授时基础

Q: 什么是时间同步，什么是频率同步？我是否需要时间同步/频率同步？

A:时间同步指的是使两个或多个节点之间的时刻相位保持一致。例如，节点B的本地时间与节点A的本地时间存在100ms的滞后，通过某种手段在某个时刻消除这个误差的做法叫做时间同步。但是若A、B节点的时钟频率不一致，则随着时间的推移，A、B之间仍将出现时间偏差，时间偏差值等于A、B时钟频率偏差对持续时间的积分值。

频率同步指的是使两个或多个节点之间的振荡器频率保持一致，但不保证相位关系。

时间同步技术与频率同步技术有内在关联，但并不完全相同。实际应用中，既存在同时具备时间同步与频率同步的系统，也存在只进行时间同步或频率同步的系统。

一个简单的例子是手表对时，我们通常在某个整点将手表时间调整至与广播、电视等途径发布的标准时间相同的时间，这是一种时间同步手段，但是我们并不能调整手表内部的石英晶体或机械发条的频率，因此手表每天仍然存在走时误差，需要定期重新对表。

另一个例子是一种通过市电供电的时钟产品，可以通过交流电的50Hz精确频率进行计时，这是一种频率同步手段，在电网稳定的前提下走时误差很小，但是它无法通过电网获取年月日时分秒等时间信息，需要手动设置一次时间。

同步还可进一步分为绝对同步和相对同步。绝对同步即指的是同步系统内的时间应可追溯至国际标准时间源，如UTC或TAI，或是频率可追溯至标准计量体系中的源；相对同步指的是在本地同步系统内所有设备的时间或频率保持一致，不需要与国际标准完全一致。

Q: 频率与时间的关系是什么？

A:在物理上，频率与时间是互为倒数的关系，即一个振荡器的振荡周期T与振荡频率的关系是：

在时间同步领域中，我们通常更加关心的是频率偏差导致的时间偏差的大小。例如，我们对一个标称频率为10MHz的脉冲源进行计数，每个脉冲的周期为100ns，每计10,000,000个脉冲代表时间经过了1秒钟。若该频率实际比标称快了100Hz，每个脉冲的周期变成了99.999ns，则每计10M个脉冲，就产生了大约10us的误差。因此，时间的累计误差可以看作是频率偏差对时间间隔的积分，可以用公式表示为：

Q: 有哪些常用的同步方式？

A:目前，电子系统中常见的同步接口有以下几种：

1) 1PPS+ToD：

1PPS指的是秒脉冲信号，即1 Pulse Per Second的缩写，是一种二进制逻辑电平信号，其含义是该脉冲信号的上升沿（或下降沿）时刻代表一个整秒的开始。但是一个独立的脉冲只能表示每个整秒的起始时刻，无法携带如“年月日时分秒”这样的信息，因此通常为了同时传递更加丰富的时间信息，1PPS信号通常会与ToD信息同时传递。ToD是Time of Day的缩写，通常是通过串口或其他可以携带信息的数字接口发送的根据某种约定协议发送的含有时间信息的报文，例如NMEA-0183协议中的ZDA报文就常作为ToD使用。通常，ToD信息包含的时间代表了1PPS信号的时刻值，而非ToD信息发送的时刻值，因此一般来说ToD信息的发送时刻应在1PPS信号的有效边沿之后，以方便接收设备处理。现在一些新设备也可以使用以太网接口上的NTP协议作为ToD信息使用。1PPS+ToD方式的同步精度主要由1PPS信号的精度决定，如果是通过专用硬件产生的1PPS信号，可以轻松实现纳秒级别的精度。该同步方式既可以实现时间同步，也可以由接收端经过专门处理后实现频率同步。1PPS+ToD通常是点对点连接的，需要一对多的连接需要使用分配器进行扩展。

由于信号在线缆中的传输速度是有上限的，在50Ω同轴线缆中的传输速率大约为4.7ns/m。1PPS+ToD的同步方式一般无法自动测量线缆的传输延迟，因此在需求高精度同步的场合需要对线缆长度进行人为补偿。

