ГЕНЕРАТОР ШКАЛЫ ВРЕМЕНИ
TIMELINE GENERATOR

Область техники
Генератор шкалы времени (ГШВ) относится к устройствам синхронизации сигналов по частоте, сдвигу фазы и шкалы времени (область техники H03L 7/00 в международной классификации), используемым как в системах тактовой сетевой синхронизации, так и в системах единого точного времени (ЕТВ), построенных на основе телекоммуникационных сетей.
Предпосылки к созданию изобретения
Известны три режима сетевой синхронизации сигналов, а именно по частоте, сдвигу фазы и времени. Первый тип синхронизации осуществляется, как правило, используя передачу сигналов синхронизации на физическом уровне. Остальные типы синхронизации предполагают использование для целей сетевой синхронизации цифровую форму представления и более высокие уровни передачи сигналов синхронизации: канальный уровень или сетевой. Характерными представителями этого типа синхронизации являются протоколы NTP (Network time protocol), SNTP (Simple network time protocol) и РТР (Precision time protocol). В данных протоколах для синхронизации времени эталонных и локальных часов (генераторов шкал времени), кроме передачи информации о текущем времени, осуществляется также оценка задержки этой информации в процессе ее передачи. Эта оценка имеет погрешность вследствие асимметрии задержки передачи сигналов в прямом и обратном направлениях. Поэтому в целях повышения точности синхронизации применяется протокол РТР [1]. Характерной особенностью данного протокола является то, что для снижения погрешности, возникающей при оценке задержки, предлагается использовать элементы сетевой поддержки в виде граничных или прозрачных часов.
Оценкой точности синхронизации сигналов генераторов шкал времени служит величина отклонения от эталонного сигнала, например всемирного скоординированного времени - Coordinated Universal Time (UTC (SU)), передаваемого с помощью навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS, или эталонного сигнала частоты и времени Государственной службы времени и частоты (ЭСЧВ ГСЧВ), передаваемого по телекоммуникационным сетям.
Известно [1, 2], что реализация системы ЕТВ на инфраструктуре оператора связи предполагает выполнение двух процессов, связанных с установкой текущего времени и его хранением в локальном ГШВ.
При этом погрешности установки текущего времени и его хранения можно классифицировать с точки зрения вызывающих эти погрешности причин, в виде ошибок передачи и ошибок генерации, как это представлено в таблице 1 [2, 3].
На фиг. 1 приведена функциональная схема первичного эталонного ГШВ [4], который содержит блок приема шкалы времени, генератор частоты, блок передачи шкалы времени.
Известно [5], что для снижения шумов установки, определяемых периодом повторения частоты внутреннего генератора, необходима синхронизация фазы ГШВ по меткам времени эталонного источника.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности синхронизации сигналов локальных ГШВ за счет уменьшения шумов установки, определенных в таблице 1.
В описании и/или на чертежах могут использоваться следующие сокращения:
БК - Блок компараторов
БПШВ - Блок приема шкалы времени
БПРШВ - Блок передачи шкалы времени
ВГКП - Внутренний генератор квантованной последовательности
ГЛИН - Генератор линейно-изменяющегося напряжения
ГШВ - Генератор шкалы времени
ЕТВ - Единое точное время
ВС - Временной селектор
ФЗИ - Формирователь защитного интервала
ЭСЧВ ГСЧВ - Эталонный сигнал частоты и времени Государственной службы времени и частоты
GM - Grand Master (Гроссмейстерские часы)
NTP - Network time protocol (Сетевой протокол времени)
PPS - Pulse per second (Импульс в секунду)
РТР - Precision time protocol (Прецессионный протокол времени)
SNTP - Simple network time protocol (Простой протокол сетевого времени)
ToD - Time of Day (Время дня)
UTC - Coordinated Universal Time (Всемирное координированное время)
Аналогичные решения
Из предшествующего уровня техники известен ряд систем для синхронизации по меткам времени территориально распределенных локальных часов. Например, «Система синхронизации часов по радиоканалу», патент РФ №2037172, G04C 11/02, опубликован 20.10.1995; «Устройство для привязки шкал времени», патент РФ №2046393, G04C 11/02, опубликован 09.06.1995; «Способ стабилизации частоты генератора», патент РФ 2197060, H03L 7/00, G01R 23/12, опубликован 20.01.2003; «Устройство синхронизации часов», патент РФ №2177167, G04C 11/02, Н04K 1/00, опубликован 20.12.2001; «Устройство синхронизации часов», патент РФ №2310221, G04C 11/00, G04G 7/00, опубликован 10.11.2007; «Способ распределения сигналов точного единого времени (ТЕВ) по телекоммуникационной сети и система распределения сигналов точного единого времени», патент РФ №2381538, G04C 11/00, опубликован 10.12.2010; «Аппаратные временные метки сетевых пакетов: улучшенная синхронизация сетевых часов» патент РФ №2404448, G04C 11/00, G06F 13/42, опубликован 20.11.2011; «Способ синхронизации часов и устройство для его реализации» патент РФ №2439643, G04C 11/00, G04G 7/00, опубликован 10.01.2012; «XLi IEEE 1588 Grandmaster Clock (PTPv2)», Symmetricom, User Manual, сайт: www.manualslib.com.
