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时钟服务器:实验室时间一致性解决方案

2022年10月14日 10:13赛思电子点击量:17

  A man with a watch knows what time it is. A man with two watches is never sure.
 
  Segal's Law
 
  实验室是一种近乎理想的工作环境,如标准大气压、恒温、洁净室等等,使事物的变化受环境的影响达到最小,进而发现万物规律。但实验室常常却忽略一个重要物理因素的影响,那就是七大物理基础量之一的时间。正如Segal法则中所表达的,一个人如果只有一个表,那么他可以确定当前的时间;如果有两个表,那么他将不能确定当前的时间。统一的时间体系下,我们才能更好确定事物变化规律的可靠性,时间同步的精度越高,事物变化的规律才更清晰。
 
  我们观察实物的角度越来越丰富,实验室就存在多种工作需要同频或同步进行,航天实验室需要多个航天载荷的同频同步工作,时钟要求达到us级同步;通信实验室需要验证通信的可靠性,终端的通信带宽有着细分要求,频率准确度要求至少达到1E-9的准确度要求,同步也要达到us;化学医学众多实验室对实验事件的事件记录也要达到ms级,高速的事件捕捉也要达到1us级的同步要求。
 
  分布式实验室的普及也同时对时间同步达到了更高要求。最近,作为一种潜力的证明和迈向功能性量子网络的第一步,伊利诺伊州快速量子网络 (IEQNET) 的一个研究团队成功地在美国能源部(DOE)的两个实验室之间使用本地光纤部署了一个长距离量子网络。该实验标志着量子编码光子(传递量子信息的粒子)和经典信号首次以前所未有的同步水平在远距离同时传递,其时钟同步达到优于5ps的惊人水平。

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  实验室对时间有着怎样的需求呢?

 
  从整体上看实验室对时钟同步有三个方面的需求:工作同频;控制同步;事件信息记录同步。
 
  工作同频
 
  工作同频为在同一频率或者同一频率准确度下进行工作。同频工作主要利用时频10M、10.23M信号或其他特殊频点作为参考频率进行工作,使多个设备实现频率同步,保证频率准确度的一致性,使工作时序同步稳定。
 
  控制同步
 
  控制同步是指多个设备需求同步脉冲进行控制,这个在一定程度也是一种时间同步,需要按照约定的触发时刻进行事件的控制。
 
  事件信息记录同步
 
  事件信息记录同步是指事件信息记录的终端需要时间同步,如计算机可以按照ms级的精度对事件进行时间戳记录,标记事件信息发生的时刻,采用高速的ePCI高速采集卡也需要实现us级的时间戳记录。多个设备的协作事件信息记录就需要进行时间同步,时间的不同步会导致事件信息记录的错乱和无效性。
 
  如何实现实验室的时间同步呢?
 
  首先我们要了解时间的基础表达形式,主要包含两个部分:秒和时间(年月日时分秒信息),也就是我们常说的1PPS(Pulse Per Second)和TOD(Time of Date)信息。1PPS的时间间隔变化体现出了频率的特性,可以通过1PPS的时间间隔变化对频率进行准确度计算与调整控制,进一步实现同频。

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必威体育精装版下载  时间同步就是授时方以不同的形式把1PPS和TOD信息进行传递,用时方通过1PPS和TOD的比对和控制修改当前时间的过程。目前主流的时间传递方式有:1PPS+TOD、IRIG-B(DC)、IRIG-B(AC)、E1、PTP、NTP、光纤和卫星接收机等。按照授时信息传递的方向上可分为单向时间同步和双向时间同步。单向时间同步方法包含1PPT+TOD、IRIG-B(DC)、IRIG-B(AC)和卫星接收机;双向时间同步方法包含E1、PTP、NTP、光纤时间同步、卫星共视和卫星双向。

 
  单向时间同步方法以IRIG-B码为例,IRIG是美国靶场仪器组的简称,IRIG时间标准分为并行时间码格式和串行时间码格式,由于并行格式传输距离较近,且是二进制,故并行时间码的应用远不如串行时间码。串行时间码有六种格式:即A、B、D、E、G和H。他们的主要差别是时间码的帧速率不同,IRIG-B即为其中的B型码,由于B码帧速率为1帧/s,最符合适用的习惯,因此B码的应用最为广泛。
 
