晶振稳定度对IEEE1588的影响研究

     摘 要：了更好地利用IEEE1588 时间同步协议，准确地预测时间同步间隔，根据IEEE1588 时间同步原理，分析了影响时间同步的因素，详细研究了晶振稳定度对时间同步的影响。得到了准确的解析表达式，并根据分析得出的解析表达式确定了同步时间间隔的大小。通过实际项目测量，表明理论分析与实际测量结果相符，具有很好的实际应用价值。

　　0 引言

　　随着电子技术的发展，时间同步技术的应用也日趋广泛。IEEEl588 精密时钟协议（the Precision Time Protocol 简称PTP），是一种网络时钟同步协议。它广泛应用于测量与控制系统的主从设备的时间同步技术中。该协议能够为系统进行的时间同步，同步时间能够达到亚微秒量级，并且可能达到更高的时间。

　　在IEEE1588 同步协议中，同步时间主要受到主从设备的通讯路径不对称和晶振稳定度额影响。其中主设备和从设备的晶振稳定性差异是影响时间同步的主要原因。

　　由于石英晶体的制造工艺和自身的振荡特性，即便是同一公司生产的同一批次的同一型号的两个石英晶体振荡器之间也会存在频率误差。由于石英晶体的频率漂移和频率误差的不可避免性，所以研究晶振稳定性对IEEE1588 同步时间的影响是很有现实应用价值的。

　　1 IEEE1588 时间同步原理

　　IEEE1588 时间同步过程是通过主从设备间相互传递带有时间戳的信号来计算出主从设备间的时间偏移量，从而实现时间偏移的补偿。

　　图1 展示了主从设备间进行时间同步的过程。同步需要主从设备间进行4 次通信（4 次报文传递），通过报文中的时间戳信息的交换，从设备可以计算出主从设备间时间偏移量。

　　从设备得到了 t 1， t 2 ， t 3 和 t 4四个时间信息后，可以得到下面的公式：

　　式中，  tms 表示t 2 和t1  之间的时间间隔；  tsm 表示 t4 和 t 3之间的时间间隔；  tmean _ path _ delay _ ms 表示主设备到从设备的路径延迟； tmean _ path _ delay _ sm 表示从设备到主设备的路径延迟； toffset 表示从时钟与主时钟之间的时间偏移量。

　　由式（1）、式（2）可以得到：

　　式（1）中：  t ′ m表示更新后的从时钟时间； t m表示带有偏差的未更新的从时钟时间。

图1 时钟同步原理

　　由于晶振的不稳定度以及传输路径延迟的不对称性等原因造成的主从设备间的时间偏移量是随时间不断累加的。

　　为了确保特定的时间，同步过程需要以特定的时间间隔进行重复进行。

　　2 影响时间同步的因素

　　由式（3）可以得出，时钟的偏移量与两个因素有关。个因素是主从设备间的传输路径延迟t mean _ path _ delay _ sm 和t mean _ path _ delay _ ms 的不确定性影响时间同步；第二个因素是主从设备间传递的时间信息 t 1， t 2 ， t 3 和 t 4 的误差影响时间同步。

　　2.1 路径延迟分析

　　对于固定的主从设备，主从设备间的传输路径是固定的。在实际应用中， 路径延迟tmean _ path _ delay _ sm  和 tmean _ path _ delay _ ms 可以通过性的测量得到，在固定的主从系统中，路径延迟给IEEE1588 协议造成的时间误差是可以忽略的。在非固定的主从设备中，路径延迟的变化则会给同步时间造成严重影响。而这里的分析则假设传输路径是对称的，即：

　　从而（3）式可以简化为：

　　2.2 时间信息误差分析

　　时间信息t 1， t 2 ， t 3 和 t 4  的误差主要是由两个因素造成的：用于时间信息接收的采样时钟的相位误差和主从设备的晶振稳定度。

　　采样时钟的相位误差造成的影响是不可避免的，所谓的时钟相位误差是指采样时钟的采样沿不对齐（相位误差）造成的采样点不同。进而造成了时间信息t 1， t 2 ， t 3 和 t 4  的误差。虽然采样时钟的误差是不可避免的，但是由它造成的同步时间误差只有一个时钟周期，在高速时钟工作时，这个误差是可以被忽略不计的。

