随着数字网络的不断发展,基于互联网协议(IP)的技术由于其无处不在,灵活性和可扩展性而日益得到实施.局域网(LAN),广域网(WAN)或甚至蜂窝网络是IP网络的常见示例.当它们在工业控制,测试和测量,甚至是传输语音,视频或数据的数据中继应用中实现时,时序是一个关键的设计考虑因素.例如,语音和视频质量对非确定性延迟和抖动敏感,并且装配线上的机器人机器需要彼此同步.下面康比电子介绍一些相关知识.
IP网络和以太网最初并未设计为同步,如今所需.那么当您的产品具有时序同步要求时,这会如何影响实施？可以采取几种方法.在这里,我们讨论四种常见的实现:网络时间协议(NTP),简单网络时间协议(SNTP),精确时间协议(PTP),以及来自全球定位系统(GPS)等导航系统的定时.幸运的是,从架构的角度来看,这些不同的实现有很多共同之处.

图1:齿轮的数字式例证帮助同步时间

主时钟源
同步网络通常具有主时钟,其基于地球围绕其轴和公历的旋转来源于协调世界时(UTC),该公历基于地球围绕太阳的旋转.1UTC与国际原子时(TAI)有固定的关系.这两次之间的固定关系是基于定期添加到UTC的闰秒来解释地球自转的减速.UTC目前比TAI大36秒.另一个衡量标准是UT1,它基本上是0°经度的平均太阳时.UTC和UT1之间的关系保持在.9秒内.
世界各地都有时间服务器,但在美国,最常用的可能是国家科学技术研究所(NIST).NIST根据UTC,UTC1和网络时间协议(NTP)服务器提供时间,其他计算机和其他网络中的主时钟32.768K基于这些服务器进行计时.但是,存在数百个辅助服务器,并且定时信息也可以来自导航卫星.
时间考虑因素
网络设计中有异步和同步时钟方案.所有同步方法都需要有凝聚力的分层计时解决方案网元(NE)同步需要参考时钟.NE通常需要压控晶体振荡器(VCXO),锁相环(PLL)或时钟发生器,其被调整以实现同步状态.流行的选择包括Abracon的超低相位噪声VXCO振荡器或IDT的82P33814-1NLG同步管理单元,它支持多种同步模式.
无论选择何种解决方案,设计都需要能够提供适量的抖动衰减和相位噪声消除,并能够以适当的同步容差与网络中的所有其他NE同步.时序设计还必须包括保持功能.保持是NE在主或时钟出现故障时将时钟维持在最后已知同步状态的能力.
通用同步解决方案
网络时间协议(NTP)和简单网络时间协议(SNTP)
在公共Internet上最常见的时间同步方法是NTP,其简单版本是SNTP.公共NTP子网的服务器位于所有大陆,太空,甚至海底,支持全球互联网上的数百万台计算机.2个NTP服务器的时间基于UTC,但NIST现在有一个基于UT1的NTP服务器.3
NTP使用软件时间戳来实现时间同步,因此精度在10μs到100ms或更长的宽范围内变化.许多因素导致差异,但通常是由于网络传播,硬件和操作系统中的延迟变量,环境温度变化引起的石英晶体振荡器漂移以及定时更新之间的时间间隔1.
在确定需要对客户端本地时钟进行的时序调整时,需要考虑往返传播延迟.NTP和SNTP使用相同的过程来确定校正因子.假设延迟在两个方向上相同,进行计算.因此,在客户端和服务器之间进行四分组交换.
NTP和SNTP之间的主要区别在于SNTP客户端定期直接从单个SNTP服务器同步其时序.因此,SNTP用于不需要高精度的应用中.4NTP具有复杂的基于状态的算法以提高准确性.