2) IRIG码：

IRIG码是美国军方的靶场仪器组(Inter-Range Instrumentation Group)组织制定的一套时间码标准，有不同的传输方式和帧速率/码速率，其中应用最广的一种是IRIG-B码，通常也称为B码。

B码是一种采用二进制逻辑电平表示的脉宽调制的信号传输格式，帧长度固定包含100个码元，每帧固定持续1s。B码的码速率固定为100Baud，即每个码元持续10ms，共有三种码源：P码(高电平持续8ms，低电平2ms)、逻辑0（高电平持续2ms，低电平持续8ms）、逻辑1（高电平持续5ms，低电平持续5ms）。其中，P码是用于帧定位使用的特殊码，逻辑0和逻辑1代表二进制的0和1。两个连续的P码表示一帧的开始，第二个P码的上升沿也代表了一个整秒的开始位置，与1PPS信号的上升沿含义类似，其他信息在帧内固定位置表示。

通常，B码根据物理传输方式的不同，可以分为IRIG-B(DC)码和IRIG-B(AC)码，B(DC)码即将脉宽调制的直流电平信号直接传输（DCLS调制，有时也将IRIG-B-DC接口称为DCLS接口），可以是TTL电平、CMOS电平、RS422/485电平，也可以是经过光电转换后通过光纤进行传输的光信号。B(DC)码的精度取决于硬件设计方案，通常良好的设计可以达到与1PPS信号相近的纳秒级别的同步精度。

B(AC)码是利用B(DC)码对1kHz的正弦载波信号进行幅度调制后产生的AM信号，一般高低电平的调制比为3:1，B(AC)码由于有正弦载波，更容易通过信号变压器进行阻抗变换、平衡-非平衡变换、隔离传输，在长距离传输方面有一定优势，但是受限于信号解调时的相位精度问题，B(AC)码通常只能达到10us量级的同步精度。随着数字接口电路技术的发展，B(AC)码已不再常见，新系统中已基本弃用。

需要注意的是，IRIG-B码也有许多种不同信息格式版本，例如IRIG-B122、IRIG-B127、IEEE1344等，不同版本之间的信息内容有所区别，应用时应格外注意。目前，B码在电力行业、国防行业等少数领域保持着应用，在其他领域已经被更新的技术所取代。

IRIG-B码是一种点对点连接的接口，如果需要一对多授时，需要采用分配器进行分配。由于信号在线缆中的传输速度是由上限的，在50Ω同轴线缆中的传输速率大约为4.7ns/m。单向IRIG-B的同步方式一般无法自动测量线缆的传输延迟，因此在需求高精度同步的场合需要对线缆长度进行人为补偿。

1) NTP协议：

NTP(Network Time Protocol)协议是一种基于TCP/IP网络的时间同步专用协议，由David L. Mills教授于1985年正式提出，并在UNIX系统上进行了实现，随后NTP协议被IETF收录为RFC1305标准。

NTP协议的基本机制是对数据包传输的路径延迟进行测量，以此实现服务器对客户端时钟的校对，并提供了额外的一系列协议机制和算法，来保证系统的健壮性并提高复杂网络环境下的同步精度。

NTP协议使用TCP/IP中的UDP协议进行通信，与物理层和链路层无关，可以在任何TCP/IP网络中使用。但与此同时，因为NTP完全在软件层面实现，其同步精度受到多种因素影响，例如网卡中断延迟、网络协议栈处理延迟、操作系统任务调度切换延迟、系统函数调用延迟等等，因此，对常规计算机设备而言，NTP协议在小规模的局域网中通常能够达到数十微秒的同步精度和稳定度；在网络复杂的环境中，NTP同步精度进一步受到网络上下行延迟不稳定的影响，通常能够达到毫秒量级的同步精度。

由于NTP协议几乎可以运行在任何网络中，不受硬件条件制约，它是目前全世界应用范围最广的时间同步方式。任何网络设备，小到摄像头、手机，大到数据中心内的服务器，甚至是太空中的卫星，只要误差条件允许，都可以通过NTP的方式获取到精准的时间。

