CN108768577A - 一种基于ptp时间同步信号的通信网络授时方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于PTP时间同步信号的通信网络授时方法,包括以下步骤:步骤S1、产生初始时钟频率信号,并根据初始时钟频率信号生成本地初始PPS信号;步骤S2、获取主时钟PPS信号,并将主时钟PPS信号与本地初始PPS信号进行对比,根据对比结果调节初始时钟频率信号,得到标准时钟频率信号,并根据标准时钟频率信号生成本地校准PPS信号;步骤S3、对标准时钟频率信号进行分频得到分频时钟频率信号,对分频时钟频率信号再次进行分频得到高精度时钟频率信号;步骤S4、根据高精度时钟频率信号以及本地校准PPS信号产生PTP时钟同步报文时间戳,对PTP时钟同步报文时间戳进行解析,产生本地时间。本发明具有高可靠性和同步性的技术效果。

Description

一种基于PTP时间同步信号的通信网络授时方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及通信授时技术领域,具体涉及一种基于PTP时间同步信号的通信网络 授时方法及系统。
背景技术
[0002] 在传统跳频电台的设计过程中,受限于精度较低的温补晶体,使得跳频通信网络 建立时间偏长,同步保持时间偏短,并且在通信过程中还需要不断发送同步信息,从而增加 了网络开销;传统跳频电台在由静默状态转入战斗状态恢复时间长;多级组网时间长,无法 满足跳频电台网络建立时间短和同步保持时间长的要求。因此,一种用于北斗/GPS的通信 网络授时设备应运而生。但是基于北斗/GPS的通信网络授时设备完全依赖天基卫星导航系 统,授时手段单一,一旦卫星导航系统不可用,即刻失去外部时间基准,卫星导航系统容易 受干扰、受环境影响大,且存在一定的安全风险。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服上述技术不足,提供一种基于PTP时间同步信号的通信网 络授时方法及系统,解决现有技术中通信网络授时依赖于卫星导航系统,存在安全风险的 技术问题。
[0004] 为达到上述技术目的,本发明的技术方案提供一种基于PTP时间同步信号的通信 网络授时方法,包括以下步骤:
[0005] 步骤SI、产生初始时钟频率信号,并根据初始时钟频率信号生成本地初始PPS信 号;
[0006] 步骤S2、获取主时钟PPS信号,并将主时钟PPS信号与所述本地初始PPS信号进行对 比,根据对比结果调节所述初始时钟频率信号,得到标准时钟频率信号,并根据所述标准时 钟频率信号生成本地校准PPS信号;
[0007] 步骤S3、对所述标准时钟频率信号进行分频得到分频时钟频率信号,对所述分频 时钟频率信号再次进行分频得到高精度时钟频率信号;
[0008] 步骤S4、根据所述高精度时钟频率信号以及所述本地校准PPS信号产生PTP时钟同 步报文时间戳,对所述PTP时钟同步报文时间戳进行解析,产生本地时间。
[0009] 本发明还提供一种基于PTP时间同步信号的通信网络授时系统,包括恒温晶振模 块UI、FPGA模块U2、CPU模块U3以及以太网模块U4;所述恒温晶振模块U1通过所述FPGA模块 U2与所述CPU模块U3电连接,所述FPGA模块U2通过所述CPU模块U3与所述以太网模块U4电连 接;
[0010] 所述恒温晶振模块Ul用于产生初始时钟频率信号,并发送至所述FPGA模块U2;
[0011] 所述FPGA模块U2用于根据初始时钟频率信号生成本地初始PPS信号;
[0012] 所述FPGA模块U2还用于从所述以太网模块U4处获取主时钟PPS信号,并将主时钟 PPS信号与所述初始本地PPS信号进行对比,根据对比结果调节所述初始时钟频率信号,得 到标准时钟频率信号,并根据所述标准时钟频率信号生成本地校准PPS信号;对所述标准时 钟频率信号进行分频得到分频时钟频率信号;
