賽思智造｜實(shí)驗室時(shí)間一致性解決方案

　　“A man with a watch knows what time it is. A man with two watches is never sure.
 

　　Segal's Law”

 

　　實(shí)驗室是一種近乎理想的工作環(huán)境，如標準大氣壓、恒溫、潔凈室等等，使事物的變化受環(huán)境的影響達到最小，進(jìn)而發(fā)現萬(wàn)物規律。
 

　　但實(shí)驗室常常忽略一個(gè)重要物理因素的影響，那就是七大物理基礎量之一的時(shí)間。正如Segal法則中所表達的，一個(gè)人如果只有一個(gè)表，那么他可以確定當前的時(shí)間；如果有兩個(gè)表，那么他將不能確定當前的時(shí)間。統一的時(shí)間體系下，我們才能更好確定事物變化規律的可靠性。時(shí)間同步的精度越高，事物變化的規律才更清晰。
 

　　我們觀(guān)察事物的角度越來(lái)越豐富，相應實(shí)驗室需要同頻或同步進(jìn)行的工作情況就越多。比如，航天實(shí)驗室需要多個(gè)航天載荷的同頻同步工作，時(shí)鐘要求達到us級同步；通信實(shí)驗室需要驗證通信的可靠性，終端的通信帶寬有著(zhù)細分要求，頻率準確度要求至少達到1E-9的準確度要求，時(shí)鐘同步也要達到us級；化學(xué)醫學(xué)眾多實(shí)驗室對實(shí)驗事件的事件記錄的同步要求需達到ms級；高速的事件捕捉同步要求需達到1us級……分布式實(shí)驗室的普及，突顯了社會(huì )對時(shí)間同步的更高要求。
 

　　最近，作為一種潛力的證明和邁向功能性量子網(wǎng)絡(luò )的第一步，伊利諾伊州快速量子網(wǎng)絡(luò ) (IEQNET) 的一個(gè)研究團隊成功在美國能源部(DOE)的兩個(gè)實(shí)驗室之間使用本地光纖部署了一個(gè)長(cháng)距離量子網(wǎng)絡(luò )。該實(shí)驗標志著(zhù)量子編碼光子(傳遞量子信息的粒子)和經(jīng)典信號以驚人的同步水平在遠距離同時(shí)傳遞，其時(shí)鐘同步達到優(yōu)于5ps的水平。
 

實(shí)驗室對時(shí)間有著(zhù)怎樣的需求呢？
 

　　從整體上看實(shí)驗室對時(shí)鐘同步有三個(gè)方面的需求：工作同頻；控制同步；事件信息記錄同步。
 

　　?工作同頻
 

　　工作同頻是指在同一頻率或者同一頻率準確度下進(jìn)行工作。同頻工作主要利用時(shí)頻10M、10.23M信號或其他特殊頻點(diǎn)作為參考頻率進(jìn)行工作，使多個(gè)設備實(shí)現頻率同步，保證頻率準確度的一致性，使工作時(shí)序同步穩定。
 

　　?控制同步
 

　　控制同步是指多個(gè)設備需求同步脈沖進(jìn)行控制，這個(gè)在一定程度也是一種時(shí)間同步，需要按照約定的觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行事件的控制。
 

　　?事件信息記錄同步
 

　　事件信息記錄同步是指事件信息記錄的終端需要時(shí)間同步。例如，計算機可以按照ms級的精度對事件進(jìn)行時(shí)間戳記錄，標記事件信息發(fā)生的時(shí)刻，采用高速的ePCI高速采集卡也需要實(shí)現us級的時(shí)間戳記錄。多個(gè)設備的協(xié)作事件信息記錄就需要進(jìn)行時(shí)間同步，時(shí)間的不同步會(huì )導致事件信息記錄的錯亂和無(wú)效性。
 

　　如何實(shí)現實(shí)驗室的時(shí)間同步呢？
 

　　首先我們要了解時(shí)間的基礎表達形式，主要包含兩個(gè)部分：秒和時(shí)間(年月日時(shí)分秒信息)，也就是我們常說(shuō)的1PPS(Pulse Per Second)和TOD(Time of Date)信息。1PPS的時(shí)間間隔變化體現出了頻率的特性，可以通過(guò)1PPS的時(shí)間間隔變化對頻率進(jìn)行準確度計算與調整控制，進(jìn)一步實(shí)現同頻。
 