　　主从设备的晶振稳定度是造成主从同步时钟误差的重要因素，是由晶振的硬件物理特性决定的。下面的研究也将针对这一因素进行深入的分析和研究。

　　3 分析晶振稳定度对IEEE1588同步的影响

　　晶振是电子设备中时钟计数的基准，时钟的表示通常通过计数的方式来实现的。在IEEE1588 同步协议[8]中，主从设备的晶振稳定度的差异是影响时间同步的主要因素之一，晶振的频率和频偏的大小直接决定同步的时间。

　　主从设备由两个不同的晶体振荡器提供基准脉冲，所以主从设备的晶振不可避免地存在一个频率误差Δf 。

　　3.1 主从设备晶振间的误差研究

　　若一个晶振的频率为f，频率稳定度为δ。则其实际的频率可以表示为：

　　两个设备间所采用的晶振，可以根据下面的推导来得到两个晶振之间的误差。

　　函数f （x, y） = x - y ,在点（x 0 , y0 ）展开并忽略高此项有：

　　式（7）中， Δf ′ 是变量x 和y 进行运算后的函数f （x, y） 在（x0 , y0 ）处的误差。

　　主从设备中的采用的晶体振荡器的指标假设为：主设备晶振频率为 f10 ,频率稳定度为δ 1；从设备晶振振荡频率为 f 20，频率稳定度为 δ2 。主从设备的晶振频率可以表示为：

　　式（8）、式（9）带入式f （x, y） = x - y 中，然后将f （x, y）、 f10 、 f20 ， δ 1和 δ2 分别带入到（7）式中的f （x, y）、x0  、y0  、Δx 和Δy 。得到的两个晶振之间的频率误差Δf 为：

　　主从设备的晶振频率通常都是相等的， 令  f 10= f20 = f 0，则有：

　　3.2 晶振误差对同步时间间隔长度的制约

　　根据第2 部分主从设备时间同步过程的分析，主从设备间的时间同步过程是周期性进行的。如何根据晶振的稳定度来确定的同步周期，以实现主从设备间既能够满足系统的时间要求，又能够限度地减小同步过程所占用的通信带宽是下面要研究的。

　　主从设备的时钟通常由脉冲计数的方式来实现，在时间同步过程中，主时钟是同步的基准时钟，它不需要纠正，为不失一般性，假设主时钟是准确的，所以从时钟的误差就是3.1节中分析得到的式（11）中的Δf 。

　　主时钟的计数值表示为Cm （t） = f1 × t ，从时钟的计数值表示为 Cs（t) = f2 × t ，从时钟的时间计数偏移量为：

　　由3.1 节的分析将主从设备间的晶振误差（11）式引入（12）式可以得到：

　　每计数，从设备需要的时间为晶振振荡所需的时间1/ f0 ，所以由从时钟的时间计数偏移量很容易得到从时钟的时间偏移量：

　　假设每次同步过程的时间间隔为 T0，将其带入式（14），就可得到主从设备受晶振影响产生的的从时钟的时间偏移量：

　　4 结语

　　在某一激光告警器的主从设备中，IEEE1588 时间同步协议已经得到了成功的应用，该设备采用相同型号的两块晶振：频率100 MHz，频率稳定度5×10-6。每次同步过程的时间间隔采用50 ms。将上述的数据带入到式（15）得到从设备受晶振影响产生的从时钟的时间偏移量为：0.5 us。而实验测量的实际从设备的时间偏移量为290 ns 或300 ns。而通过式（15）得到的时间偏移量是根据晶振稳定度的偏差量来求得的，实际晶振在工作室稳定度是一个随机的值，所以实际测得的数据在时间偏移量的范围之内是正确的，符合分析结果。