NTP协议是专门为时间同步设计的，但许多常用的NTP软件实现方案中（例如ntpd、chrony），都会利用长时间的时间同步去调节本地时钟的计时频率，不仅可以让时间变化地更加平滑，也能一定程度上提高硬件设备的走时精度。但是，该频率调节的精度并不高，不能作为频率源输出使用。需求频率同步的场合仅靠NTP协议通常不能够满足。

1) PTP(IEEE1588)协议：

PTP协议（Precision Time Protocol）也是一种通过数据网络传输的时间同步协议，其原型可追溯至二十世纪九十年代多家大学和企业对NTP协议同步精度改良的尝试，最终于2002年通过IEEE的认可，成为了正式的IEEE标准，标准号为IEEE 1588。2002年发布的第一版协议标准为IEEE 1588-2002，即PTPv1，但刚发后由于芯片、软件协议栈等配套产品并不完善，PTPv1版本协议未得到大规模应用。后来经过一系列改进，在2008年IEEE组织发布了第二版正式协议IEEE 1588-2008，即PTPv2，也是当前现行的最新标准。PTPv3标准目前（2020年）正在草案阶段，还未正式发布。PTPv2协议帧格式与PTPv1版本并不兼容，通常所指的PTP协议不做特殊说明的话均指的是PTPv2版本。

PTP协议基本原理与NTP协议类似，都是通过双向延迟测量法来消除网络传输路径的延迟的影响，但是其精度上限比NTP要高得多。

PTP协议最初是针对以太网设计的，既支持用过以太网L2帧直接传输，也支持基于UDP的L3层数据报文进行传输。当然，只要物理层和数据链路层能够对PTP协议进行支持，也可以在其他网络（例如DeviceNet、OTN等）中实现传输。

为了通过网络传递精度更高的时间信息，PTP协议需要在硬件上实现数据报文的时间戳记录/打戳的功能，因此PTP不像NTP容易受到操作系统等软件层面的延迟的影响。传输链路里所有的网络设备，如交换机、路由、网关等，也会引入转发处理的延迟，如果上下行延迟不对称，或延迟在短时间内发生了变化，也会直接影响到同步效果，因此PTP协议对网络传输设备也提出了要求，需要所有经过的传输设备能够对设备自身的延迟进行补偿处理。

在PTP协议中，提供时间的时间源和使用时间的客户端，统称为“普通时钟 (Ordinary Clock, OC)”，而链路中的传输设备按照实现原理不同，分为“透明时钟(Transparent Clock, TC)”和“边界时钟(Boundary Clock, BC)”。一个网络中最高级别的时间源通常称为“主时钟（Grand master, GM）”。

PTP协议中支持多种工作方式，一个同步网络内的设备必须工作在相同的工作方式下才能够成功同步。根据延迟测量机制的不同，可分为“端到端模式（End to End, E2E）”和“对等延迟测量模式（Peer to Peer, P2P）”。根据报文的承载层不同，可分为“二层同步模式（L2 transport）”和“三层同步模式(L3 transport)”（有些地方也称为四层同步模式，指的都是通过UDP报文进行传输）。根据主时钟报文发送方式的不同，分为“组播模式”和“单播模式”。根据报文时间戳插入方式不同，分为“一步时钟（One Step）”和“二步时钟（Two Step）”。需要注意的是，并非所有设备都能完整支持PTP所有的工作模式，在选择设备时需要确认所有设备是否能够支持相同的模式。

PTP协议的时间同步精度依赖于网卡芯片的时间戳记录精度，通常，千兆以太网的网卡芯片时钟速率是125MHz，即时钟周期8ns。在单独使用PTP协议的场景下，不同设备网卡之间的时钟频率和相位无法保持一致会导致量化误差，因此在千兆网络环境下，PTP协议自身的精度上限即±8ns。若要进一步提升同步效果，需要让PTP与同步以太网技术同时使用，并引入一些技术来实现网卡时钟相位差的估计。一个成功的案例为欧洲核子中心CERN在其全世界最大的强子对撞机LHC中使用的WhiteRabbit技术，可以在以太网链路上实现皮秒（10^-12s）级别的同步效果。