　　時(shí)間同步就是授時(shí)方以不同的形式把1PPS和TOD信息進(jìn)行傳遞，用時(shí)方通過(guò)1PPS和TOD的比對和控制修改當前時(shí)間的過(guò)程。
 

　　目前主流的時(shí)間傳遞方式有：1PPS+TOD、IRIG-B(DC)、IRIG-B(AC)、E1、PTP、NTP、光纖和衛星接收機等。按照授時(shí)信息傳遞的方向上可分為單向時(shí)間同步和雙向時(shí)間同步。單向時(shí)間同步方法包含1PPT+TOD、IRIG-B(DC)、IRIG-B(AC)和衛星接收機；雙向時(shí)間同步方法包含E1、PTP、NTP、光纖時(shí)間同步、衛星共視和衛星雙向。
 

　　單向時(shí)間同步方法以IRIG-B碼為例，IRIG是美國靶場(chǎng)儀器組的簡(jiǎn)稱(chēng)，IRIG時(shí)間標準分為并行時(shí)間碼格式和串行時(shí)間碼格式，由于并行格式傳輸距離較近，且是二進(jìn)制，故并行時(shí)間碼的應用遠不如串行時(shí)間碼。串行時(shí)間碼有六種格式：即A、B、D、E、G和H。他們的主要差別是時(shí)間碼的幀速率不同，IRIG-B即為其中的B型碼，由于B碼幀速率為1幀/s，符合適用的習慣，因此B碼的應用最為廣泛。
 

　　B碼時(shí)間格式里每個(gè)脈沖稱(chēng)為碼元，碼元的準時(shí)參考點(diǎn)是其脈沖前沿，碼元的重復速率稱(chēng)為碼元速率，B碼的碼元速率為100ps。碼元中包含了年月日時(shí)分秒信息，還具備標準秒位置的碼元。其時(shí)間同步精度可達幾十納秒。B碼除了時(shí)間信息的傳遞功能，還預留一組控制功能的碼元。
 

　　雙向時(shí)間同步是一種主從的同步方式，是通過(guò)主從交互信息發(fā)送和接收的時(shí)間，計算出傳輸的延遲和時(shí)間補償量，進(jìn)一步實(shí)現時(shí)間的補償，信息的時(shí)間戳精度和鏈路往返的對稱(chēng)性是影響雙向時(shí)間同步的重要因素。如PTP相對NTP來(lái)講，PTP是硬件的時(shí)間戳標記方式，比NTP的軟件時(shí)間戳精度要高，所以同步精度要高的多。后期我們也會(huì )開(kāi)展專(zhuān)題討論介紹這些時(shí)間傳遞方式的特點(diǎn)與應用。
 

實(shí)驗室的時(shí)間同步就是以這些傳遞方式進(jìn)行不同類(lèi)別設備的時(shí)間統一的。
 

　　實(shí)驗室的時(shí)間同步服務(wù)體系由哪些構成？
 

　　實(shí)驗室的時(shí)間同步服務(wù)系統從組成分析可分為四個(gè)部分：BD/GPS衛星溯源、時(shí)頻統一、時(shí)頻測量和時(shí)頻傳遞。主要解決四大問(wèn)題：時(shí)間從哪來(lái)、多種時(shí)間傳輸形態(tài)如何統一分發(fā)、時(shí)間還差多少、時(shí)間到哪去？
 

?時(shí)間從哪里來(lái)？
 

　　這里提到時(shí)間是指UTC時(shí)間(協(xié)調世界時(shí))，是世界統一的時(shí)間。UTC時(shí)間的來(lái)源可以為我們提供兩方面的信息，一個(gè)是標準時(shí)間，一個(gè)是標準頻率。這就為我們對時(shí)間源的選取提供了參考依據，如果我們對標準時(shí)間和標準頻率有一項需求，那么我們就要選擇具備UTC時(shí)間獲取功能的設備作為實(shí)驗室時(shí)間來(lái)源。
 