  B码时间格式里每个脉冲称为码元,码元的准时参考点是其脉冲前沿,码元的重复速率称为码元速率,B码的码元速率为100ps。码元中包含了年月日时分秒信息,还具备标准秒位置的码元。其时间同步精度可达几十纳秒。B码除了时间信息的传递功能,还预留一组控制功能的码元。

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  双向时间同步是一种主从的同步方式,是通过主从交互信息发送和接收的时间,计算出传输的延迟和时间补偿量,进一步实现时间的补偿,信息的时间戳精度和链路往返的对称性是影响双向时间同步的重要因素。如PTP相对NTP来讲,PTP是硬件的时间戳标记方式,比NTP的软件时间戳精度要高,所以同步精度要高的多。后期我们也会开展专题讨论介绍这些时间传递方式的特点与应用。

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  实验室的时间同步就是以这些传递方式进行不同类别设备的时间统一。

 
  实验室的时间同步服务体系由哪些构成?
 
  实验室的时间同步服务系统从组成分析可分为四个部分:BD/GPS卫星溯源、时频统一、时频测量和时频传递。主要解决四大问题:时间从哪来?多种时间传输形态如何统一分发?时间还差多少?时间到哪去?

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  时间从哪里来

 
  这里提到时间是指UTC时间(协调世界时),是世界统一的时间。UTC时间的来源可以为我们提供两方面的信息,一个是标准时间,一个是标准频率。这就为我们对时间源的选取提供了参考依据,如果我们对标准时间和标准频率有一项需求,那么我们就要选择具备UTC时间获取功能的设备作为实验室时间来源。
 
  时间来源在我国主要三个源头:①BD/GPS卫星;②中国科学院国家授时中心;③中国计量科学研究院。利用BD/GPS接收机可以从BD/GPS直接UTC时间,但由于天线,芯片和传输路径延迟问题,时间获取的绝对精度在100ns量级,抖动为30ns量级。通过特殊的时频传输设备,如卫星共视设备,卫星双向比对设备,光纤时频传递设备也可以获取中国科学院国家授时中心和中国计量科学研究院的标准时间,时间精度可达±5ns。中国科学院国家授时中心拥有国内第一、世界第三规模的守时原子钟组,负责确定和保持我国的国家标准时间(UTC(NTSC))和原子时标准(TA(NTSC))。中国科学院国家授时中心与中国计量科学研究院都为国际原子时提供权重,对国际原子时有着重大贡献。
 
  赛思经过常年的苦心研究,在卫星授时技术基础上衍生出大量成熟产品,如SM2000多功能时频融合平台、NS7200高端NTP时间服务器、LF7300 IEEE1588高性能时统设备、LF7500 IEEE 1588高性能时统设备、FT6000光纤/E1授时比对设备和MS4140北斗共视仪,可满足各种实验室授时工作。
 
  时间如何统一分发?
 
  时间如何统一分发是指不同传输形态的时间信号如何保证其同步性发送,最大程度的减小由于信号发送链路所带来的时间延迟。首先所具备的是时间信号精密控制和补偿技术。赛思的LF7300和LF7500具备丰富种类的时间信号输出,包括B(DC)、1PPS +TOD 、NTP、PTP、E1等信号,满足最高100ns的时间授时精度,*满足大部分的实验室使用需求。于此同时,赛思的FT6000光纤/E1授时比对设备可通过光的形式,实现100km两地之间500ps的同步精度,可借此设备实现分布式实验室的时间和频率传递;通过MS4140北斗共视仪可以实现1000km以上的两个分布式实验室之间同步精度的达到10ns。
 
  时间到哪去?
 
