摘 要：了更好地利用IEEE1588 時(shí)間同步協(xié)議，準(zhǔn)確地預(yù)測時(shí)間同步間隔，根據(jù)IEEE1588 時(shí)間同步原理，分析了影響時(shí)間同步的因素，詳細(xì)研究了晶振穩(wěn)定度對時(shí)間同步的影響。得到了準(zhǔn)確的解析表達(dá)式，并根據(jù)分析得出的解析表達(dá)式確定了同步時(shí)間間隔的大小。通過實(shí)際項(xiàng)目測量，表明理論分析與實(shí)際測量結(jié)果相符，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　0 引言

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，時(shí)間同步技術(shù)的應(yīng)用也日趨廣泛。IEEEl588 精密時(shí)鐘協(xié)議（the Precision Time Protocol 簡稱PTP），是一種網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議。它廣泛應(yīng)用于測量與控制系統(tǒng)的主從設(shè)備的時(shí)間同步技術(shù)中。該協(xié)議能夠?yàn)橄到y(tǒng)進(jìn)行的時(shí)間同步，同步時(shí)間能夠達(dá)到亞微秒量級，并且可能達(dá)到更高的時(shí)間。

　　在IEEE1588 同步協(xié)議中，同步時(shí)間主要受到主從設(shè)備的通訊路徑不對稱和晶振穩(wěn)定度額影響。其中主設(shè)備和從設(shè)備的晶振穩(wěn)定性差異是影響時(shí)間同步的主要原因。

　　由于石英晶體的制造工藝和自身的振蕩特性，即便是同一公司生產(chǎn)的同一批次的同一型號的兩個(gè)石英晶體振蕩器之間也會存在頻率誤差。由于石英晶體的頻率漂移和頻率誤差的不可避免性，所以研究晶振穩(wěn)定性對IEEE1588 同步時(shí)間的影響是很有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值的。

　　1 IEEE1588 時(shí)間同步原理

　　IEEE1588 時(shí)間同步過程是通過主從設(shè)備間相互傳遞帶有時(shí)間戳的信號來計(jì)算出主從設(shè)備間的時(shí)間偏移量，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間偏移的補(bǔ)償。

　　圖1 展示了主從設(shè)備間進(jìn)行時(shí)間同步的過程。同步需要主從設(shè)備間進(jìn)行4 次通信（4 次報(bào)文傳遞），通過報(bào)文中的時(shí)間戳信息的交換，從設(shè)備可以計(jì)算出主從設(shè)備間時(shí)間偏移量。

　　從設(shè)備得到了 t 1， t 2 ， t 3 和 t 4四個(gè)時(shí)間信息后，可以得到下面的公式：

　　式中，  tms 表示t 2 和t1  之間的時(shí)間間隔；  tsm 表示 t4 和 t 3之間的時(shí)間間隔；  tmean _ path _ delay _ ms 表示主設(shè)備到從設(shè)備的路徑延遲； tmean _ path _ delay _ sm 表示從設(shè)備到主設(shè)備的路徑延遲； toffset 表示從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移量。

　　由式（1）、式（2）可以得到：

　　式（1）中：  t ′ m表示更新后的從時(shí)鐘時(shí)間； t m表示帶有偏差的未更新的從時(shí)鐘時(shí)間。

圖1 時(shí)鐘同步原理

　　由于晶振的不穩(wěn)定度以及傳輸路徑延遲的不對稱性等原因造成的主從設(shè)備間的時(shí)間偏移量是隨時(shí)間不斷累加的。

　　為了確保特定的時(shí)間，同步過程需要以特定的時(shí)間間隔進(jìn)行重復(fù)進(jìn)行。

　　2 影響時(shí)間同步的因素

　　由式（3）可以得出，時(shí)鐘的偏移量與兩個(gè)因素有關(guān)。個(gè)因素是主從設(shè)備間的傳輸路徑延遲t mean _ path _ delay _ sm 和t mean _ path _ delay _ ms 的不確定性影響時(shí)間同步；第二個(gè)因素是主從設(shè)備間傳遞的時(shí)間信息 t 1， t 2 ， t 3 和 t 4 的誤差影響時(shí)間同步。

　　2.1 路徑延遲分析

　　對于固定的主從設(shè)備，主從設(shè)備間的傳輸路徑是固定的。在實(shí)際應(yīng)用中， 路徑延遲tmean _ path _ delay _ sm  和 tmean _ path _ delay _ ms 可以通過性的測量得到，在固定的主從系統(tǒng)中，路徑延遲給IEEE1588 協(xié)議造成的時(shí)間誤差是可以忽略的。在非固定的主從設(shè)備中，路徑延遲的變化則會給同步時(shí)間造成嚴(yán)重影響。而這里的分析則假設(shè)傳輸路徑是對稱的，即：

　　從而（3）式可以簡化為：

　　2.2 時(shí)間信息誤差分析

　　時(shí)間信息t 1， t 2 ， t 3 和 t 4  的誤差主要是由兩個(gè)因素造成的：用于時(shí)間信息接收的采樣時(shí)鐘的相位誤差和主從設(shè)備的晶振穩(wěn)定度。

