LXI總線測試儀器和系統的時間同步研究

汪年斌　曾偉華

摘 要：隨著我國國民經濟水平的提高，科學技術的不斷進步，LXI總線測試儀器以及其系統在新的使用環境下，在時間同步的精度方面提出了亞微秒，甚至是納秒級的新要求。為了達到上述技術要求，下面就分別從時間戳提取方式、測試系統拓撲結構，以及IEEE1588同步機制等方面進行分析，從而研究出合理的解決方案。

關鍵詞：LXI總線測試儀器；系統；時間同步

LXI總線是一種關于以太網技術的新型測試總線標準，由于其用途的關系，有關人員對該技術的時間同步精度提出了非常高的要求，這將是一個非常有挑戰意義的任務。有關人員都很清楚，時間戳提取和拓撲結構對同步精度都有很大影響，為了有效解決這些因素的不利影響，下面提出了一定的改進措施，同時利用試驗方式來進行驗證。

1 IEEE1588同步機制的研究

1.1 delay request-response機制分析

在2008年有關人士就發布了有關IEEE1588標準的最新版本，其不僅定義了精密時間協議，同時在此基礎上還使用了delay request-response（延遲請求響應）以及peer delay（對等延遲）這兩種機制，采取技術同步方式處理不同類型時鐘。其中的delay request-response機制，主要對時鐘與主時鐘之間存下的時間偏移，其操作原理主要是分成了六個步驟，具體操作如下所示：

（1）從時鐘從主時鐘接受發來的Sync報文，并對發送時間t1做記錄。

（2）記錄接受Sync報文的時間t2。

（3）通過兩種方式，主時鐘將t1發送給從時鐘，其一是通過Sync報文傳遞方式，其二是通過Follow-Up報文傳遞方式。

（4）此后，從時鐘將Delay_Req報文發生出去，記錄發送時間t3。

（5）Delay_Req報文將由主時鐘接收，同時記錄接收時間t4。

（6）主時鐘將t4以Delay_Resp報文傳遞方式發送給從時鐘。整個工作就會結束。

在這個過程中，技術人員會把各個時間稱為時間戳，這些時間戳值能夠被從時鐘蔥粉利用，然后快速的推算出其和主時鐘的鏈路延遲Tdelay，以及時間偏移量Toffset數值，例如在工作中，如果發送與接收的鏈路延遲沒有變化，那么Tdelay以及Toffset可以表現為以下形式：

Tdelay=[（t2-t1）+（t4-t3）]/2 （1）

Toffset=t2-Tdelay-t1 （2）

根據所得的Toffset，從時鐘能夠合理調整本地時鐘的相位、時間和頻率，從而保證主從時鐘在時間上達到同步。

1.2 peer delay機制

對等延遲機制的作用是為了測量兩個端口間鏈路的延時Tdelay數值，其工作原理也不是太復雜，實際操作中需要五個步驟來完成：

（1）Port1會發送Pdelay_Req報文讓Port2予以接收，然后把發送的時候標記為t1。

（2）而當 Port2接收了Pdelay_Req的報后，就直接可以把接收時間標記為t2。

（3）當Port2發送報文后，其就會自動把發送的時間標記為t3。

（4）而后Port2可以使用三種方式把t2、t3和它們之間的差值傳遞到Port1當中，讓其進行接收記錄。第一種方式，利用Pdelay_Resp報文把t2與t3的實際差值傳遞到Port1中，令其接收并記錄。第二種方式，Pdelay_Resp_Follow_Up報文會把t2以及t3的差值傳遞到Port1中，然后讓其記錄并存儲。第三種方式，t2數值需要采用Pdelay_Resp報文傳遞方式將數值傳遞到Port1中，并通過利用Pdelay_Resp_Follow_Up，把t3的差值傳遞到Port1中。

（5）當Port1接收到Delay_Resp的報文后，期會自動記錄接收的具體時間t4。然后Port1就能夠使用t1、t2、t3以及t4這些實際數據，計算出Port1和Port2的鏈路延遲Tdelay，如果在此過程中發送的鏈路延遲和接收的鏈路延遲是一致的，那么Tdelay就能夠這樣表示：

Tdelay=[（t2-t1）+（t4-t3）]/2=[（t2-t3）+（t4-t1）]/2 （3）

2 同步以太網在同步精度方面的改進措施

在上述條件的基礎上，如果主時鐘以及從時鐘在本地的精度都在±50×10-6范圍，那么利用|t2-t3|等于1ms，就可以得出|t2-t3|之間的最大誤差是100ns，由于LXI總線測試系統對精度的要求非常高，而這次計算中所產生如此大的誤差是不能接受的，因此需要同步以太網在同步精度方面做進一步改進。同步以太網是一種物理層恢復時鐘技術，在實際工作中，其內部會包含時鐘恢復電路，可以從接收到的數據中恢復鏈路所發送的時鐘。在改進中先簡單搭建了一個LXI總線測試系統，隨便選擇了一個波形發生器，二者之間使用網線直連方式，使用了物理層芯片PHY提取1588時間戳。實驗中發現，如果獨立采用IEEE1588功能，主從時鐘之間的傳遞時間精度通常在±100ns，而如果同時采用IEEE1588并同步以太網時間，則主從時鐘間的同步精度會在±25ns范圍，可以看出利用同步以太網，對IEEE 1588工作中加以輔助，可以有效地提高同步精度。

3 時間戳提取影響同步精度分析

仍然是在LXI總線測試系統當中，啟動IEEE 1588的同時保持與以太網的連接，對軟件與硬件提取時間戳做對比分析。結果顯示，如果采用PHY提取時間錯的方法，主時鐘和從時鐘之間的精度在±25ns上下范圍。在測試環境保持不變情況下，如果假設將屏蔽LXI儀器當中的時間戳功能從0s進行提取，結果顯示主從時鐘之間進度為40μs上下。通過上述測試可以得出，在進行軟件提取主從時間戳時，往往會收到程序響應問題的干擾，對提取時間遭橫巨大影響，使時間差擴大，IEEE1588的同步精度出現明顯的下降。而硬件提取時間戳和軟件提取進行對比，有了明顯的改進。

除此之外，在做拓撲結構對同步精度的影響的實驗中發現，建立LXI總線測試系統過程中，在網絡低負載、高負載的環境下，使用不對稱的延時能夠讓同步精度相差百倍以上，最終會造成主從時鐘同步精度大幅度下降。

4結束語

通過上述的實驗結果就能得知，在實踐中可以利用硬件提取時間戳方式，星型拓撲結構同步輔助IEEE 1588時間同步這種方式，會有效提升LXI總線測試儀器和系統的時間同步精度，在以后的工作中，只有不斷的努力創新，相信還會發現更好的方式把同步精度提到一個新的水準。

參考文獻

[1]張馳，梁彥，李博.基于PXI總線的無線電高度表過程測試方法的研究與實現[J].計算機測量與控制，2010，18（5）：1027-1029.

[2]李尚生，張軍，陳佳林.DRFM在高度信號模擬中的應用及關鍵技術研究[J].宇航計測技術，2013，33（5）：9-18.

[3]李尚生，張軍，陳佳林.基于DRFM的通用無線電高度模擬裝置的設計[J].海軍航空工程學院學報，2013，28（2）：107-126.