一種增強型PTP光纖級聯精細時頻同步方法

戴群雄 郝青茹 王 錚 左兆輝 王士楠

①(中國電子科技集團公司第五十四研究所 石家莊050081)

②(衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室 石家莊050081)

③(深圳市遠東華強導航定位有限公司 深圳518000)

1 引言

時間統一系統為衛星導航、指揮控制、靶場試驗、網絡通信等各型系統建設提供標準時間頻率信號和統一的時間尺度[1]，對整個系統運行起到基礎性、根本性和保障性的作用。隨著信息化技術的發展，國內外各型系統平臺對時頻應用需求不斷朝著高精度、多節點、大跨度的方向發展，為實現系統各個設備之間的高精度同步與聯動工作[2]，很有必要建設一個高精度的時頻傳遞與同步網絡，解決高精度時頻傳遞、同步及授時等時間統一問題，為設備提供高精度的時頻信號[3]。當前主流的精密時頻傳遞與同步方法有衛星共視、衛星雙向時頻傳遞和光纖時頻傳遞，本文研究重點為光纖時頻傳遞領域。國內外相關機構及專家在該技術領域進行了相關研究，趙曉宇等人[4]研究了基于光纖環形網的多點高精度時頻傳遞方法，龍波等人[5]研究和設計了一種基于UTC溯源與光纖傳遞的高精度時間同步系統，Zhu等人[6]研究了在樹形分支網絡上進行光纖時頻傳遞的鐘差測量方法，Krehlik等人[7]進行了基于干線提取方案的多點光纖時頻傳遞系統研究。本文側重于研究一種通過多級時頻設備PTP光纖級聯的形式實現精密時頻傳遞與同步的方法，以滿足上述背景技術中的用時需求。

2 傳統NTP/PTP時頻同步方法

在進行時頻傳遞與同步網絡設計時，時頻信號同步精度以及多節點輸出能力、傳輸跨度是重要考慮的因素及技術難點，關系到整個系統各設備之間聯合運行的效率以及系統能否穩定、高效運行。在早期的時頻同步網絡建設時，通常采用較為傳統的NTP時間同步技術或PTP時間同步技術來實現網絡時間同步[8]。NTP時間同步技術一般采用NTP協議實現，其同步精度由于軟件時間戳精度以及時間戳產生位置的限制，同步精度一般在10 ms左右，精度不高，且隨著級聯級數增加，其同步精度會進一步降低。PTP時間同步技術通過硬件時間戳同步的方式去實施主從同步，雖然點到點同步精度能達到ns量級[9]，但是為了滿足時頻信號大跨度、多節點輸出的應用需求，通常需要將時頻設備多級級聯來實現，通過多級級聯后，主從設備時鐘相位噪聲、線纜鋪設長度增加帶來的時延誤差等會逐級累積，由此，系統時間同步精度隨著級聯級數增加會逐漸降低到μs量級或更低。隨著信息化平臺的不斷發展，這兩鐘方法顯然無法滿足現有許多系統提出的高精度、多節點、大跨度的時頻同步應用需求了。

3 一種增強型PTP光纖級聯精細時頻同步方法

本文提出了一種增強型PTP光纖級聯精細時頻同步方法，該方法以PTP同步技術為基礎，結合同步以太網時鐘傳遞技術和基于數字雙混頻時差法的多級級聯精細時鐘同步技術，對PTP同步技術進行改進和增強，然后基于這種增強型的PTP級聯精細時頻同步方法，解決多級級聯情況下同步精度會逐級惡化的問題，實現ns量級的系統時間同步精度。主要包含如下幾個方面：

(1)采用PTP同步技術，實現系統時間的粗同步，將PTP主從同步精度控制到100 ns以內；

(2)采用同步以太網時鐘傳遞技術，實現點到點8 ns同步精度；

(3)采用數字雙混頻時差法，實現點到點8 ns以下的細時延同步，提高PTP同步精度。備注：經過實際設計與測試，多級級聯(5級)同步精度優于2.5 ns，具體說明見第4節；