[0013] 所述以太网模块U4用于对所述分频时钟频率信号再次进行分频得到高精度时钟 频率信号;并根据所述高精度时钟频率信号以及所述本地校准PPS信号产生PTP时钟同步报 文时间戳;
[0014] 所述CPU模块U3用于对所述PTP时钟同步报文时间戳进行解析,产生本地时间。
[0015] 与现有技术相比,本发明的有益效果包括:本发明基于PTP时钟同步报文实现通信 网络的同步授时,使得通信网络的授时不再依赖于卫星导航系统,安全性和可靠性更高;同 时通过主时钟PPS信号与所述本地初始PPS信号的对比,调整初始时钟频率信号,得到精度 更高的标准时钟频率信号,保证通信网络授时的同步性。
附图说明
[0016] 图1是本发明提供的基于PTP时间同步信号的通信网络授时方法的流程图;
[0017] 图2是本发明提供的基于PTP时间同步信号的通信网络授时系统的结构图。
具体实施方式
[0018] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。
[0019] 实施例1:
[0020] 如图1所示,本发明的实施例1提供了一种基于PTP时间同步信号的通信网络授时 方法,包括以下步骤:
[0021] 步骤SI、产生初始时钟频率信号,并根据初始时钟频率信号生成本地初始PPS信 号;
[0022] 步骤S2、获取主时钟PPS信号,并将主时钟PPS信号与所述本地初始PPS信号进行对 比,根据对比结果调节所述初始时钟频率信号,得到标准时钟频率信号,并根据所述标准时 钟频率信号生成本地校准PPS信号;
[0023] 步骤S3、对所述标准时钟频率信号进行分频得到分频时钟频率信号,对所述分频 时钟频率信号再次进行分频得到高精度时钟频率信号;
[0024] 步骤S4、根据所述高精度时钟频率信号以及所述本地校准PPS信号产生PTP时钟同 步报文时间戳,对所述PTP时钟同步报文时间戳进行解析,产生本地时间。
[0025] 本发明采用PTP (Precision Time Protocol)精确时钟同步协议,利用成熟的网络 资源,通过以太网获取网络服务器的高精度的同步信号,即主时钟PPS信号,提高本地恒温 晶振模块的标准时钟频率信号的准确度和稳定度,并依靠此标准时钟频率信号输出高精确 度、高稳定度的授时信号,。
[0026] PTP是一种主从同步系统,采用主从时钟方式,从时钟即本地时钟,对时间信息进 行编码,利用网络的对称性和延时测量技术,实现主从时间的同步。在同步过程中,主时钟 周期性发布PTP时间同步协议及时间信息,通过以太网从时钟端口接收主时钟端口发来的 时间戳信息,系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差,并利用该时间差调整本地 时间,使本地时间保持与主时钟时间一致的频率与相位。
[0027] 本发明可以实现授时精度优于±30ns (1PPS+T0D),可以满足现代通信对时间信号 的高精确性的要求;且PTP精密同步协议具有传输距离较远、标准化程度较高、便于系统集 成等诸多优点,是除天基北斗卫星系统授时手段外,重要的地基授时手段,对于提升授时系 统的抗毁性有重要意义。本发明设计合理、可靠性高、环境适应性强、使用方便。
[0028] 优选的,所述步骤S2具体为:
[0029] 步骤S21、对所述主时钟PPS信号以及所述本地初始PPS信号进行数字监相,得到二 者的钟差;
[0030] 步骤S22、根据所述钟差计算得到压控调整量;
[0031] 步骤S23、对所述压控调节量进行数模转换得到调节电压值,通过所述调节电压值 调节所述初始时钟频率信号,得到标准时钟频率信号。
[0032] 具体的,根据所述钟差计算压控调整量可采用环路滤波算法和老化补偿算法实 现。
[0033] 优选的,所述标准时钟频率信号为10MHZ时钟频率信号,所述分频时钟频率信号为 25MHZ时钟频率信号,所述高精度时钟频率信号为125MHZ时钟频率信号。
[0034] 优选的,所述步骤S3还包括:对所述高精度时钟频率信号进行计数,并计算本地时 钟运行时间,将所述本地时钟运行时间与主时钟运行时间进行比较,并根据比较结果调整 所述高精度时钟频率信号:
[0035]
Figure CN108768577AD00061
[0036] 上式中,Rs为调整前的高精度时钟频率信号,Rs△为调整后的高精度时钟频率信 号,η为计数值,
Figure CN108768577AD00062
为主时钟运行时间,
Figure CN108768577AD00063
为本地时钟运行时间。
[0037] PTP时钟同步需要靠由时钟伺服环路来控制,其控制输入是主时钟与本地时钟的 偏差。由于受到时钟稳定度的影响,本地时钟根据偏差校准之后将产生漂移,漂移的大小随 着校准间隔的增大而增大。假设主时钟本地时钟速度为Rm,从时钟本地时钟速度为Rs,同步 间隔为A T,则每次同步间隔中引起的最大偏差为:
[0038]
Figure CN108768577AD00064
[0039] 补偿的目的是使Rm=Rs,从而使A tmax = 0。因此,本发明记录本地时钟的一段运行 时间,与主时钟的运行时间进行比较,来调整时钟的计数值,使本地时钟和主时钟的运行速 度相同,保证本地时钟和主时钟的同步性。
[0040] 优选的,所述步骤4中根据所述高精度时钟频率信号以及所述本地校准PPS信号产 生PTP时钟同步报文时间戳具体为:
[0041] 对所述高精度时钟频率信号进行计数,并与所述本地校准PPS信号对齐产生PTP时 钟同步报文时间戳。
[0042] 通过高精度时钟频率信号与本地校准PPS信号对齐产生PTP时钟同步报文时间戳。
[0043] 优选的,所述PTP时钟同步报文时间戳在PHY层产生。
[0044] 采用PHY层打时间戳,从而消除通讯协议栈抖动所带来的延时影响。
[0045] 优选的,所述PTP时钟同步报文时间戳由PTP时钟同步报文携带,所述PTP时钟同步 报文的校正域字段由网元提供。
[0046] PTP时钟同步报文的PTP时钟同步报文时间戳由PTP时钟同步报文自身携带,校正 域字段由网元提供,解决网络抖动产生的延时不确定问题。
[0047] 实施例2:
[0048] 如图2所示,本发明的实施例2提供了一种基于PTP时间同步信号的通信网络授时 系统,包括恒温晶振模块Ul、FPGA模块U2、CPU模块U3以及以太网模块U4;所述恒温晶振模块 Ul通过所述FPGA模块U2与所述CPU模块U3电连接,所述FPGA模块U2通过所述CPU模块U3与所 述以太网模块U4电连接;
[0049] 所述恒温晶振模块Ul用于产生标准时钟频率信号,并发送至所述FPGA模块U2;
[0050] 所述FPGA模块U2用于根据所述标准时钟频率信号产生本地校准PPS信号,对所述 标准时钟频率信号进行分频得到分频时钟频率信号;
[0051] 所述以太网模块U4用于对所述分频时钟频率信号再次进行分频得到高精度时钟 频率信号;
[0052] 所述CPU模块U3用于对所述高精度时钟频率信号进行计数,并计算本地时钟运行 时间,将所述本地时钟运行时间与主时钟运行时间进行比较,并根据比较结果调整所述高 精度时钟频率信号;
[0053] 所述以太网模块U4还用于根据所述高精度时钟频率信号以及所述本地校准PPS信 号产生PTP时钟同步报文时间戳;
[0054] 所述CPU模块U3还用于对所述PTP时钟同步报文时间戳进行解析,产生本地时间。
[0055] 具体的,本发明利用FPGA模块U2构建锁相环路,通过对以太网模块U4输出的主时 钟PPS信号和恒温晶振模块Ul经过分频产生的本地校准PPS信号进行数字鉴相,得到二者的 钟差,然后通过环路滤波算法和老化补偿算法计算得到需要的压控调整量,通过数模转换 器转换成本地振荡器的调节电压值,通过调节电压值改变恒温晶振模块Ul的频率。整体形 成一个锁相闭环负反馈控制系统,最终锁相环路的稳态结果是使恒温晶振模块Ul分频后经 过移相参与鉴相的秒脉冲在一定跟踪范围内和以太网模块U4中的主时钟PPS信号的时间标 准保持严格同步。
