隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)的技術(shù)由于其無(wú)處不在,靈活性和可擴(kuò)展性而日益得到實(shí)施.局域網(wǎng)(LAN),廣域網(wǎng)(WAN)或甚至蜂窩網(wǎng)絡(luò)是IP網(wǎng)絡(luò)的常見示例.當(dāng)它們?cè)诠I(yè)控制,測(cè)試和測(cè)量,甚至是傳輸語(yǔ)音,視頻或數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中繼應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)時(shí),時(shí)序是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素.例如,語(yǔ)音和視頻質(zhì)量對(duì)非確定性延遲和抖動(dòng)敏感,并且裝配線上的機(jī)器人機(jī)器需要彼此同步.下面康比電子介紹一些相關(guān)知識(shí).
IP網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)最初并未設(shè)計(jì)為同步,如今所需.那么當(dāng)您的產(chǎn)品具有時(shí)序同步要求時(shí),這會(huì)如何影響實(shí)施？可以采取幾種方法.在這里,我們討論四種常見的實(shí)現(xiàn):網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP),簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP),精確時(shí)間協(xié)議(PTP),以及來(lái)自全球定位系統(tǒng)(GPS)等導(dǎo)航系統(tǒng)的定時(shí).幸運(yùn)的是,從架構(gòu)的角度來(lái)看,這些不同的實(shí)現(xiàn)有很多共同之處.

圖1:齒輪的數(shù)字式例證幫助同步時(shí)間

主時(shí)鐘源
同步網(wǎng)絡(luò)通常具有主時(shí)鐘,其基于地球圍繞其軸和公歷的旋轉(zhuǎn)來(lái)源于協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC),該公歷基于地球圍繞太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn).1UTC與國(guó)際原子時(shí)(TAI)有固定的關(guān)系.這兩次之間的固定關(guān)系是基于定期添加到UTC的閏秒來(lái)解釋地球自轉(zhuǎn)的減速.UTC目前比TAI大36秒.另一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)是UT1,它基本上是0°經(jīng)度的平均太陽(yáng)時(shí).UTC和UT1之間的關(guān)系保持在.9秒內(nèi).
世界各地都有時(shí)間服務(wù)器,但在美國(guó),最常用的可能是國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所(NIST).NIST根據(jù)UTC,UTC1和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)服務(wù)器提供時(shí)間,其他計(jì)算機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)中的主時(shí)鐘32.768K基于這些服務(wù)器進(jìn)行計(jì)時(shí).但是,存在數(shù)百個(gè)輔助服務(wù)器,并且定時(shí)信息也可以來(lái)自導(dǎo)航衛(wèi)星.
時(shí)間考慮因素
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中有異步和同步時(shí)鐘方案.所有同步方法都需要有凝聚力的分層計(jì)時(shí)解決方案網(wǎng)元(NE)同步需要參考時(shí)鐘.NE通常需要壓控晶體振蕩器(VCXO),鎖相環(huán)(PLL)或時(shí)鐘發(fā)生器,其被調(diào)整以實(shí)現(xiàn)同步狀態(tài).流行的選擇包括Abracon的超低相位噪聲VXCO振蕩器或IDT的82P33814-1NLG同步管理單元,它支持多種同步模式.
無(wú)論選擇何種解決方案,設(shè)計(jì)都需要能夠提供適量的抖動(dòng)衰減和相位噪聲消除,并能夠以適當(dāng)?shù)耐饺莶钆c網(wǎng)絡(luò)中的所有其他NE同步.時(shí)序設(shè)計(jì)還必須包括保持功能.保持是NE在主或時(shí)鐘出現(xiàn)故障時(shí)將時(shí)鐘維持在最后已知同步狀態(tài)的能力.
通用同步解決方案
網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)和簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)
在公共Internet上最常見的時(shí)間同步方法是NTP,其簡(jiǎn)單版本是SNTP.公共NTP子網(wǎng)的服務(wù)器位于所有大陸,太空,甚至海底,支持全球互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)百萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī).2個(gè)NTP服務(wù)器的時(shí)間基于UTC,但NIST現(xiàn)在有一個(gè)基于UT1的NTP服務(wù)器.3
NTP使用軟件時(shí)間戳來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,因此精度在10μs到100ms或更長(zhǎng)的寬范圍內(nèi)變化.許多因素導(dǎo)致差異,但通常是由于網(wǎng)絡(luò)傳播,硬件和操作系統(tǒng)中的延遲變量,環(huán)境溫度變化引起的石英晶體振蕩器漂移以及定時(shí)更新之間的時(shí)間間隔1.
在確定需要對(duì)客戶端本地時(shí)鐘進(jìn)行的時(shí)序調(diào)整時(shí),需要考慮往返傳播延遲.NTP和SNTP使用相同的過(guò)程來(lái)確定校正因子.假設(shè)延遲在兩個(gè)方向上相同,進(jìn)行計(jì)算.因此,在客戶端和服務(wù)器之間進(jìn)行四分組交換.
NTP和SNTP之間的主要區(qū)別在于SNTP客戶端定期直接從單個(gè)SNTP服務(wù)器同步其時(shí)序.因此,SNTP用于不需要高精度的應(yīng)用中.4NTP具有復(fù)雜的基于狀態(tài)的算法以提高準(zhǔn)確性.