(4)在多級級聯且同步精度得到保證的前提下，通過這種多級級聯的方式實現大跨度范圍內時頻信號的多節點、高質量的輸出，為系統各節點用時設備提供精密時間基準。

3.1 PTP同步技術

首先，采用PTP同步技術實現系統時間的粗同步，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之間的時延，Tsm表示PTP Slave到PTP Master之間的時延，通過PTP主設備(PTP Master)與PTP從設備(PTP Slave)之間的報文交互，進行一次完整的PTP同步后，PTP Slave端獲得t1,t2,t3,t4時間戳，在收、發路徑相同的情況下，即可計算出PTP主、從之間的時間偏差ofm[11]

PTP主從之間通過多次同步，PTP從根據計算出的ofm調整自身時間，即可實現主從時間的粗同步，同步精度為100 ns以內。

3.2 同步以太網時鐘傳遞技術

本發明結合同步以太網技術，實現系統時鐘的逐級傳遞，在PTP粗同步技術基礎上，為多級級聯組網提供了統一的組網時鐘基準。同步以太網技術是一種采用以太網鏈路碼流恢復時鐘的技術[12]，簡稱SyncE。同步以太網通過以太網物理層芯片從串行數據碼流中恢復出發送端的時鐘，從而實現網絡時鐘同步[13,14]。同步以太網時鐘傳遞示意圖如圖2所示。

圖1 PTP同步原理框圖

圖2中，對于PTP主設備，通過時頻綜合模塊產生的基準時鐘，作為主設備本地參考時鐘、PTP內核時鐘、PTP計數時鐘，并同時注入到串行數據中，通過光纖，逐級傳遞。PTP從設備采用同步以太網時鐘恢復技術，恢復出PTP主設備的基準時鐘，傳遞給時頻綜合模塊，經過時頻綜合模塊鎖相同步等處理，輸出本地參考時鐘，實現PTP從時頻基準與PTP主時頻基準同步；同時，將恢復時鐘對下級PTP從設備，逐級傳遞，實現PTP主設備時頻基準時鐘的全網傳遞及同步功能。由于主從設備本地參考時鐘為125 M，該時鐘的時間戳精度為8 ns，在PTP主、從采用同步以太網實現頻率同步的情況下，實現點對點正負8 ns的同步精度。

3.3 多級級聯精細時鐘同步技術

通過同步以太網技術，實現了PTP各節點的時鐘傳遞，但點對點的同步精度只能達到8 ns；同時，在實施級聯同步時，PTP主節點與級聯PTP從節點的時鐘相位噪聲會不斷累積，同步精度會逐級惡化。

如何有效地抑制級聯級數增大帶來的時鐘相位噪聲累積，并實現8 ns以下的精細時鐘同步，是實現高精度系統時間同步的關鍵。在PTP主、從設備采用同步以太網實施同步時，其同步流程為：PTP主設備→恢復時鐘→時頻綜合→本地參考時鐘，單純通過時頻綜合模塊對恢復時鐘進行鎖相處理的方式實現主從同步，同步精度決定于鎖相輸出時鐘的時間戳精度，指標受限。為了進一步提升精度，該文采用數字雙混頻時差法(DMTD)[15,16]，對時頻綜合模塊輸出本地參考時鐘與恢復時鐘之間的鐘差進行精測，測量精度達到ps量級[17]，然后將精測得到的鐘差再反饋給時頻綜合模塊，時頻綜合模塊根據反饋的鐘差調整輸出時鐘頻率[18]，這種精密時差測量及補償的過程反復迭代，完成PTP同步的精細傳輸延遲的測量、傳遞和同步，實現8 ns以下的精細時鐘同步，點到點同步精度可達到亞ns量級，PTP同步精度得到有效提升。結合數字雙混頻時差法實現級聯精細時鐘同步的工作原理示意圖如圖3所示。