Прототип изобретения
По технической сути наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются гроссмейстерские часы фирмы Symmetricom - «XLi IEEE 1588 Grandmaster Clock (PTPv2)», которые размещены на сайте: www.manualslib.com [6, 7]. Функциональная блок-диаграмма гроссмейстерских часов, представленная в руководстве пользователя на странице 15, приведена на фиг. 2 и содержит блок приема шкалы времени в составе - (Code input); (Time and Clock Recovery); (1 PPS Timing Select), генератор частоты в составе - (Rate Generation); (Rate Output), блок передачи шкалы времени в составе - (Aux. Ref. -1/5/10 MHz); (16.384 MHz Osc. PLL); (Phase Measurement); (Clock DPLL); (DAC Select); (DAC); (10 MHz Osc); (200 MHz PLL); (Phase Compare); (Clock Machine); (1 PPS Output); (Code Generation); (Code Output), отличающиеся тем, что с целью повышения точности синхронизации внутреннего генератора относительно сигнала синхронизации 1PPS, поступающего от первичного эталонного ГШВ, частота внутреннего генератора повышается до 200 МГц в элементе (200 MHz PLL). При этом эффект увеличения точности синхронизация значащих моментов импульсов гроссмейстерских часов по меткам времени 1 PPS достигается за счет того, что уменьшается временная рассогласованность метки времени, определяемая периодом повторения частоты внутреннего генератора.
Недостатком данного решения по увеличению точности синхронизации сигналов за счет повышения частоты внутреннего генератора является то, что, в конечном счете, это приводит к ограничению дальнейшей точности синхронизации сигналов по времени из-за повышения требований к быстродействию элементной базы.
Существо изобретения
Технический результат предложенного решения, обеспечивающий дальнейшее уменьшение шумов установки ГШВ, фиг. 3, достигается за счет того, что подстройка значащих моментов импульсов ВГКП осуществляется не только за счет увеличения частоты ВГКП, которая может быть выбрана, например, 200 МГц, а также за счет дополнительной прецизионной автоподстройки значащих моментов импульсной последовательности ВГКП.
Рассмотрим основные технические положения.
Будем считать, что форма импульса описывается дискретной дельта δ(t)-функцией Кронеккера, то есть:
В этом случае сигнал x(t), характеризующий изменение времени локальных часов и определенный на континууме моментов времени, может быть представлен на интервале [0, Т) в виде несчетного множества смещенных решетчатых функций:
где ε=0, 1/N, …, N-1/N - коэффициент, характеризующий смещение решетчатой функции внутри интервала [0, Т).
Тогда подстройка значащих моментов шкалы времени внутреннего генератора может быть описана процессом выбора определенной решетчатой функции, имеющей наименьший постоянный сдвиг внутри интервала [0, Т) по отношению к импульсам синхронизации, что и реализовано в [6].
N
Таким образом, в этом случае при подстройке значащих моментов шкалы времени внутреннего генератора по отношению к импульсу синхронизации эталонного источника, шум установки будет находиться в пределах Т,
где Т - период повторения импульсной последовательности внутреннего генератора, формирующего шкалу времени;
N
T=T/N - период повторения последовательности значащих моментов внутреннего генератора;
N - целое число в диапазоне 1,2………
Учитывая, что закон распределения W(x) шумов установки, определяемых периодом повторения частоты внутреннего генератора шкалы времени, носит равновероятный характер, закон распределения погрешности будет иметь вид, представленный ниже и в графической форме на фиг. 4.
