一種TDMA網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)間同步技術(shù)

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 朱 磊陸軍航空兵軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室 曹德垚

一種TDMA網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)間同步技術(shù)

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 朱 磊
陸軍航空兵軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室 曹德垚

本文介紹了一種基于TDMA機(jī)制的設(shè)備精確時(shí)間同步的技術(shù)。通過(guò)搭建低成本硬件電路的方式,采用往返計(jì)時(shí)周期測(cè)量方法,控制DAC輸出,實(shí)現(xiàn)改變本地時(shí)鐘的目的。該技術(shù)降低了設(shè)計(jì)成本和開(kāi)發(fā)難度,延長(zhǎng)了產(chǎn)品生命周期,設(shè)計(jì)靈活且容易實(shí)現(xiàn)。

TDMA;同步;NTR;恒溫壓控晶振

1.引言

基于TDMA運(yùn)行機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)必須建立網(wǎng)內(nèi)同步,使各個(gè)設(shè)備工作在同一時(shí)間基準(zhǔn)上。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的任務(wù)就是使網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)從設(shè)備的本地時(shí)間無(wú)限接近網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)時(shí)間。在主從時(shí)間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,指定其中一個(gè)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)NTR(Network Time Reference),這個(gè)節(jié)點(diǎn)所保持的時(shí)間即是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)同步質(zhì)量的惡化將導(dǎo)致傳輸信號(hào)中產(chǎn)生大量的抖動(dòng)、幀失步、誤碼,甚至網(wǎng)絡(luò)中斷,嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)

當(dāng)前基于TDMA的通信網(wǎng)為了提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的時(shí)間同步能力,最直接的方法就是選用更高等級(jí)的晶振,提高晶振輸出信號(hào)的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度,但是成本也成倍增長(zhǎng)。另外,隨著產(chǎn)品使用時(shí)間的增加,晶振老化加劇,其個(gè)體時(shí)間漂移的差異將造成各個(gè)設(shè)備之間時(shí)間偏差持續(xù)增長(zhǎng),卻沒(méi)有有效的辦法來(lái)控制時(shí)間誤差,影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能。

3.TDMA網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步原理

網(wǎng)內(nèi)時(shí)間同步采用往返計(jì)時(shí)消息的方法實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的時(shí)間同步,其具體工作原理如圖1所示。從設(shè)備在一個(gè)特定的時(shí)隙內(nèi)主動(dòng)發(fā)送RTTI(Round Trip Timing-Interrogation,往返計(jì)時(shí)詢(xún)問(wèn))消息,并在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)接收RTTR(Round Trip Timing-Reply,往返計(jì)時(shí)應(yīng)答)消息。NTR收到RTTI后在當(dāng)前時(shí)隙的固定時(shí)刻準(zhǔn)時(shí)發(fā)送RTTR,RTTR消息中包含由NTR確定的詢(xún)問(wèn)信號(hào)到達(dá)時(shí)間TOAI。從設(shè)備在收到RTTR后確定信號(hào)到達(dá)時(shí)間TOAR。

圖1 往返計(jì)時(shí)消息同步原理示意圖

假設(shè)RTTI和RTTR的傳播時(shí)間相等,忽略從設(shè)備的消息處理時(shí)間、接收抖動(dòng)等誤差,根據(jù)圖1有

式中,TOAI是由NTR終端確定的RTTI詢(xún)問(wèn)消息到達(dá)時(shí)間; TOAR是由從設(shè)備確定的RTTR應(yīng)答消息到達(dá)時(shí)間;td是固定值;tp是 RTT消息的傳播時(shí)間;E是兩個(gè)終端之間的時(shí)鐘偏差,即從設(shè)備需要校正的時(shí)間偏差。整理合并式(a)、(b),有:

利用式(c)即可計(jì)算出從設(shè)備需要校正的時(shí)間偏差E,將此時(shí)間偏差對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行校正即可修正從設(shè)備與NTR之間的時(shí)間偏差。