　　時(shí)間來(lái)源在我國主要三個(gè)源頭：①BD/GPS衛星；②中國科學(xué)院國家授時(shí)中心；③中國計量科學(xué)研究院。利用BD/GPS接收機可以從BD/GPS直接UTC時(shí)間，但由于天線(xiàn)，芯片和傳輸路徑延遲問(wèn)題，時(shí)間獲取的絕對精度在100ns量級，抖動(dòng)為30ns量級。通過(guò)特殊的時(shí)頻傳輸設備，如衛星共視設備，衛星雙向比對設備，光纖時(shí)頻傳遞設備也可以獲取中國科學(xué)院國家授時(shí)中心和中國計量科學(xué)研究院的標準時(shí)間，時(shí)間精度可達±5ns。中國科學(xué)院國家授時(shí)中心擁有國內D一、世界D三規模的守時(shí)原子鐘組，負責確定和保持我國的國家標準時(shí)間(UTC(NTSC))和原子時(shí)標準(TA(NTSC))。中國科學(xué)院國家授時(shí)中心與中國計量科學(xué)研究院都為國際原子時(shí)提供權重，對國際原子時(shí)有著(zhù)重大貢獻。
 

　　賽思經(jīng)過(guò)常年的苦心研究，在衛星授時(shí)技術(shù)基礎上衍生出大量成熟產(chǎn)品，如SM2000多功能時(shí)頻融合平臺、NS7200通用型NTP時(shí)間服務(wù)器、LF7300 IEEE1588高性能時(shí)統設備、LF7500 IEEE1588v2(PTP)高性能時(shí)統設備、FT6000光纖/E1授時(shí)比對設備和MS4140北斗共視儀等，可滿(mǎn)足各種實(shí)驗室授時(shí)工作。
 

　　?時(shí)間如何統一分發(fā)？
 

　　時(shí)間如何統一分發(fā)是指不同傳輸形態(tài)的時(shí)間信號如何保證其同步性發(fā)送，更好地減小由于信號發(fā)送鏈路所帶來(lái)的時(shí)間延遲。
 

　　首先所具備的是時(shí)間信號精密控制和補償技術(shù)。賽思的LF7300和LF7500具備豐富種類(lèi)的時(shí)間信號輸出，包括B(DC)、1PPS +TOD 、NTP、PTP、E1等信號，滿(mǎn)足最高100ns的時(shí)間授時(shí)精度，滿(mǎn)足絕大部分的實(shí)驗室使用需求。與此同時(shí)，賽思的FT6000光纖/E1授時(shí)比對設備可通過(guò)光的形式，實(shí)現100km兩地之間500ps的同步精度，可借此設備實(shí)現分布式實(shí)驗室的時(shí)間和頻率傳遞；通過(guò)MS4140北斗共視儀可以實(shí)現1000km以上的兩個(gè)分布式實(shí)驗室之間同步精度的達到10ns。
 

　　?時(shí)間到哪去？
 

　　時(shí)間到哪去是指的用時(shí)設備。常規實(shí)驗室用時(shí)設備是計算機、服務(wù)器、攝像機、數據采集卡和特殊的用戶(hù)設備。以NTP網(wǎng)絡(luò )形式較為普遍，可滿(mǎn)足醫院實(shí)驗室、物理實(shí)驗室等的應用。通信實(shí)驗室主要以1PPS+TOD，B(DC)，E1時(shí)間信號形態(tài)供用戶(hù)使用，其中TOD協(xié)議是可根據用戶(hù)的不同設備進(jìn)行定義的。特殊的航天航空實(shí)驗室主要以1PPS+TOD，10M，B(DC)的時(shí)間形式使用。而分布式的實(shí)驗室則以光纖時(shí)間信號傳遞為主要傳輸途徑，最終在實(shí)驗室端口轉化成適用的其他形態(tài)。
 

　　?時(shí)間還差多少？
 

　　實(shí)驗室的時(shí)間統一系統搭建或者運行過(guò)程，還需要對時(shí)間的性能進(jìn)行監測和測量，時(shí)間的測量裝置是衡量時(shí)間或者頻率相差多少的高精度測量裝置。賽思TT1000時(shí)間性能綜合測量?jì)x可對多種格式的時(shí)間信息進(jìn)行比對測量，其精度達到ns量級，對NTP和PTP的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步性能也具備高精度的測量能力。PT1300頻穩測試分析儀是具備1MHz-100MHz范圍的頻率特性分析儀器，優(yōu)秀的系統本底噪聲可以低至5E-14/s。
 