N
Анализируя закон распределения погрешности шумов установки фиг. 4, видно, что погрешность процесса установки текущего времени будет определяться с точностью до T.
N
N
Следует отметить, что на интервале [0, Т) можно получить еще большее снижение шумов установки, причем не за счет увеличения частоты ВГКП, как это предложено в [6], а путем определения величины рассогласования момента поступления сигнала синхронизации 1PPS и первого импульса ВГКП с последующей дополнительной задержкой значащих моментов импульсов ВГКП, как это показано на фиг. 5. То есть если обозначить рассогласование Δt момента поступления сигналов синхронизации 1PPS и первого импульса ВГКП и ввести дискретность квантования величины рассогласования момента поступления сигналов на интервале [0, T), равную К, то величина Δt, показанная на фиг. 5, будет определена БК с точностью Т/K.
Функциональная схема генератора шкалы времени поясняется фиг. 3.
Генератор шкалы времени содержит приемник шкалы времени (ПШВ) 1, внутренний генератор (ВГКП) 2, генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 3, блок компараторов (БК) 4, блок переключаемых линий задержки (БПЛЗ) 5, формирователь защитного интервала (ФЗИ) 6, временной селектор (ВС) 7, передатчик шкалы времени (ПРШВ) 8, делитель (÷N) 9.
N
N
N
Генератор шкалы времени работает следующим образом. Сигнал синхронизации 1 PPS с выхода ПШВ приходит на один вход ГЛИН и запускает его работу, а на другой вход поступают импульсы ВГ, причем первый же из поступивших импульсов останавливает работу ГЛИН. В результате величина напряжения на выходе ГЛИН будет пропорциональна рассогласованию Δt, то есть моменту времени между поступившим с ПШВ сигналом синхронизации и сигналами внутреннего генератора квантованной последовательности внутри тактового интервала T. Это отклонение фиксируется с помощью БК и далее с К-выходов БК формируются соответствующие сигналы, которые поступают на управляющие входы БПЛЗ. С помощью этих сигналов выбирается дополнительная задержка (T-Δt) для сигналов ВГКП, поступающих на сигнальный вход БПЛЗ, таким образом, чтобы полная задержка была равна тактовому интервалу T.
K
N
В результате значение рассогласования сигнала синхронизации 1PPS и значащих моментов импульсов ВГКП будет определяться величиной, равной Т=Т/K.
N
Описанный алгоритм работы ГШВ требует конечного времени для выполнения требуемых переключений. С этой целью, а также для завершения переходного процесса в БПЛЗ в ГШВ введен ФЛЗ, который формирует защитный интервал, равный тактовому интервалу T.
Предложенная техническая реализация ГШВ, имеющая прецизионную автоподстройку значащих моментов импульсной последовательности ВГКП, позволяет повысить точность синхронизации ГШВ, то есть уменьшить шумы установки.
Литература
1. Стандарт IEEE 1588 (03/2008 г.) «Протокол синхронизации прецизионных часов для сетевых измерений и систем управления».
2. Рекомендация МСЭ-Т G.8271 (02/2012 г.) «Аспекты временной и фазовой синхронизации в сетях с коммутацией пакетов».
3. Рекомендация МСЭ-Т G.8261 (04/2008 г.) «Синхронизация и аспекты синхронизации в сетях с коммутацией пакетов».
4. Рекомендация МСЭ-Т G.8272 (10/2012 г.) «Характеристики синхронизации первичного эталонного генератора шкалы времени».
5. Рекомендация МСЭ-Т G.8260 (08/2010 г.) «Определения и терминология для синхронизации в пакетных сетях».
6. Symmetricom, User Manual «XLi IEEE 1588 Grandmaster Clock (PTPv2)» (10/2010), сайт: www.manualslib.com.
7. Microsemi, Time Provider 5000. IEEE 1588-2008 PTP Grandmaster Clock (2016), сайт: www. microsemi.com.