圖2 同步以太網時鐘傳遞示意圖

從圖3可以看出，本文主要通過DMTD精細時差測量模塊和時頻綜合模塊來完成PTP主設備與PTP從設備時鐘鐘差精細測量與同步；其中，時頻綜合模塊又包括恒溫晶振模塊和MCU。級聯精細時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時鐘作為本地參考時鐘，輸出10 MHz時鐘作為MCU工作時鐘；

(2)DMTD精細時差測量模塊接收PTP從設備通過同步以太網技術從串行數據中恢復的125 MHz時鐘，代表PTP主設備時鐘，同時接收恒溫晶振模塊輸出的125 MHz時鐘，代表PTP從設備時鐘；

(3)DMTD精細時差測量模塊完成主從鐘差精細測量并輸出給MCU；

(4)MCU對鐘差進行濾波等綜合處理后，生成調鐘信息；

(5)恒溫晶振模塊接收調鐘信息，調整輸出時鐘頻率，實現PTP主從設備精細時鐘同步。

4 設計驗證與分析

為了驗證本方法的可行性和有效性，按照圖4所示搭建驗證平臺。由于試驗條件受限，搭建5級PTP光纖級聯時頻傳遞與同步系統作為驗證平臺，系統由5級時頻設備組成。第1級設備為系統基準設備，為整個系統提供時源參考，第2～5級設備輸出的1 pps為同步第1級設備時源之后輸出的時頻信號，其相對于時源1 pps的同步誤差直接反映了多級級聯后系統時間同步精度[19]。

圖3 級聯精細時鐘同步工作原理示意圖

本次試驗通過時間間隔計數器同時記錄第2～5級設備輸出的1 pps與系統時源1 pps的時差[20]，持續記錄時間為24 h，每臺設備對應的記錄數據為86400個，然后對試驗數據進行分析，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級設備、第3級設備、第4級設備、第5級設備同步誤差測試結果(原始時差記錄數據)，其同步誤差分析見表1。

結合圖5和表1來看，這4級設備同步誤差(標準差)均控制在0.5 ns以內，依次為0.3573 ns,0.4158 ns,0.2931 ns,0.4076 ns，同步誤差(最大時間間隔誤差)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跳變的情況。由于設備/線纜等存在時延，時延經過標定和補償予以消除[21]，但受到標定和補償精度的限制，依然會存在部分殘差，因此會逐級損失掉一部分同步精度指標[22]，但從實測數據來看，經5級級聯后，系統時間同步精度(最大時間間隔誤差)依然控制在2.5 ns以內，表現出很好的多級級聯系統時間同步性能，由此驗證了本文提出的增強型PTP光纖級聯精細時頻同步方法的可行性和有效性。

5 結論

本文以PTP同步、同步以太網時鐘傳遞、多級級聯精細時延同步3個關鍵技術為基礎，經過深入分析和研究，提出了一種增強型PTP光纖級聯精細時頻同步方法，并通過設計、試驗，驗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網絡時間同步方法，具有如下優點：

圖4 試驗驗證測試連接圖

圖5 試驗驗證同步誤差測試結果(原始時差記錄數據)

表1 同步誤差(ns)

(1)采用同步以太網時鐘傳遞技術和基于數字雙混頻時差法的多級級聯精細時鐘同步技術，對PTP同步技術進行改進和增強，點到點同步精度可達到亞ns量級，同步精度得到顯著提升。

(2)經過實際設計與測試驗證，多級級聯(5級)后的同步精度可控制在2.5 ns以內，同步精度依然控制在ns量級，極大地滿足了各型系統不斷提升的高精度時頻同步應用需求。

(3)在滿足多級級聯而同步精度依然得到有效保證的前提下，通過這種多級級聯的方式可在大跨度范圍內將時頻信號同步傳送到系統各節點用時設備，大大提高時頻信號輸出能力，滿足各型系統多節點、大跨度的時頻應用需求。

該方法通過實物驗證并工程實現后，可為各型系統提供一個高精度時頻傳遞與同步網絡，為系統提供高精度、全覆蓋的授時服務，也為相關行業應用提供了可借鑒的設計方案[23]，具有良好的應用前景。