4.壓控晶振調(diào)節(jié)原理

通信設(shè)備的本地時(shí)鐘信號(hào)源一般采用晶體振蕩器。壓控晶振具有電壓控制端,可以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)對(duì)晶振輸出時(shí)鐘頻率進(jìn)行小范圍調(diào)節(jié)。本方案即是通過(guò)搭建硬件控制電路、采用特殊算法控制此電壓控制端來(lái)實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘的自動(dòng)精密調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間精確同步的。本方案的壓控晶振控制電路如圖2所示。壓控晶振的時(shí)鐘輸出信號(hào)作為設(shè)備的時(shí)鐘源,是整個(gè)設(shè)備工作的時(shí)間來(lái)源。

圖2 壓控晶振控制電路示意圖

5.時(shí)間精確同步技術(shù)詳細(xì)方案

首先測(cè)量從設(shè)備與NTR之間的時(shí)間偏差,通過(guò)調(diào)節(jié)DAC電壓的方法得到一個(gè)初始的穩(wěn)定電壓Vini,此電壓能使從設(shè)備與NTR之間的時(shí)間偏移保持最小。

確定初始電壓后,從設(shè)備發(fā)出RTTI信號(hào),NTR設(shè)備在接收到此信號(hào)后在同一時(shí)隙內(nèi)發(fā)出RTTR信號(hào),如果從設(shè)備是第一次接收到RTTR信號(hào),那么此時(shí)的相對(duì)時(shí)間誤差包含兩部分:

1)電磁波空間傳播延時(shí)造成的時(shí)間誤差△T1;

2)主從設(shè)備之間晶振個(gè)體差異造成的時(shí)間誤差△T2,并且△T1>>△T2。

因此第一次接收到RTTR后只需將傳播延時(shí)誤差抵消即可,并不進(jìn)行DAC電壓調(diào)節(jié)。在將傳播延時(shí)誤差修正后,再次進(jìn)行RTTI時(shí)間請(qǐng)求,接收到RTTR消息后計(jì)算出從設(shè)備的TOA,根據(jù)公式(c)即可計(jì)算出主從設(shè)備之間的時(shí)間誤差△T2,根據(jù)△T2值做如下處理:

1)△T2>0,表示從設(shè)備本地時(shí)間比NTR滯后,如果晶振的電壓頻率特性曲線(xiàn)為正,則需增加電壓輸出值,即增加DAC芯片內(nèi)部電壓參數(shù)設(shè)置值D,反之則需減小電壓參數(shù)設(shè)置值D;

2)△T2<0,表示從設(shè)備本地時(shí)間比NTR提前,如果晶振的電壓頻率特性曲線(xiàn)為正,則需減小電壓輸出值,即減小DAC芯片內(nèi)部電壓參數(shù)設(shè)置值D,反之則需增加電壓參數(shù)設(shè)置值D。

將調(diào)整后的電壓Vt輸出到晶振壓控端即可改變時(shí)鐘輸出頻率,從而達(dá)到調(diào)整從設(shè)備與NTR時(shí)間誤差、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間精確同步的目的。

6.結(jié)束語(yǔ)

本技術(shù)方案適用于對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度要求較高的通信網(wǎng)絡(luò)。此技術(shù)可以在不更換高等級(jí)時(shí)鐘源的情況下,使用較低成本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間精確同步。本方案實(shí)施方法簡(jiǎn)單有效、軟件升級(jí)方便,設(shè)備長(zhǎng)期工作后還可通過(guò)軟件升級(jí)的方式繼續(xù)延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命,節(jié)約了成本、延長(zhǎng)了產(chǎn)品的生命周期。

[1]于佳亮,程華,于天澤。通信同步網(wǎng)與網(wǎng)同步[M]。人民郵電出版社,2011.1.

[2]梅文華,蔡善法。JTIDS/Link16數(shù)據(jù)鏈[M]。國(guó)防工業(yè)出版社,2007.6.

[3]Mischa Schwartz。Mobile Wireless Communications[M]。電子工業(yè)出版社,2006.9.

朱磊(1982-),男,漢族,四川眉山人,工程師,主要從事二次雷達(dá)和數(shù)據(jù)鏈專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作。

曹德垚(1985-),男,彝族,貴州畢節(jié)人,助理工程師,主要從事武器裝備質(zhì)量監(jiān)督工作。