  时间到哪去是指的用时设备,常规实验室用时设备是计算机、服务器、摄像机、数据采集卡和特殊的用户设备。以NTP网络形式较为普遍,可满足医院实验室、物理实验室等的应用。通信实验室主要以1PPS+TOD,B(DC),E1时间信号形态供用户使用,其中TOD协议是可根据用户的不同设备进行定义的。特殊的航天航空实验室主要以1PPS+TOD,10M,B(DC)的时间形式使用。而分布式的实验室则以光纤时间信号传递为主要传输途径,最终在实验室端口转化成适用的其他形态。
 
  时间还差多少?
 
  实验室的时间统一系统搭建或者运行过程,还需要对时间的性能进行监测和测量,时间的测量装置是衡量时间或者频率相差多少的高精度测量装置。赛思公司的TT1000时间性能综合测量仪可对多种格式的时间信息进行比对测量,其精度达到ns量级,对NTP和PTP的网络时间同步性能也具备高精度的测量能力。PT1300频稳测试分析仪具备1MHz-100MHz的范围的频率特性分析仪器,优秀的系统本底噪声低至5E-14/s。
 
  实验室时间统一系统的搭建
 
  实验室时间统一系统的搭建与实验室的时间精度需求相关,按照精度可以分为纳秒级精度时间统一系统、微秒级精度时间统一系统、毫秒级以上精度时间统一系统以及复合精度时间系统;按照时间统一特性又可分为绝对时间统一系统和相对时间统一时间是系统;按照时间系统的位置关系可分为集中式时间统一系统和分布式时间统一系统。
 
  纳秒级精度时间统一系统
 
  纳秒级精度时间统一系统主要是以10M信号、1PPS+TOD,B(DC)信号为基础建立,这三种信号具备延迟可精确测量可精确补偿的特点,可使实验室的用时设备达到高精度的时间统一。LF7300与LF7500 IEEE1588高性能时统设备具备高精度的信号接口,同时具备高质量的守时特性,6个月守时偏差小于1毫秒。

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必威体育精装版下载LF7300(左)与LF7500(右) IEEE1588高性能时统设备

 
  微秒级精度时间统一系统
 
  微秒级精度时间统一系统主要是以10M信号、B(DC)、B(AC)信号为基础建立的,无需延迟补偿,可使实验室的用时设备达到微秒级的时间统一。微波级相对纳秒级的实验室的使用,在线缆传输延迟上要求不高,可无需配置相应的时间测量设备。
 
  毫秒级精度时间统一系统
 
  毫秒级精度时间统一系统主要是以NTP信号为基础建立的网络时间同步。赛思生产的7200系列时间服务器具备优秀的网络同步时间服务能力。采用高可靠性、高安全性和大容量设计,MTBF高达20万小时;设备支持用户接入控制、协议加密、端口隔离等安全措施,提高系统安全性;设备配置高性能处理单元,可提供高达数万次/秒的端口处理能力。NS7200支持标准的NTP和SNTP网络对时协议,适用于对系统容量及安全要求较高的场景,如银行、证券、公安等。

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  复合精度时间统一系统

 
  复合精度时间统一系统即具备多种形式的时间传输能力来满足实验室不同类型设备的时间需求,常规需包含1PPS+TOD、B(DC)码,NTP,10MHz等信号,且各种信号的时间具备高度统一。上文提到的LF7500就具备这样的能力,该设备输出接口丰富,安装简便,能在机房、舰载和车载等多种环境下持续工作,已在多个领域广泛应用。同时具备BD/GPS接收机,可实现UTC对时。
 
  分布式时间统一系统
 
  分布式时间统一系统主要应对的是资源远距离分布的实验室,如文章开头提到的美国能源部的两个实验室,分布式时间同步可以使一个实验室具备另一个实验室的时间特征,使两个实验室协同工作,效率提高。我们公司研发的FT6000光纤/E1守时比对设备和MS4140北斗共视仪,可以使两个相距100KM以上的实验室时间同步精度达到ns级;当然也可以利用7200系列NTP时间服务器,通过内网时间两实验室的ms级的时间同步精度。

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  随着社会智能化程度的日益加深,实验室需要同频或同步进行的工作就越多。赛思实验室时间一致性解决方案的出现,可以有效为科研工作排除多余变量,有效降低事物变化受其他因素影响的程度,进而更好地发现万物规律,推动科研创新科技进步。

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