圖2:前三個(gè)階段的同步路徑

NTP可以在多播/任播,客戶端-服務(wù)器或?qū)Φ饶Ｊ较逻\(yùn)行,而SNTP通常以客戶端-服務(wù)器模式運(yùn)行.用于分發(fā)定時(shí)信息的NTP系統(tǒng)是分層的并且被建立為級(jí)別,其中級(jí)別被分配稱為層的數(shù)量.Stratum1服務(wù)器是最低級(jí)別,與國(guó)家時(shí)間服務(wù)同步,而較高級(jí)別服務(wù)器同步到較低級(jí)別服務(wù)器.2(NetworkTimeFoundation5是進(jìn)一步研究的一個(gè)很好的實(shí)用信息源,它為Unix和Windows操作系統(tǒng)提供了一個(gè)名為NTPd的參考實(shí)現(xiàn).)
IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議(PTP)
PTP正迅速成為以太網(wǎng)分組網(wǎng)絡(luò)中首選的定時(shí)同步解決方案,特別是在工業(yè)控制,電信和測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中,因?yàn)樗萅TP更精確,更具確定性.PTP在很多方面與NTP類似,但存在一些關(guān)鍵差異.6首先,客戶端的時(shí)間戳是使用硬件而不是軟件實(shí)現(xiàn)的,并且盡可能靠近網(wǎng)絡(luò)接口,以消除與客戶端軟件相關(guān)的不規(guī)則延遲,這有助于提高納秒范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性.第二個(gè)區(qū)別在于PTP網(wǎng)絡(luò)主時(shí)鐘石英晶振選擇過(guò)程的穩(wěn)健性.
同步機(jī)制和延遲計(jì)算-偏移校正=ó

圖3:同步機(jī)制和延遲計(jì)算-偏移校正=ó

利用PTP,定時(shí)信息以一種主從架構(gòu)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中分層分布.定時(shí)源的根是基于TAI的.稱為最佳主數(shù)字時(shí)鐘晶振(BMC)算法的軟件從所有可用時(shí)鐘中選擇"主時(shí)鐘"時(shí)鐘.然后,定時(shí)向下流過(guò)每個(gè)PTP子域.
還使用BMC方法選擇PTP子域的主時(shí)鐘.多播傳輸是時(shí)鐘分配的主要方式,但終端客戶端可以使用直接通信與主時(shí)鐘同步,以單播方式啟動(dòng)定時(shí)請(qǐng)求.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)也可能實(shí)現(xiàn)"透明時(shí)鐘",以便在將PTP消息傳遞給PTP子域之前修改其中的時(shí)間戳.此修改用作通過(guò)本地設(shè)備計(jì)算的延遲,以提高接收子域的時(shí)間戳的準(zhǔn)確性.7
存在良好的PTP解決方案,但選擇歸結(jié)為在微控制器或基于微控制器的解決方案和協(xié)議棧中采用謹(jǐn)慎的收發(fā)器解決方案與PTP軟件堆棧相結(jié)合.NetworkTimeFoundation有一個(gè)開源PTP堆棧實(shí)現(xiàn)調(diào)用PTPd,可以免費(fèi)下載.8最值得注意的分立解決方案是德州儀器(TI)DP83640;這是一個(gè)非常通用的部分,在其他工作模式中,輸出一個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘,該時(shí)鐘在頻率和相位下降到亞納秒范圍內(nèi)同步到GrandMaster時(shí)鐘.它還執(zhí)行NTP時(shí)間戳.TI具有出色的應(yīng)用筆記,可以解釋器件配置以及如何實(shí)現(xiàn)高精度.9
全球定位系統(tǒng)(GPS)
基于空間的導(dǎo)航系統(tǒng)