2) 同步以太网：

同步以太网技术，即Sync-E，是一种通过以太网物理层进行频率传递的技术。Sync-E本身不具有时间同步的功能。

Sync-E技术的基本原理是在接收端利用锁相环技术，对接收到的以太网物理层信号进行时钟恢复，恢复出来的时钟可以与发送端的时钟保持频率上的一致性。

Sync-E节点之间通过ESMC报文来传递时钟源的状态，接收端根据报文里的时钟源状态信息来判断是否使用恢复出来的时钟信号。

Sync-E技术需要点对点直接传输，若中间需要通过交换机等设备进行连接，需要交换机等设备也开启Sync-E功能，并进行正确的配置才可以实现频率传递。

Sync-E也需要网卡芯片和电路设计的支持，并非所有以太网设备都具有Sync-E功能。

3) 卫星同步技术：

卫星同步是指利用卫星实现时间频率同步的技术的统称，包括GNSS卫星授时、卫星共视时间传递、卫星双向链路时间传递等技术。在这里我们针对应用最广泛的GNSS卫星授时进行简单介绍。

GNSS卫星指的是“全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)”，即我们通常所说的GPS、北斗等卫星导航系统的统称。

目前，世界上在轨运行的GNSS卫星系统都基于同一种工作原理，即由轨道上的卫星实时向地面广播无线电信号，地面接收机通过测量每颗卫星发射的信号到达接收机天线的时间差，和已知的卫星精确轨道位置，来解算接收机所处的位置信息。同时，在求解位置坐标的方程组中，接收机的时钟相对于卫星时钟的偏差也是一个未知数，也可以被解算出来。因此，GNSS系统可以同时提供精确的定位和授时服务，并且卫星时间的精确程度直接影响到定位精度。

卫星授时的偏差通常取决于卫星星载原子钟精度、大气层参数变化、电磁波多径效应、接收机时钟稳定性、接收机处理算法等因素。专用的授时型接收机大多可以达到20ns/RMS的授时精度，而非授时专用的接收机能提供的时间精度和稳定度都要差一些。卫星授时的短期精度受抖动影响精度较差，但长期来看，由于卫星的时钟时刻被地面监测站监控并调整着，因此可以认为卫星的时间长期稳定性极佳。

目前在轨的GNSS系统都有各自的时间体系，例如GPS系统的时间叫做GPS时间(GPST)，北斗系统的时间叫做北斗时间(BDT)，但都与国际原子时和UTC时间保持在较小的误差范围内，并且卫星会定期广播其时间与UTC时间的偏差，接收机可以据此进行修正，得到更加准确的国际原子时或UTC时间。

4) 光纤同步技术：

光纤同步技术是利用光纤作为传输介质的同步技术的统称，并不是一种具体的技术方案。像NTP、PTP、IRIG-B码等同步方式都可以用光纤作为介质，下面只介绍区别于以上技术的光纤同步技术。

由于光信号在光纤中传播具有衰减小、抗干扰能力强、波长短等优势，非常适合用来实现高精度的时间频率同步，技术潜力要高于纯电信号的方案，尤其是在超远距离同步的场合下。

高精度的光纤同步技术并没有标准化技术，主要是在具体应用场景中定制实现。光纤时间基本原理主要是双向延迟测量机制，光纤频率同步的基本原理是利用高稳时钟对激光器进行调制再由接收端对激光信号进行解调恢复出时钟信号。

光纤同步系统会受收发器温度、光纤温度、光纤色散性等影响，需求的精度越高，越需要对这些因素进行控制和补偿。

光纤时间同步精度从数纳秒级别到皮秒级别不等，需要根据场景具体分析实现。需要注意的是，在超远距离（>100km）的同步系统中，由于地球自转导致的Sagnac效应会造成光纤双向延迟的不对称性，最终会造成皮秒级别的同步偏差，需要进行补偿。

