一种高精度的PTP授时服务器设计

【摘要】介绍了一种以北斗为时间频率参考源，基于PID时间偏差控制算法的高精度PTP授时服务器，详细介绍了设备的软、硬件设计方案和实测性能指标。该方案以FPGA 为核心处理器，结合PID时间偏差控制算法，将PTP授时精度提高至7.4ns，有效提高了PTP授时精度。

【关键词】PTP授时;FPGA;PID时间偏差

【作者简介】潘玲娇，江苏南通人，硕士，嵌入式工程师，中级工程师，研究方向：时间同步系统。

中图分类号：TN94                 文献标识码：A               文章编号：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

对于一个进入信息社会的现代化大国，北斗导航定位和授时系统是最重要、最关键的国家基础设施之一。在日常通信网络监控、电力系统调控及高铁调度等众多领域均需要精确的时间服务器来保证时间的一致性。目前常用的网络授时主要基于NTP协议、PTP协议实现，市面上的NTP授时服务器授时精度大多数优于10ms，经过多层级的交换后，授时精度会大大下降，从而NTP授时服务多用于授时精度要求低的场合。因此为提高网络授时的精度，研制一款基于PTP协议的高精度授时服务器很有必要性。

1. PTP原理

PTP共有两种机制进行网络延时的处理。使用延迟请求响应机制计算网络延迟，則共需要2种报文，分别为延迟请求报文（Delay Req）以及延迟应答报文（Delay Resp）。如果使用Peer延时机制，则需要用到端延迟请求报文（Pdelay-Req）、端延迟应答报文（Pdelay-Resp）以及端延迟应答跟随报文（Pdelay-RespFollow up）（可选）。PTP普通和边界时钟的端口可以利用其中的任何一种机制。透明时钟可以分为点对点（End to End，E2E）透明时钟和端到端（Peer to Peer，P2P）透明时钟。E2E透明时钟独立于这两种机制。P2P透明时钟使用Peer延时机制。

PTP按照IEEE1588v2通信协议设计，如图1和2所示给出的报文交互过程及两种延迟机制的同步流程。主时钟以ΔTn，为周期发送通告报文，以ΔTn为周期发送同步报文与跟随报文。通告报文的发送间隔ΔTn，独立于同步报文的发送间隔ΔTn。通告报文包含一些主时钟基本信息，用于从时钟进行最佳主时钟算法的相关参数的提取。同步报文发送后主时钟处产生发送时间戳t1。t1时间戳在双步发送模式下需要将时间戳信息置入跟随报文里发送。如果采用单步发送模式，则仅需将t1时间戳在同步报文发送时嵌入其中一起发送即可。从设备接收到主设备发送过来的同步报文后，会产生本地接收时间戳t2。此时对等的主时钟时间记为t2m。从时钟会在同步报文里读取相关信息位获知主时钟采取单步还是双步发送方式。如果是双步发送方式，从时钟会从跟随报文里提取t1时间戳信息。如果是单步发送方式，从时钟会直接读取同步报文的相关信息位获取t1时间戳信息，而不需要发送跟随报文。

PTP主从时钟间的实际相位偏移θ如下公式所示。

其中tslave。指PTP从时钟的运行时间，tmaste是指PTP主时钟的运行时间。同步报文发送所经历的主从网络延迟ms_ delay和延迟请求报文发送所经历的从主网络延迟sm_delay如下公式所示。

在IEEE1588v2通信协议标准中定义了主从时钟间的平均延迟。假定ms_delay与sm_delay相等，延迟中的不对称因素将给时钟的偏差纠正带来错误。计算的平均延迟时间与实际的延迟时间由于非对称因素的存在差异。最终的纠正偏差值与网络延迟分别如下公式所示，其中θ为主从时钟的时间偏差值，one_way_delay为网络延迟。

2. 硬件设计

PTP授时服务器采用分体式设计，由北斗天线、主机、线缆接插件等外围配套设备组成。主机内包含PTP授时模块、电源管理模块、北斗处理模块、应用处理模块。北斗天线接收北斗RNSS-B1、RNSS-B3和RDSS_S三个频点卫星导航定位射频信号，同时对RDSS-L发射信号的功率有放大功能。北斗处理模块中经过射频前端的下变频、数字化、基带信号处理后提取出各种观测量，进行PVT解算，输出位置时间信息及1PPS给PTP授时模块。PTP授时模块以其为参考快速完成本地时间及频率校准，并按照协议要求实现PTP授时。