【摘要】介紹了一種以北斗為時間頻率參考源，基于PID時間偏差控制算法的高精度PTP授時服務(wù)器，詳細介紹了設(shè)備的軟、硬件設(shè)計方案和實測性能指標。該方案以FPGA 為核心處理器，結(jié)合PID時間偏差控制算法，將PTP授時精度提高至7.4ns，有效提高了PTP授時精度。

【關(guān)鍵詞】PTP授時;FPGA;PID時間偏差

【作者簡介】潘玲嬌，江蘇南通人，碩士，嵌入式工程師，中級工程師，研究方向：時間同步系統(tǒng)。

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1673-0348（2020）020-037-04

A high-precision PTP timing server design

Pan Lingjiao

（Jiangsu Radio Factory Co.， Ltd. Jiangsu， Nanjing， 210000）

Abstract： This paper introduces a high-precision PTP timing server based on the PID time deviation control algorithm with Beidou as the time and frequency reference source. The software and hardware design schemes and measured performance indicators of the equipment are introduced in detail. This solution uses FPGA as the core processor， combined with PID time deviation control algorithm， to increase the PTP timing accuracy to 7.4ns， which effectively improves the PTP timing accuracy.

Keywords： PTP timing; FPGA; PID time deviation

對于一個進入信息社會的現(xiàn)代化大國，北斗導(dǎo)航定位和授時系統(tǒng)是最重要、最關(guān)鍵的國家基礎(chǔ)設(shè)施之一。在日常通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、電力系統(tǒng)調(diào)控及高鐵調(diào)度等眾多領(lǐng)域均需要精確的時間服務(wù)器來保證時間的一致性。目前常用的網(wǎng)絡(luò)授時主要基于NTP協(xié)議、PTP協(xié)議實現(xiàn)，市面上的NTP授時服務(wù)器授時精度大多數(shù)優(yōu)于10ms，經(jīng)過多層級的交換后，授時精度會大大下降，從而NTP授時服務(wù)多用于授時精度要求低的場合。因此為提高網(wǎng)絡(luò)授時的精度，研制一款基于PTP協(xié)議的高精度授時服務(wù)器很有必要性。

1. PTP原理

PTP共有兩種機制進行網(wǎng)絡(luò)延時的處理。使用延遲請求響應(yīng)機制計算網(wǎng)絡(luò)延遲，則共需要2種報文，分別為延遲請求報文（Delay Req）以及延遲應(yīng)答報文（Delay Resp）。如果使用Peer延時機制，則需要用到端延遲請求報文（Pdelay-Req）、端延遲應(yīng)答報文（Pdelay-Resp）以及端延遲應(yīng)答跟隨報文（Pdelay-RespFollow up）（可選）。PTP普通和邊界時鐘的端口可以利用其中的任何一種機制。透明時鐘可以分為點對點（End to End，E2E）透明時鐘和端到端（Peer to Peer，P2P）透明時鐘。E2E透明時鐘獨立于這兩種機制。P2P透明時鐘使用Peer延時機制。

PTP按照IEEE1588v2通信協(xié)議設(shè)計，如圖1和2所示給出的報文交互過程及兩種延遲機制的同步流程。主時鐘以ΔTn，為周期發(fā)送通告報文，以ΔTn為周期發(fā)送同步報文與跟隨報文。通告報文的發(fā)送間隔ΔTn，獨立于同步報文的發(fā)送間隔ΔTn。通告報文包含一些主時鐘基本信息，用于從時鐘進行最佳主時鐘算法的相關(guān)參數(shù)的提取。同步報文發(fā)送后主時鐘處產(chǎn)生發(fā)送時間戳t1。t1時間戳在雙步發(fā)送模式下需要將時間戳信息置入跟隨報文里發(fā)送。如果采用單步發(fā)送模式，則僅需將t1時間戳在同步報文發(fā)送時嵌入其中一起發(fā)送即可。從設(shè)備接收到主設(shè)備發(fā)送過來的同步報文后，會產(chǎn)生本地接收時間戳t2。此時對等的主時鐘時間記為t2m。從時鐘會在同步報文里讀取相關(guān)信息位獲知主時鐘采取單步還是雙步發(fā)送方式。如果是雙步發(fā)送方式，從時鐘會從跟隨報文里提取t1時間戳信息。如果是單步發(fā)送方式，從時鐘會直接讀取同步報文的相關(guān)信息位獲取t1時間戳信息，而不需要發(fā)送跟隨報文。

PTP主從時鐘間的實際相位偏移θ如下公式所示。

其中tslave。指PTP從時鐘的運行時間，tmaste是指PTP主時鐘的運行時間。同步報文發(fā)送所經(jīng)歷的主從網(wǎng)絡(luò)延遲ms_ delay和延遲請求報文發(fā)送所經(jīng)歷的從主網(wǎng)絡(luò)延遲sm_delay如下公式所示。

在IEEE1588v2通信協(xié)議標準中定義了主從時鐘間的平均延遲。假定ms_delay與sm_delay相等，延遲中的不對稱因素將給時鐘的偏差糾正帶來錯誤。計算的平均延遲時間與實際的延遲時間由于非對稱因素的存在差異。最終的糾正偏差值與網(wǎng)絡(luò)延遲分別如下公式所示，其中θ為主從時鐘的時間偏差值，one_way_delay為網(wǎng)絡(luò)延遲。

2. 硬件設(shè)計

PTP授時服務(wù)器采用分體式設(shè)計，由北斗天線、主機、線纜接插件等外圍配套設(shè)備組成。主機內(nèi)包含PTP授時模塊、電源管理模塊、北斗處理模塊、應(yīng)用處理模塊。北斗天線接收北斗RNSS-B1、RNSS-B3和RDSS_S三個頻點衛(wèi)星導(dǎo)航定位射頻信號，同時對RDSS-L發(fā)射信號的功率有放大功能。北斗處理模塊中經(jīng)過射頻前端的下變頻、數(shù)字化、基帶信號處理后提取出各種觀測量，進行PVT解算，輸出位置時間信息及1PPS給PTP授時模塊。PTP授時模塊以其為參考快速完成本地時間及頻率校準，并按照協(xié)議要求實現(xiàn)PTP授時。