5) 长短波授时技术：

长波授时和短波授时技术都是基于无线电波的大范围覆盖的时间广播信号。其区别主要在于所选取的载波频段不同。

我国BPM短波电台有2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz四种载波频率。短波信号主要有两种传播途径：地面波和天波。地面波是指电磁波沿地表传播，地面波衰减大，传播距离短，只有数十公里的覆盖范围，但稳定性好；天波是指电磁波经由大气电离层反射进行传播，天波可以被电离层反射多次，因此其覆盖范围比地面波要广许多，但是也由于信号经过多次反射，接收机收到的信号受多径效应影响严重，再加上较远距离的传播延迟大，通常BPM授时最多只能达到毫秒级别的精度。由于短波精度不高，应用不方便，被卫星同步技术和网络同步技术逐渐取代，目前支持短波授时的设备已不多见，有些国家的短波授时台甚至已经关闭。

我国BPL长波电台的载波频率为100kHz。长波信号的地面波覆盖范围比短波要大得多，尤其是在海面上，可达1000~2000km。对于长波信号，其传播延迟受电离层反射引起的抖动更小，且天波的传输延迟更大，因此地面波有一段不受天波影响的纯净区，通过特殊的信号调制方式，可以在接收机上轻易分辨出地波信号与天波信号，更容易消除多径效应的影响。由于我国的BPL长波电台完全兼容LORAN-C导航体系，若能同时接收多个台站的信号，可以在实现导航定位功能的同时，实现us级别的授时精度。Loran-C系统在航海、民航、国防等领域应用较广。

Q: 有哪些衡量同步效果的指标？

A：时间（相位）同步的效果通常可以由以下指标进行衡量：

1) 时间准确度：

用于衡量被同步设备的时间相对于标准UTC时间或其他基准时间的平均偏差大小。通常是通过对被测设备输出的1PPS信号与标准时间的1PPS信号的偏差值连续测量并记录一段时间，取偏差值的平均值来衡量整个同步系统的平均误差。

通常采用1PPS信号进行测量的原因是1PPS信号测量方便，可通过示波器、时间间隔计数器等设备直接测量，且1PPS信号生成简单，精度高误差小，更能反应被测设备的真实误差。也可以用其他同步接口进行测试，原理类似，测试结果中会包含该类型同步接口的偏差。

2) 时间稳定度：

用于衡量被同步设备的时间相对于标准UTC时间或其他基准时间的抖动大小。通常用被测设备输出的1PPS信号与标准时间的1PPS信号的偏差值连续测量并记录一段时间，取偏差值的标准差来衡量。

大多数系统的抖动特性符合正态分布，因此标准差σ可用来表示被同步设备的时间与基准时间的偏差落在某一范围内的概率。例如，测试得到的σ为10ns，代表被测设备的时间与标准时间的偏差有68%的概率落在±10ns的范围内，有95%的概率落在±20ns内。有时候也将1σ称为RMS（有效值）。

3) TDEV：

另一种用来衡量时间稳定度的方法，用固定长度的时间窗（对1PPS信号通常取1s，10s，100s，1000s……），对时间窗边界上的时间偏差值计算平方和，并不断滑动时间窗并对所有时间窗上计算得到的平方和取平均值，得到该时间窗口下的TDEV值。TDEV更能够反应被测设备在指定时间窗尺度上的漂移大小。

4) 守时精度：

有时也称为保持精度，指的是被测设备脱离外部时间源后，保持时间准确度的能力。

频率同步的效果通常可以由以下指标进行衡量：

1) 频率准确度：

用于衡量被同步设备的频率相对于标准频率源的平均偏差大小。通常是连续测量被测设备的频率相对标准频率的偏差值一段时间，取平均值。与时间准确度不同，频率准确度一般是用绝对偏差值除以理想频率的相对值来表示的，是一个无量纲值。

2) 频率稳定度：

用于衡量被同步设备的频率相对于标准频率源的抖动大小。

与时间稳定度不同，频率稳定度通常用阿兰方差进行衡量。阿兰方差ADEV计算方式与TDEV类似，通常用0.1s、1s、10s、100s、1000s等时间窗对频率信号的不同时间长度上的抖动程度进行度量，可以更直接地反映出不同的噪声源对频率信号稳定性的影响。

3) 相位噪声：

相位噪声与频率稳定度本质上是一样的，也是对频率信号的稳定性的描述，但相位噪声是从频域进行描述的。相位噪声的定义是