　　實(shí)驗室時(shí)間統一系統的搭建
 

　　實(shí)驗室時(shí)間統一系統的搭建與實(shí)驗室的時(shí)間精度需求相關(guān)，按照精度可以分為納秒級精度時(shí)間統一系統、微秒級精度時(shí)間統一系統、毫秒級以上精度時(shí)間統一系統以及復合精度時(shí)間系統；按照時(shí)間統一特性又可分為絕對時(shí)間統一系統和相對時(shí)間統一系統；按照時(shí)間系統的位置關(guān)系可分為集中式時(shí)間統一系統和分布式時(shí)間統一系統。
 

　　?納秒級精度時(shí)間統一系統
 

　　納秒級精度時(shí)間統一系統主要是以10M信號、1PPS+TOD，B(DC)信號為基礎建立，這三種信號具備延遲可精確測量可精確補償的特點(diǎn)，可使實(shí)驗室的用時(shí)設備達到高精度的時(shí)間統一。推薦使用賽思LF7300(下圖左)與LF7500(下圖右)型號的IEEE1588高性能時(shí)統設備，設備具備高精度的信號接口，同時(shí)具備高質(zhì)量的守時(shí)特性，6個(gè)月守時(shí)偏差小于1毫秒。
 

?微秒級精度時(shí)間統一系統
 

　　微秒級精度時(shí)間統一系統主要是以10M信號、B(DC)、B(AC)信號為基礎建立的，無(wú)需延遲補償，可使實(shí)驗室的用時(shí)設備達到微秒級的時(shí)間統一。微秒級相對納秒級的實(shí)驗室的使用，在線(xiàn)纜傳輸延遲上要求不高，可無(wú)需配置相應的時(shí)間測量設備。
 

　　?毫秒級精度時(shí)間統一系統
 

　　毫秒級精度時(shí)間統一系統主要是以NTP信號為基礎建立的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統。推薦使用賽思生產(chǎn)的7200系列時(shí)間服務(wù)器。設備具備優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )同步時(shí)間服務(wù)能力。采用高可靠性、高安全性和大容量設計，MTBF高達20萬(wàn)小時(shí)；設備支持用戶(hù)接入控制、協(xié)議加密、端口隔離等安全措施，提高系統安全性；設備配置高性能處理單元，可提供高達數萬(wàn)次/秒的端口處理能力。NS7200支持標準的NTP和SNTP網(wǎng)絡(luò )對時(shí)協(xié)議，適用于對系統容量及安全要求較高的場(chǎng)景，如銀行、證券、公安等。
 

?復合精度時(shí)間統一系統
 

　　復合精度時(shí)間統一系統，即具備多種形式的時(shí)間傳輸能力來(lái)滿(mǎn)足實(shí)驗室不同類(lèi)型設備的時(shí)間需求，常規需包含1PPS+TOD、B(DC)碼，NTP，10MHz等信號，且各種信號的時(shí)間需高度統一。上文提到的LF7500設備就具備這樣的能力，該設備輸出接口豐富，安裝簡(jiǎn)便，能在機房、艦載和車(chē)載等多種環(huán)境下持續工作，已在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應用。同時(shí)具備BD/GPS接收機，可實(shí)現UTC對時(shí)。
 

　　?分布式時(shí)間統一系統
 

　　分布式時(shí)間統一系統主要適用于資源遠距離分布的實(shí)驗室，如文章開(kāi)頭提到的美國能源部的兩個(gè)實(shí)驗室，分布式時(shí)間同步可以使一個(gè)實(shí)驗室具備另一個(gè)實(shí)驗室的時(shí)間特征，使兩個(gè)實(shí)驗室協(xié)同工作，效率提高。賽思研發(fā)的FT6000光纖/E1守時(shí)比對設備和MS4140北斗共視儀，可以使兩個(gè)相距100KM以上的實(shí)驗室時(shí)間同步精度達到ns級；當然也可以利用7200系列NTP時(shí)間服務(wù)器，通過(guò)內網(wǎng)實(shí)現兩個(gè)實(shí)驗室的ms級的時(shí)間同步精度。
 

　　隨著(zhù)社會(huì )智能化程度的日益加深，實(shí)驗室需要同頻或同步進(jìn)行的工作就越多。賽思實(shí)驗室時(shí)間一致性解決方案的出現，可以有效為科研工作排除多余變量，有效降低事物變化受其他因素影響的程度，進(jìn)而更好地發(fā)現萬(wàn)物規律，推動(dòng)科研創(chuàng )新科技進(jìn)步。
 

*原創(chuàng )文章，轉載請聯(lián)系賽思電子