[0056] 具体的,所述恒温晶振模块Ul,实现为系统提供IOMHz初始时钟频率信号。所述的 FPGA模块U2,通过接收以太网模块U4输出的主时钟PPS信号,与本地PPS信号完成监相比对, 实现对恒温晶振模块Ul的初始时钟频率信号的调节补偿,以得到输出稳定度为HT12的 IOMHz标准时钟频率信号;实现与CPU模块U3的总线数据交互,完成状态控制;实现产生高精 度的本地校准PPS信号,一路输出给CPU模块U3,一路输出给以太网模块U4;实现产生高稳定 度的25MHz分频时钟频率信号,并输出给以太网模块U4。
[0057] 所述的CPU模块U3,实现与以太网模块U4的网络数据交互,完成PTP时钟同步报文 时间戳的解析,产生本地时间的年、月、日、时、分、秒信息;实现与FPGA模块U2的总线数据交 互;CPU模块U3读取恒温晶振模块Ul的状态信息,状态信息包括自由运行状态、快捕状态、锁 定状态和保持状态,并读取以太网模块U4的时间戳信息:有效或无效,将两个信息发送给 FPGA模块U2,完成对恒温晶振模块Ul的控制。所述的以太网模块U4,支持IEEE1588标准,内 置高精度IEEE 1588时钟,通过接收FPGA模块U2输出的25MHz时钟,产生频率为125MHz的高精 度IEEE1588时钟频率信号;实现网络接口数据的发送和接收,并产生PTP时钟同步报文时间 戳,时间戳分辨率为8ns;实现本地PPS信号的产生,输出给FPGA模块U2。
[0058] 具体的,本实施例中,恒温晶体模块Ul采用的型号为广东大普公司的IOMHz恒温晶 体。FPGA模块U2采用的型号为XILINX公司的XC7A15TXPU模块U3,采用的型号为ST公司的 STM32F207。以太网模块U4采用的型号为TI公司的DP83640。所述恒温晶振模块U1的第1脚至 第3脚依次分别与FPGA模块U2的第1脚至第3脚相对应连接。所述FPGA模块U2的第4脚至第12 脚依次分别与CPU模块U3的第1脚至第9脚相对应连接;其第13脚至第15脚依次分别于以太 网模块U4的第1脚至第3脚相对应连接。所述CPU模块U3的第10脚至第27脚依次分别与以太 网模块U4的第4脚至第21脚相对应连接。
[0059] 本发明提供的基于PTP时间同步信号的通信网络授时系统基于上述基于PTP时间 同步信号的通信网络授时方法,因此,上述基于PTP时间同步信号的通信网络授时方法所具 备的技术效果,基于PTP时间同步信号的通信网络授时系统同样具备,在此不再赘述。
[0060] 优选的,如图2所示,基于PTP时间同步信号的通信网络授时系统还包括隔离变压 器模块U5,所述隔离变压器模块U5与所述以太网模块U4电连接,并用于提高系统抗干扰能 力。
[0061] 隔离变压器模块U5实现信号电平耦合,增加传输距离,提高抗干扰能力,增强对系 统内芯片的保护作用。本实施例中隔离变压器模块U5采用的型号为HanRun公司的 HY601680。所述以太网模块U4的第22脚至第25脚依次分别于隔离变压器模块U5的第1脚至 第4角相对应连接。
[0062] 优选的,所述CPU模块U3还用于对所述高精度时钟频率信号进行计数,并计算本地 时钟运行时间,将所述本地时钟运行时间与主时钟运行时间进行比较,并根据比较结果调 整所述高精度时钟频率信号。
[0063] 以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据 本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保 护范围内。

Claims (10)

1. 一种基于PTP时间同步信号的通信网络授时方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤SI、产生初始时钟频率信号,并根据初始时钟频率信号生成本地初始PPS信号; 步骤S2、获取主时钟PPS信号,并将主时钟PPS信号与所述本地初始PPS信号进行对比, 根据对比结果调节所述初始时钟频率信号,得到标准时钟频率信号,并根据所述标准时钟 频率信号生成本地校准PPS信号; 步骤S3、对所述标准时钟频率信号进行分频得到分频时钟频率信号,对所述分频时钟 频率信号再次进行分频得到高精度时钟频率信号; 步骤S4、根据所述高精度时钟频率信号以及所述本地校准PPS信号产生PTP时钟同步报 文时间戳,对所述PTP时钟同步报文时间戳进行解析,产生本地时间。