圖4:基于空間的導(dǎo)航系統(tǒng)包括環(huán)繞地球的一組衛(wèi)星.這些系統(tǒng)提供非常精確的時(shí)間和位置.

基于空間的導(dǎo)航系統(tǒng)包括環(huán)繞地球的一組衛(wèi)星.這些系統(tǒng)提供非常精確的時(shí)間和位置.美國(guó)系統(tǒng)被稱為"全球定位系統(tǒng)"(GPS).俄羅斯的"GLObalNAvigationSatelliteSystem"(GLONASS),中國(guó)的"北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)"(BeiDou-2),以及印度的"印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)"(IRNSS)存在,其他國(guó)家正在開發(fā)自己的系統(tǒng).
GPS衛(wèi)星具有板載原子鐘,彼此同步,并且周期性地調(diào)整以與地時(shí)鐘同步.基于由最少4個(gè)衛(wèi)星中的每一個(gè)給出的周期性時(shí)間戳傳輸來(lái)計(jì)算時(shí)間,從而分解傳輸延遲.延遲的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單,因?yàn)樾盘?hào)以光速傳播,衛(wèi)星傳輸它們的位置.
與NTP和PTP不同,可變延遲問(wèn)題不是GPS的問(wèn)題,因?yàn)槎〞r(shí)信息直接來(lái)自衛(wèi)星.唯一的限制是接收器必須有無(wú)障礙的視線.VCXO晶振與衛(wèi)星相對(duì)于接收器的位置相關(guān)的大氣變量和問(wèn)題也會(huì)影響精度.由于在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元件上都有一個(gè)接收器很昂貴,因此通常會(huì)明智地加以控制成本.盡管如此,GPS時(shí)間變得更加實(shí)惠,產(chǎn)生的實(shí)際同步精度低至100ns.
一個(gè)很好的功能是GPS接收器可以在沒(méi)有連接到互聯(lián)網(wǎng)的封閉網(wǎng)絡(luò)中使用.他們還為PTP網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的大師.
結(jié)論
除了提到的定時(shí)同步方法之外,還有其他如同步以太網(wǎng)(SyncE)和范圍間儀表組時(shí)間碼(IRIG時(shí)間碼),值得進(jìn)一步研究.這兩種方法都分配信號(hào)以促進(jìn)同步,但需要專門的硬件.隨著傳統(tǒng)時(shí)分多路復(fù)用型網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到基于IP的交換和多路復(fù)用實(shí)現(xiàn),同步以太網(wǎng)正變得越來(lái)越流行.有關(guān)進(jìn)一步探索,請(qǐng)參閱管理標(biāo)準(zhǔn):ITU-TRec.來(lái)自國(guó)際電信聯(lián)盟的G8261,62和64.11可以使用所提到的方法的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的定時(shí)同步解決方案.例如,基于PTP的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可以從GPS接收器獲得其主時(shí)鐘.grandmaster的其他選項(xiàng)可以從NTP派生的服務(wù)器派生.許多可行的方法和組合可以一起工作,最終通過(guò)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生非常準(zhǔn)確的時(shí)間同步,但每個(gè)方法和組合都是獨(dú)一無(wú)二的,特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)以及一些晶振電子元器件都能滿足現(xiàn)代世界的需求時(shí).

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