在圍繞賽靈思FPGA及SoC器件構(gòu)建的產(chǎn)品中，一種基于以太網(wǎng)的高精度時序解決方案正在進(jìn)入市場。

電信和信息科學(xué)的最新發(fā)展正在推動工業(yè)時間傳輸要求明顯接近科研應(yīng)用水平。例如，即將到來的100G以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及5G移動電信要求時序精度在幾納秒范圍內(nèi)，而用于配電的智能電網(wǎng)則要求亞微秒精度。高頻率交易的時間戳（一般指股票交易）需要可靠的機(jī)制將時間從認(rèn)證機(jī)構(gòu)分配給業(yè)務(wù)中心。最后，GPS或伽利略等采用GNSS技術(shù)的定位服務(wù)都可通過高精度同步機(jī)制獲得優(yōu)勢。

一種誕生于歐洲核研究機(jī)構(gòu)CERN、名為“大白兔”的以太網(wǎng)技術(shù)旨在滿足這些應(yīng)用及其他應(yīng)用的高精度時間需求。以《愛麗絲仙境奇遇記》中著迷于時間的野兔命名的“大白兔”技術(shù)基于并兼容于PTPv2（IEEE-1588v2）和同步以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，但經(jīng)過適當(dāng)修改，可實現(xiàn)亞納秒精度。“大白兔”不僅天生可通過遠(yuǎn)距離鏈路執(zhí)行自校準(zhǔn)，而且還能夠以極小的退化將時間分配給極大數(shù)量的設(shè)備。

我們的分支機(jī)構(gòu)Seven Solutions SL自2009年“大白兔”技術(shù)創(chuàng)世以來就一直在開發(fā)該技術(shù)，其始終致力使用賽靈思全可編程解決方案將大白兔產(chǎn)品帶入市場。我們的最新產(chǎn)品是ZEN（Zynq?嵌入式節(jié)點）電路板，這是一款旨在保持高精度參考時鐘的時序電路板，不僅可為其它節(jié)點提供時序信息，同時還可在“大白兔”網(wǎng)絡(luò)框架中進(jìn)行自我同步。

由于價格原因，基于芯片級原子鐘等高精度時鐘的解決方案對于大規(guī)模采用而言成本太高。

時間簡史

物理學(xué)家一直都理解時間的重要性，多年來已經(jīng)發(fā)明了各種測量時間的方法。從簡單的天空掃描技術(shù)（日規(guī)、測星儀）到依靠亞原子世界（原子鐘）屬性的復(fù)雜機(jī)制，科學(xué)家一直都在為開發(fā)精確時鐘而孜孜不倦地工作?，F(xiàn)有時鐘在大約3億年內(nèi)不會有1秒的誤差，這種精度在許多應(yīng)用中至關(guān)重要，例如維持國家度量衡實驗室時標(biāo)。

不過，這些極為精確的時鐘非常昂貴、脆弱，并且會占據(jù)大量的物理空間。因此它們并不適合許多現(xiàn)實場景。實際上大多數(shù)應(yīng)用通常依賴電子產(chǎn)品，其包含低成本時鐘（晶體振蕩器）。只需花上幾美元，我們就可在一大批規(guī)格各異的振蕩器中做出選擇。

對于簡單的應(yīng)用而言，振蕩器的精確度已經(jīng)足夠了。但在許多其它需要同步通信或全局時間概念來同步工作的應(yīng)用領(lǐng)域（分布式儀器）中，這些彼此互不相連的“自由運行時鐘”就無法使用了。雖然設(shè)計人員可通過安裝較好的振蕩器來局部解決該問題，但在技術(shù)上這樣做并非總是可行。單獨的時鐘仍然沒有同步，即便小小的頻率偏差，也會讓這種方法失效。

然而由于價格原因，基于高精度時鐘（如芯片級原子鐘或CSAC）的解決方案對于大規(guī)模采用而言成本太高。在這些情況下，替代方法是將時鐘信息從基準(zhǔn)時鐘（高穩(wěn)定、一般價格昂貴）分配給網(wǎng)絡(luò)中所有其它需要準(zhǔn)確同步的組份。問題是我們?nèi)绾尾拍茏龅剑?/p>

時間傳輸技術(shù)

分配時間可選擇多種方法。請注意分配頻率（涉及通過導(dǎo)線發(fā)送振蕩器信號）與分配相位（當(dāng)事件在網(wǎng)絡(luò)的所有組份中以極為一致的瞬間觸發(fā)時）不同。

例如，我們可通過使用同軸線纜或光纖傳輸時鐘振蕩來解決第一個問題（頻率分配）。在第二個場景（相位分配）中，我們不僅可在導(dǎo)線上編碼一個脈沖，進(jìn)行每秒傳輸，而且還可將這個脈沖作為參考，知道新的每秒開始的時間。這種技術(shù)一般被稱為每秒脈沖（PPS）信號。

另外，還存在第三個問題。我們可能還需要提供時間，這不僅要讓各項工作按相同時間運行，或是提供有關(guān)何時開始計數(shù)（相位）的相同參考，而且還要確保我們在所有設(shè)備中具有相同的時間。因此，可通過從中央時間服務(wù)器傳播時間信息，然后測量該消息的傳播時間并在每個節(jié)點上對其進(jìn)行標(biāo)注的方法來分配時間值。有了頻率、相位（PPS）和時間這三個元素，我們就可以說網(wǎng)絡(luò)是同步的。

