，編隊各節點設備的晶振不可避免地存在一定的頻差，這將導致一定的同步誤差。這個誤差跟實際的頻差以及對時的周期有關，存在一定的局限性。本文在此基礎上提出守時的方法，使得能夠在較少的通信時隙資源占用的情況下獲得更高的時間同步精度。

1 雙向同步技術

時間雙向比對系統[2]主要由1個中心站和1個外站組成，兩邊各自產生本地的時間基準，然后外站依靠時間同步技術保持與中心站點的高精度時間同步關系。雙向同步技術主要就是通過微波通信鏈路交換時間同步信號，然后通過必要的運算得到兩邊時間差的過程。[3]

具體原理如圖1所示。圖中，節點A為需要對時的節點，節點B為參考節點。首先由節點A發起對時業務，然后在t1時將對時包發出，然后轉為接收模式，節點B默認接收，在t2時收到A發出的對時包，然后在t3時發出，發出的包內打入t2、t3兩個時間點。節點A在t4時收到B發出的反饋包，此時節點A就可以獲取到t1、t2、t3及t4這4個時間點。[4]

圖1 雙向時間同步原理圖

假設A到B傳輸的時延為Δ，A與B的時間偏差為ε，則有

t2-t1=Δ+ε

t4-t3=Δ-ε

經過簡單的轉化可以得到

這樣，只需通過ε調整A本地的時間即可實現A與B的時間同步。如果是理想情況下，對完一次時之后再重復上述過程，得到的時間偏差應該為0。但是，實際測試會發現還有一定的時間偏差。這個偏差就是由兩邊的時鐘的頻偏引起的，同時還與選取的對時周期有關。如果僅通過這種方式對時，則需要進行頻繁的對時操作才能保證相應的時間同步精度，就會占用較多的時隙資源，而且一旦停止對時時間精度會很快惡化。

2 守時方法

針對上面提到的問題，本文在雙向時間同步技術的基礎上提出了守時方法。利用這種方法，不僅對兩邊的時間進行對準，還對兩邊的時鐘偏差進行對準。一旦兩邊的時差、鐘差都消除之后，就可以保持長時間的時間同步。具體的實現流程如圖2所示。

圖2 添加了守時方法的流程圖

首先，當節點A發起對時業務時，記下發包時刻t1。節點B收到對時申請包后，記下收包時刻t2，然后做出回復，記下回復時刻t3。同時，將t2、t3填入回復包給節點A。節點A在t4時刻收到回復包后利用t1、t2、t3及t4算出兩邊的時差，然后利用時差調整本地時間，即完成第一次時間同步，即上述的雙向時間同步的過程。然后，經過對時周期T后，節點A再次發起對時業務。按照上述流程進行包交換后，得到這次的時差ε1。這時，除了進行雙向時間同步的操作外還需要進行守時操作，即利用ε1與T的比值來調整本地時鐘的控制字M，用到的具體公式如下：

通過控制字M的調整，就可以完成節點A與節點B的時鐘對準。最理想的效果就是A與B的時鐘完全對準，但實際由于對時周期T的選取以及有效位數的限制，并不能達到理想的效果。所以，進行完一次這樣操作后，隔一段時間后還需要再次進行上述操作，不過這個時間間隔比只采取傳統的雙向對時技術的系統要長得多。這樣的話，對時操作所占用的時隙資源會減少很多，這對于作戰任務的編排大有裨益。

3 測試結果分析

按照上述流程進行FPGA設計后，搭建如下測試平臺，如圖3所示。兩個節點分別由PowerPC板、FPGA板以及射頻前端組成，另外采用第3方測試平臺與之配合，觀測實際兩節點的時間同步情況。

圖3 測試平臺搭建

測試平臺的測試結果如圖4所示。圖中，橫坐標為時間，1格表示1 s；縱坐標為兩個平臺的時間差值，1格表示12.5 ns，這里選取對時周期T為1 s。可以看出，完成一次雙向時間同步與守時操作之后，兩邊時間偏差隨著時間成線性變化。當時差超過一定值前，再進行一次雙向時間同步與守時，由可以將時差基本調整為0，完成一次之后時間偏差會隨著時間再逐步變大。實際的實現效果如圖4所示。

圖4 單次雙向時間同步與守時的結果

實際對于對時間隔的選取主要取決于對時周期T的選取。由于篇幅所限，這里將測試的結果匯總如表1所示。這里選取完成一次雙向時間同步與對時之后450 s時為參考。可以發現，時間周期T選取的越大，對于控制字M調整得越精確，最后的時間精度保持得時間越長。

表1 測試結果匯總

如果將精度要求設置為1 μs、時間周期T為5 s時，在經過450 s再進行一次雙向時間同步與對時操作就可以滿足精度要求。但是，對于100 ms而言，同樣的精度要求就需要在9 s后進行一次雙向時間同步與對時才能滿足精度要求。選取合適的對時周期T可以實現長時間的時間同步，減少時隙資源占用，具有很好的實踐價值。

4 結束語

本文在雙向時間校時的基礎上進一步提出了守時的方法。這樣可以有效地減少時隙資源占用，并通過實際實現驗證了可行性，對于相似的系統設計具有一定的借鑒意義。