LXI总线测试仪器和系统的时间同步研究

汪年斌　曾伟华

摘 要：随着我国国民经济水平的提高，科学技术的不断进步，LXI总线测试仪器以及其系统在新的使用环境下，在时间同步的精度方面提出了亚微秒，甚至是纳秒级的新要求。为了达到上述技术要求，下面就分别从时间戳提取方式、测试系统拓扑结构，以及IEEE1588同步机制等方面进行分析，从而研究出合理的解决方案。

关键词：LXI总线测试仪器；系统；时间同步

LXI总线是一种关于以太网技术的新型测试总线标准，由于其用途的关系，有关人员对该技术的时间同步精度提出了非常高的要求，这将是一个非常有挑战意义的任务。有关人员都很清楚，时间戳提取和拓扑结构对同步精度都有很大影响，为了有效解决这些因素的不利影响，下面提出了一定的改进措施，同时利用试验方式来进行验证。

1 IEEE1588同步机制的研究

1.1 delay request-response机制分析

在2008年有关人士就发布了有关IEEE1588标准的最新版本，其不仅定义了精密时间协议，同时在此基础上还使用了delay request-response（延迟请求响应）以及peer delay（对等延迟）这两种机制，采取技术同步方式处理不同类型时钟。其中的delay request-response机制，主要对时钟与主时钟之间存下的时间偏移，其操作原理主要是分成了六个步骤，具体操作如下所示：

（1）从时钟从主时钟接受发来的Sync报文，并对发送时间t1做记录。

（2）记录接受Sync报文的时间t2。

（3）通过两种方式，主时钟将t1发送给从时钟，其一是通过Sync报文传递方式，其二是通过Follow-Up报文传递方式。

（4）此后，从时钟将Delay_Req报文发生出去，记录发送时间t3。

（5）Delay_Req报文将由主时钟接收，同时记录接收时间t4。

（6）主时钟将t4以Delay_Resp报文传递方式发送给从时钟。整个工作就会结束。

在这个过程中，技术人员会把各个时间称为时间戳，这些时间戳值能够被从时钟葱粉利用，然后快速的推算出其和主时钟的链路延迟Tdelay，以及时间偏移量Toffset数值，例如在工作中，如果发送与接收的链路延迟没有变化，那么Tdelay以及Toffset可以表现为以下形式：

Tdelay=[（t2-t1）+（t4-t3）]/2 （1）

Toffset=t2-Tdelay-t1 （2）

根据所得的Toffset，从时钟能够合理调整本地时钟的相位、时间和频率，从而保证主从时钟在时间上达到同步。

1.2 peer delay机制

对等延迟机制的作用是为了测量两个端口间链路的延时Tdelay数值，其工作原理也不是太复杂，实际操作中需要五个步骤来完成：

（1）Port1会发送Pdelay_Req报文让Port2予以接收，然后把发送的时候标记为t1。

（2）而当 Port2接收了Pdelay_Req的报后，就直接可以把接收时间标记为t2。

（3）当Port2发送报文后，其就会自动把发送的时间标记为t3。

（4）而后Port2可以使用三种方式把t2、t3和它们之间的差值传递到Port1当中，让其进行接收记录。第一种方式，利用Pdelay_Resp报文把t2与t3的实际差值传递到Port1中，令其接收并记录。第二种方式，Pdelay_Resp_Follow_Up报文会把t2以及t3的差值传递到Port1中，然后让其记录并存储。第三种方式，t2数值需要采用Pdelay_Resp报文传递方式将数值传递到Port1中，并通过利用Pdelay_Resp_Follow_Up，把t3的差值传递到Port1中。

（5）当Port1接收到Delay_Resp的报文后，期会自动记录接收的具体时间t4。然后Port1就能够使用t1、t2、t3以及t4这些实际数据，计算出Port1和Port2的链路延迟Tdelay，如果在此过程中发送的链路延迟和接收的链路延迟是一致的，那么Tdelay就能够这样表示：

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

2 同步以太网在同步精度方面的改進措施

在上述条件的基础上，如果主时钟以及从时钟在本地的精度都在±50×10-6范围，那么利用|t2-t3|等于1ms，就可以得出|t2-t3|之间的最大误差是100ns，由于LXI总线测试系统对精度的要求非常高，而这次计算中所产生如此大的误差是不能接受的，因此需要同步以太网在同步精度方面做进一步改进。同步以太网是一种物理层恢复时钟技术，在实际工作中，其内部会包含时钟恢复电路，可以从接收到的数据中恢复链路所发送的时钟。在改进中先简单搭建了一个LXI总线测试系统，随便选择了一个波形发生器，二者之间使用网线直连方式，使用了物理层芯片PHY提取1588时间戳。实验中发现，如果独立采用IEEE1588功能，主从时钟之间的传递时间精度通常在±100ns，而如果同时采用IEEE1588并同步以太网时间，则主从时钟间的同步精度会在±25ns范围，可以看出利用同步以太网，对IEEE 1588工作中加以辅助，可以有效地提高同步精度。

3 时间戳提取影响同步精度分析

仍然是在LXI总线测试系统当中，启动IEEE 1588的同时保持与以太网的连接，对软件与硬件提取时间戳做对比分析。结果显示，如果采用PHY提取时间错的方法，主时钟和从时钟之间的精度在±25ns上下范围。在测试环境保持不变情况下，如果假设将屏蔽LXI仪器当中的时间戳功能从0s进行提取，结果显示主从时钟之间进度为40μs上下。通过上述测试可以得出，在进行软件提取主从时间戳时，往往会收到程序响应问题的干扰，对提取时间遭横巨大影响，使时间差扩大，IEEE1588的同步精度出现明显的下降。而硬件提取时间戳和软件提取进行对比，有了明显的改进。

除此之外，在做拓扑结构对同步精度的影响的实验中发现，建立LXI总线测试系统过程中，在网络低负载、高负载的环境下，使用不对称的延时能够让同步精度相差百倍以上，最终会造成主从时钟同步精度大幅度下降。

4结束语

通过上述的实验结果就能得知，在实践中可以利用硬件提取时间戳方式，星型拓扑结构同步辅助IEEE 1588时间同步这种方式，会有效提升LXI总线测试仪器和系统的时间同步精度，在以后的工作中，只有不断的努力创新，相信还会发现更好的方式把同步精度提到一个新的水准。

参考文献

[1]张驰，梁彦，李博.基于PXI总线的无线电高度表过程测试方法的研究与实现[J].计算机测量与控制，2010，18（5）：1027-1029.

[2]李尚生，张军，陈佳林.DRFM在高度信号模拟中的应用及关键技术研究[J].宇航计测技术，2013，33（5）：9-18.

[3]李尚生，张军，陈佳林.基于DRFM的通用无线电高度模拟装置的设计[J].海军航空工程学院学报，2013，28（2）：107-126.