图2:前三个阶段的同步路径

NTP可以在多播/任播,客户端-服务器或对等模式下运行,而SNTP通常以客户端-服务器模式运行.用于分发定时信息的NTP系统是分层的并且被建立为级别,其中级别被分配称为层的数量.Stratum1服务器是最低级别,与国家时间服务同步,而较高级别服务器同步到较低级别服务器.2(NetworkTimeFoundation5是进一步研究的一个很好的实用信息源,它为Unix和Windows操作系统提供了一个名为NTPd的参考实现.)
IEEE1588精确时间协议(PTP)
PTP正迅速成为以太网分组网络中首选的定时同步解决方案,特别是在工业控制,电信和测试和测量应用中,因为它比NTP更精确,更具确定性.PTP在很多方面与NTP类似,但存在一些关键差异.6首先,客户端的时间戳是使用硬件而不是软件实现的,并且尽可能靠近网络接口,以消除与客户端软件相关的不规则延迟,这有助于提高纳秒范围内的准确性.第二个区别在于PTP网络主时钟石英晶振选择过程的稳健性.
同步机制和延迟计算-偏移校正=ó

图3:同步机制和延迟计算-偏移校正=ó

利用PTP,定时信息以一种主从架构在整个网络中分层分布.定时源的根是基于TAI的.称为最佳主数字时钟晶振(BMC)算法的软件从所有可用时钟中选择"主时钟"时钟.然后,定时向下流过每个PTP子域.
还使用BMC方法选择PTP子域的主时钟.多播传输是时钟分配的主要方式,但终端客户端可以使用直接通信与主时钟同步,以单播方式启动定时请求.网络交换机也可能实现"透明时钟",以便在将PTP消息传递给PTP子域之前修改其中的时间戳.此修改用作通过本地设备计算的延迟,以提高接收子域的时间戳的准确性.7
存在良好的PTP解决方案,但选择归结为在微控制器或基于微控制器的解决方案和协议栈中采用谨慎的收发器解决方案与PTP软件堆栈相结合.NetworkTimeFoundation有一个开源PTP堆栈实现调用PTPd,可以免费下载.8最值得注意的分立解决方案是德州仪器(TI)DP83640;这是一个非常通用的部分,在其他工作模式中,输出一个从属节点时钟,该时钟在频率和相位下降到亚纳秒范围内同步到GrandMaster时钟.它还执行NTP时间戳.TI具有出色的应用笔记,可以解释器件配置以及如何实现高精度.9
全球定位系统(GPS)
基于空间的导航系统

图4:基于空间的导航系统包括环绕地球的一组卫星.这些系统提供非常精确的时间和位置.

基于空间的导航系统包括环绕地球的一组卫星.这些系统提供非常精确的时间和位置.美国系统被称为"全球定位系统"(GPS).俄罗斯的"GLObalNAvigationSatelliteSystem"(GLONASS),中国的"北斗导航卫星系统"(BeiDou-2),以及印度的"印度区域导航卫星系统"(IRNSS)存在,其他国家正在开发自己的系统.
GPS卫星具有板载原子钟,彼此同步,并且周期性地调整以与地时钟同步.基于由最少4个卫星中的每一个给出的周期性时间戳传输来计算时间,从而分解传输延迟.延迟的计算相对简单,因为信号以光速传播,卫星传输它们的位置.
与NTP和PTP不同,可变延迟问题不是GPS的问题,因为定时信息直接来自卫星.唯一的限制是接收器必须有无障碍的视线.VCXO晶振与卫星相对于接收器的位置相关的大气变量和问题也会影响精度.由于在每个网络元件上都有一个接收器很昂贵,因此通常会明智地加以控制成本.尽管如此,GPS时间变得更加实惠,产生的实际同步精度低至100ns.
一个很好的功能是GPS接收器可以在没有连接到互联网的封闭网络中使用.他们还为PTP网络提供了一个经济实惠的大师.
结论
除了提到的定时同步方法之外,还有其他如同步以太网(SyncE)和范围间仪表组时间码(IRIG时间码),值得进一步研究.这两种方法都分配信号以促进同步,但需要专门的硬件.随着传统时分多路复用型网络演进到基于IP的交换和多路复用实现,同步以太网正变得越来越流行.有关进一步探索,请参阅管理标准:ITU-TRec.来自国际电信联盟的G8261,62和64.11可以使用所提到的方法的组合来实现联网的定时同步解决方案.例如,基于PTP的工业控制网络可以从GPS接收器获得其主时钟.grandmaster的其他选项可以从NTP派生的服务器派生.许多可行的方法和组合可以一起工作,最终通过网络产生非常准确的时间同步,但每个方法和组合都是独一无二的,特别是当网络和技术以及一些晶振电子元器件都能满足现代世界的需求时.

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