目前的工業(yè)解決方案以不同的方法提供這些屬性。例如，GPS設(shè)備通過提供參考頻率（10至50MHz）、PPS信號和串行碼來提供時間（一般基于NMEA協(xié)議）。這種方法廣泛用于大量需要準(zhǔn)確同步的系統(tǒng)中，因為不同儀器可以便捷連接至不同的GPS接收器。但它使用大量低級信號。在電網(wǎng)應(yīng)用中，這些值通過名為IRIG-B的簡單協(xié)議提供，其可提供時間和PPS信息。過去，IRIG-B方法一直能充分滿足同步電網(wǎng)的需求。然而今天它不能處理“智能電網(wǎng)”，因為這種電網(wǎng)正在變得空前復(fù)雜，而且還包含需要更高精度的新型能源監(jiān)控應(yīng)用。

隨著數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)的基本普及，交換網(wǎng)絡(luò)以往使用的機(jī)制已經(jīng)過發(fā)展演化，適應(yīng)了數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)。在基于精確時間協(xié)議（PTPv2或IEEE-1588v2）加同步以太網(wǎng)（SynCE）的解決方案中，SDH/SONET技術(shù)也在逐漸轉(zhuǎn)變。PTPv2是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）的工業(yè)演化版，該協(xié)議被互聯(lián)網(wǎng)用于同步整個網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)。PTPv2依靠硬件時間戳機(jī)制顯著改善時間同步的精度。

第二種機(jī)制SynCE可實現(xiàn)在數(shù)據(jù)載體上編碼時鐘信號。采用這種對用戶透明的方法，我們可將時鐘信息和頻率分配給所有設(shè)備。將PTPv2與SynCE配對，有助于我們針對電信無縫使用數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)。這種組合是當(dāng)前電信、電網(wǎng)和自動化應(yīng)用中最常見的解決方案。請注意，一些與相位傳播及系統(tǒng)可擴(kuò)展性有關(guān)的關(guān)鍵問題仍然十分重要，而且尚待解決。

科學(xué)應(yīng)用及更高層次應(yīng)用

許多應(yīng)用都需要把參考時鐘源信息傳播到不同目的地點。科研機(jī)構(gòu)可能是需要高精度時間分配最為嚴(yán)格的基礎(chǔ)設(shè)施。從CERN的LHC加速器到CTA、SKA或KM3NeT等大型射電天文分布式設(shè)施，所有這些都需要超高精度的時間與頻率分配。

但新一代IT及通信應(yīng)用還需要使用目前標(biāo)準(zhǔn)方法無法實現(xiàn)的極高精度時間傳輸。例如在GPS應(yīng)用領(lǐng)域，測量衛(wèi)星信號傳播時間等同于測量距離，因此定位與時間精度測量密切相關(guān)。一般來說，GNSS容易受阻塞或電子欺騙問題的影響。所以在用于時間分配時，建議重要基礎(chǔ)設(shè)施將地面替代方案（基于光纖）用作互補(bǔ)冗余機(jī)制。

“大白兔”解決方案

“大白兔”（）是精確時序以太網(wǎng)的擴(kuò)展和外延。它是CERN于2009年構(gòu)思的一個開放式協(xié)作軟硬件項目，技術(shù)行業(yè)已急切開始參與了其發(fā)展。源代碼提供在開放式硬件資源庫（OHWR，）中，以鼓勵不同企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。

從一開始起，位于西班牙格拉納達(dá)的Seven Solutions （）就一直在協(xié)作設(shè)計各種大白兔產(chǎn)品，其中包括電子產(chǎn)品、固件以及門控件。此外，該公司還可提供基于該技術(shù)的定制解決方案和交鑰匙解決方案。

圖1：白兔應(yīng)用概要

作為以太網(wǎng)的擴(kuò)展，”大白兔”技術(shù)正在接受評估，以加入高精度配置文件框架中的新一代高精度時間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEEE-1588v3）中。標(biāo)準(zhǔn)化將有助于“大白兔”集成至未來各種不同技術(shù)中，如圖1所示。

“大白兔”技術(shù)的深入介紹

“大白兔”整合大量機(jī)制，可優(yōu)化其位于以太網(wǎng)擴(kuò)展框架內(nèi)的時序精度，因此可保留以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)。此外，“大白兔”還集成PTP、同步以太網(wǎng)以及數(shù)字雙路混合器時間差異（DMTD）相位跟蹤技術(shù)。

Seven Solutions提供的全新ZEN電路板將展示“大白兔”的主要組份如何在產(chǎn)品中結(jié)合（圖2）。ZEN電路板以賽靈思Zynq-7000全可編程SoC為基礎(chǔ)，內(nèi)含“大白兔”內(nèi)核以及可提供高精度時鐘的千兆位以太網(wǎng)MAC實現(xiàn)方案。在“大白兔”內(nèi)核中實現(xiàn)的同步機(jī)制包括以下組份：

頻率同步（同步）：這可通過使用SynCE實現(xiàn)，其可編碼數(shù)據(jù)載體中的時鐘信號。為確保所有節(jié)點都使用相同的頻率，我們采用一個基于本地振蕩器的機(jī)制，該振蕩器可通過從光鏈路恢復(fù)的外部時鐘進(jìn)行控制。

相位同步：節(jié)點的物理時鐘可轉(zhuǎn)發(fā)至主設(shè)備組份，或從主設(shè)備組份轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點，以便主設(shè)備能夠?qū)⒃撔盘枺▉碜詮脑O(shè)備）的相位與自己的相位相比較。偏差應(yīng)該與信號通過光纖的傳播時間相同（使用PTP進(jìn)行正確測量）。有了該信息，主設(shè)備就可確定其自己的時鐘與來自從設(shè)備的時鐘之間的相位差，并要求從設(shè)備將其相位轉(zhuǎn)換成與主設(shè)備完全相同的值。該過程可通過在FPGA門控件中實現(xiàn)一個數(shù)字DMTD來數(shù)字化完成。