　　采樣時(shí)鐘的相位誤差造成的影響是不可避免的，所謂的時(shí)鐘相位誤差是指采樣時(shí)鐘的采樣沿不對齊（相位誤差）造成的采樣點(diǎn)不同。進(jìn)而造成了時(shí)間信息t 1， t 2 ， t 3 和 t 4  的誤差。雖然采樣時(shí)鐘的誤差是不可避免的，但是由它造成的同步時(shí)間誤差只有一個(gè)時(shí)鐘周期，在高速時(shí)鐘工作時(shí)，這個(gè)誤差是可以被忽略不計(jì)的。

　　主從設(shè)備的晶振穩(wěn)定度是造成主從同步時(shí)鐘誤差的重要因素，是由晶振的硬件物理特性決定的。下面的研究也將針對這一因素進(jìn)行深入的分析和研究。

　　3 分析晶振穩(wěn)定度對IEEE1588同步的影響

　　晶振是電子設(shè)備中時(shí)鐘計(jì)數(shù)的基準(zhǔn)，時(shí)鐘的表示通常通過計(jì)數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)的。在IEEE1588 同步協(xié)議[8]中，主從設(shè)備的晶振穩(wěn)定度的差異是影響時(shí)間同步的主要因素之一，晶振的頻率和頻偏的大小直接決定同步的時(shí)間。

　　主從設(shè)備由兩個(gè)不同的晶體振蕩器提供基準(zhǔn)脈沖，所以主從設(shè)備的晶振不可避免地存在一個(gè)頻率誤差Δf 。

　　3.1 主從設(shè)備晶振間的誤差研究

　　若一個(gè)晶振的頻率為f，頻率穩(wěn)定度為δ。則其實(shí)際的頻率可以表示為：

　　兩個(gè)設(shè)備間所采用的晶振，可以根據(jù)下面的推導(dǎo)來得到兩個(gè)晶振之間的誤差。

　　函數(shù)f （x, y） = x - y ,在點(diǎn)（x 0 , y0 ）展開并忽略高此項(xiàng)有：

　　式（7）中， Δf ′ 是變量x 和y 進(jìn)行運(yùn)算后的函數(shù)f （x, y） 在（x0 , y0 ）處的誤差。

　　主從設(shè)備中的采用的晶體振蕩器的指標(biāo)假設(shè)為：主設(shè)備晶振頻率為 f10 ,頻率穩(wěn)定度為δ 1；從設(shè)備晶振振蕩頻率為 f 20，頻率穩(wěn)定度為 δ2 。主從設(shè)備的晶振頻率可以表示為：

　　式（8）、式（9）帶入式f （x, y） = x - y 中，然后將f （x, y）、 f10 、 f20 ， δ 1和 δ2 分別帶入到（7）式中的f （x, y）、x0  、y0  、Δx 和Δy 。得到的兩個(gè)晶振之間的頻率誤差Δf 為：

　　主從設(shè)備的晶振頻率通常都是相等的， 令  f 10= f20 = f 0，則有：

　　3.2 晶振誤差對同步時(shí)間間隔長度的制約

　　根據(jù)第2 部分主從設(shè)備時(shí)間同步過程的分析，主從設(shè)備間的時(shí)間同步過程是周期性進(jìn)行的。如何根據(jù)晶振的穩(wěn)定度來確定的同步周期，以實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備間既能夠滿足系統(tǒng)的時(shí)間要求，又能夠限度地減小同步過程所占用的通信帶寬是下面要研究的。

　　主從設(shè)備的時(shí)鐘通常由脈沖計(jì)數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)，在時(shí)間同步過程中，主時(shí)鐘是同步的基準(zhǔn)時(shí)鐘，它不需要糾正，為不失一般性，假設(shè)主時(shí)鐘是準(zhǔn)確的，所以從時(shí)鐘的誤差就是3.1節(jié)中分析得到的式（11）中的Δf 。

　　主時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值表示為Cm （t） = f1 × t ，從時(shí)鐘的計(jì)數(shù)值表示為 Cs（t) = f2 × t ，從時(shí)鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)偏移量為：

　　由3.1 節(jié)的分析將主從設(shè)備間的晶振誤差（11）式引入（12）式可以得到：

　　每計(jì)數(shù)，從設(shè)備需要的時(shí)間為晶振振蕩所需的時(shí)間1/ f0 ，所以由從時(shí)鐘的時(shí)間計(jì)數(shù)偏移量很容易得到從時(shí)鐘的時(shí)間偏移量：

　　假設(shè)每次同步過程的時(shí)間間隔為 T0，將其帶入式（14），就可得到主從設(shè)備受晶振影響產(chǎn)生的的從時(shí)鐘的時(shí)間偏移量：

　　4 結(jié)語

　　在某一激光告警器的主從設(shè)備中，IEEE1588 時(shí)間同步協(xié)議已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，該設(shè)備采用相同型號的兩塊晶振：頻率100 MHz，頻率穩(wěn)定度5×10-6。每次同步過程的時(shí)間間隔采用50 ms。將上述的數(shù)據(jù)帶入到式（15）得到從設(shè)備受晶振影響產(chǎn)生的從時(shí)鐘的時(shí)間偏移量為：0.5 us。而實(shí)驗(yàn)測量的實(shí)際從設(shè)備的時(shí)間偏移量為290 ns 或300 ns。而通過式（15）得到的時(shí)間偏移量是根據(jù)晶振穩(wěn)定度的偏差量來求得的，實(shí)際晶振在工作室穩(wěn)定度是一個(gè)隨機(jī)的值，所以實(shí)際測得的數(shù)據(jù)在時(shí)間偏移量的范圍之內(nèi)是正確的，符合分析結(jié)果。