2. 根据权利要求1所述的通信网络的同步授时方法,其特征在于,所述步骤S2具体为: 步骤S21、对所述主时钟PPS信号以及所述本地初始PPS信号进行数字监相,得到二者的 钟差; 步骤S22、根据所述钟差计算得到压控调整量; 步骤S23、对所述压控调节量进行数模转换得到调节电压值,通过所述调节电压值调节 所述初始时钟频率信号,得到标准时钟频率信号。
3. 根据权利要求1所述的通信网络的同步授时方法,其特征在于,所述标准时钟频率信 号为IOMHZ时钟频率信号,所述分频时钟频率信号为25MHZ时钟频率信号,所述高精度时钟 频率信号为125MHZ时钟频率信号。
4. 根据权利要求1所述的通信网络的同步授时方法,其特征在于,所述步骤S3还包括: 对所述高精度时钟频率信号进行计数,并计算本地时钟运行时间,将所述本地时钟运行时 间与主时钟运行时间进行比较,并根据比较结果调整所述高精度时钟频率信号:
Figure CN108768577AC00021
上式中,Rs为调整前的高精度时钟频率信号,Rs△为调整后的高精度时钟频率信号,η为 计数值,
Figure CN108768577AC00022
为主时钟运行时间,
Figure CN108768577AC00023
为本地时钟运行时间。
5. 根据权利要求1所述的通信网络的同步授时方法,其特征在于,所述步骤4中根据所 述高精度时钟频率信号以及所述本地校准PPS信号产生PTP时钟同步报文时间戳具体为: 对所述高精度时钟频率信号进行计数,并与所述本地校准PPS信号对齐产生PTP时钟同 步报文时间戳。
6. 根据权利要求1所述的通信网络的同步授时方法,其特征在于,所述PTP时钟同步报 文时间戳在PHY层产生。
7. 根据权利要求1所述的通信网络的同步授时方法,其特征在于,所述PTP时钟同步报 文时间戳由PTP时钟同步报文携带,所述PTP时钟同步报文的校正域字段由网元提供。
8. —种基于PTP时间同步信号的通信网络授时系统,其特征在于,包括恒温晶振模块 UI、FPGA模块U2、CPU模块U3以及以太网模块U4;所述恒温晶振模块U1通过所述FPGA模块U2 与所述CHJ模块U3电连接,所述FPGA模块U2通过所述CPU模块U3与所述以太网模块U4电连 接; 所述恒温晶振模块Ul用于产生初始时钟频率信号,并发送至所述FPGA模块U2; 所述FPGA模块U2用于根据初始时钟频率信号生成本地初始PPS信号; 所述FPGA模块U2还用于从所述以太网模块U4处获取主时钟PPS信号,并将主时钟PPS信 号与所述初始本地PPS信号进行对比,根据对比结果调节所述初始时钟频率信号,得到标准 时钟频率信号,并根据所述标准时钟频率信号生成本地校准PPS信号;对所述标准时钟频率 信号进行分频得到分频时钟频率信号; 所述以太网模块U4用于对所述分频时钟频率信号再次进行分频得到高精度时钟频率 信号;并根据所述高精度时钟频率信号以及所述本地校准PPS信号产生PTP时钟同步报文时 间戳; 所述CHJ模块U3用于对所述PTP时钟同步报文时间戳进行解析,产生本地时间。
9. 根据权利要求8所述的通信网络的同步授时系统,其特征在于,还包括隔离变压器模 块U5,所述隔离变压器模块U5与所述以太网模块U4电连接,并用于提高系统抗干扰能力。
10. 根据权利要求8所述的通信网络的同步授时系统,其特征在于,所述CPU模块U3还用 于对所述高精度时钟频率信号进行计数,并计算本地时钟运行时间,将所述本地时钟运行 时间与主时钟运行时间进行比较,并根据比较结果调整所述高精度时钟频率信号。
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