FR3002396A1 - Procede et dispositif de synchronisation d'horloges distantes utilisant un unique lien de communication en mode "half duplex" - Google Patents

Abstract

Procédé et dispositif de synchronisation d'horloges distantes utilisant un unique lien de communication en mode « half duplex ». L'utilisation d'un lien de communication travaillant en « half duplex » permet d'éviter l'asymétrie des temps de propagation et d'améliorer la synchronisation par rapport aux dispositifs de l'art existant travaillant en « full duplex ». Un tarage précis des dispositifs à la fabrication, permet d'obtenir des erreurs de synchronisation faibles. Par extension du nombre de ports de communication des dispositifs, des réseaux de synchronisation de structure complexes peuvent être construits afin d'optimiser la précision et/ou de permettre la résistance aux pannes. Une application est par exemple la synchronisation des grands réseaux d'antennes de réception des domaines HF et VHF, avec numérisation en pied d'antenne.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de synchronisation utilisant un unique lien de communication en mode « half duplex », utilisable notamment dans le cadre des applications nécessitant la mise en phase précise (précision absolue inférieure à la nanosec.onde) d'horloges éloignées. Ces applications sont par exemple les grands réseaux d'antennes pour la guerre électronique (notamment les réseaux de réception avec numérisation en pied d'antenne des domaines HF et VHF), la radioastronomie, et en règle générale les systèmes impliquant un besoin de cohérence de phase ou de datation précise d'événements. Dans ce type d'applications, les différentes horloges, distantes, doivent être synchronisées avec une grande précision, à la foi È en fréquence et en temps (phase). Dans l'art existant, on utilise communément de tels systèmes, synchronisant deux points (maître et esclave) par la mesure du temps de propagation de l'information véhiculée par le lien de communication (voir par exemple la norme 1EEE1588, pour une application sur un lien ethernet), permettant une résolution équivalente à un symbole. La comparaison de phase entre l'horloge locale et l'horloge accompagnant ou portée par les données du lien de communication permet ensuite d'affiner la mesure. Une boucle à verrouillage de phase est utilisée pour asservir en phase l'horloge locale par rapport à l'horloge entrante, en compensant le temps de propagation. Dans l'art existant, le lien de communication est réalisé en « full duplex », utilisant en pratique un support pour chaque sens de transmission (deux liens physiques ou un unique lien travaillant avec deux longueurs d'onde). La vitesse de propagation de l'information n'est alors pas exactement la même dans les deux sens de propagation, et cette asymétrie introduit une erreur proportionnelle à la longueur du lien et pouvant varier notamment en température. L'invention concerne notamment l'utilisation d'un lien de communication 30 travaillant en « half duplex ». L'utilisation du même support pour le lien de communication évite ainsi l'asymétrie des temps de propagation.

Après un rappel des principes utilisés dans l'art existant, la description qui suit détaille les caractéristiques et avantages de l'invention, avec une application notamment dans la synchronisation des grands réseaux d'antenne en guerre électronique. Sont annexées les figures suivantes : - La Figure 1 donne le principe général de la liaison entre deux dispositifs types - La Figure 2 donne le schéma synoptique d'un exemple d'implémentation d'un dispositif complet, avec un port - La Figure 3 donne le schéma synoptique d'une PLL à traitement numérique La Figure 4 donne un exemple de dispositif multiports Pour assurer une précision absolue inférieure à la nanoseconde, on emploie de préférences des horloges de haute fréquence pour diminuer l'incertitude temporelle (on effectue plus de mesures par unité de temps, permettant de diminuer l'incertitude par la moyenne). Dans le cadre des applications envisagées, la transmission numérique instituée entre les deux horloges pour assurer la synchronisation est donc supposée rapide (typiquement de l'ordre de 100 Mbits/s ou plus). A ces vitesses, pour les longues distances (au-delà d'une centaine de mètres), la fibre optique est préférée comme support physique, les liaisons cuivre présentant trop d'atténuation, et d'autant plus que la vitesse de transmission est élevée. Le principe est indépendant du support physique utilisé pour la transmission, mais on ne considèrera par la suite que le cas de la fibre optique, plus adaptée aux applications citées.

Dans l'art existant, la fibre optique est standard, monomode ou multimode, utilisée en « full duplex ». Le lien de communication physique est. soit constitué de deux fibres (dédiées chacune à un sens de transmission, qui est le cas le plus répandu), soit d'une unique fibre travaillant à deux longueurs d'onde différentes.

La vitesse de propagation moyenne de l'information n'est généralement pas égale dans deux fibres différentes, surtout dans le cas où l'on n'impose pas qu'elles soient issues de la même coulée. Une faible variation d'indice optique existe aussi entre les deux longueurs d'onde utilisées dans le cas la fibre unique, créant de la même manière une asymétrie (mais plus faible) dans les temps de propagation. La méthode de mesure reposant sur l'hypothèse de l'égalité entre les deux temps de propagation, une erreur est faite, qui limite la précision de la synchronisation. De plus, les paramètres physiques varient également en température, perturbant un éventuel tarage fait pendant l'installation du système. Bien que faible, la différence devient d'autant plus gênante que le lien est long ou que la précision demandée est importante. L'invention concerne notamment l'utilisation d'une fibre optique travaillant en « half duplex » à une unique longueur d'onde pour éviter l'asymétrie des temps de propagation. La mesure continue du temps de propagation dans la fibre permet, comme dans l'art existant, l'insensibilité notamment aux variations en température. L'invention utilise des composants standards pour réduire les coûts de fabrication. L'utilisation d'une fibre multimode est préférée (si l'utilisation n'implique pas une portée trop élevée, c'est-à-dire supérieure à 500 m typiquement), tant pour des raisons de coût que pour éviter le couplage sur une polarisation particulière pouvant exister dans une fibre monomode (la vitesse de propagation variant avec la polarisation). Dans une fibre monomode, les deux émetteurs d'extrémité risquent alors d'être couplés avec des polarisations différentes, entraînant de nouveau une asymétrie. Dans une fibre multimode, de nombreux modes de propagation sont activés au couplage, créant en sortie une impulsion notablement plus large que pour la fibre monomode, mais moyennant les vitesses de propagation des deux côtés : la symétrie est obtenue indirectement par la moyenne. Dans les applications visées, la fréquence des horloges utilisées est généralement d'au plus quelques centaines de MHz, et la limitation de la bande passante due à la largeur de l'impulsion est généralement acceptable. Pour une précision maximale, on préférera cependant utiliser des émetteurs-récepteurs rapides, même si le débit d'information dans la fibre reste faible, afin de bénéficier de temps de montée élevés et donc de réduire les incertitudes sur l'instant de commutation. Pour une synchronisation sub-nanoseconde, on choisit typiquement des émetteurs-récepteurs de grande diffusion de l'art existant conçus pour l'ethernet 1000M.

Les émetteurs-récepteurs pour fibre optique standard du commerce (modules GBIC, SFP,...) ne permettent pas le fonctionnement en « half duplex », qui est un mode inadapté aux transmissions rapides. En effet, la phase d'acquisition de la synchronisation des données consomme de la bande passante ; de plus, le retournement doit être géré, typiquement via un protocole spécifique transporté par les données. Le dispositif consiste à utiliser un module émetteur-récepteur « full duplex » standard, raccordé à un coupleur optique 2 vers 1 (1), lui-même couplé ensuite à la fibre (2), selon la Figure 1. La fréquence nominale de l'horloge locale des dispositifs, supposée commune pour l'exposé, est notée fo . Un dispositif comporte également un VCXO (3) chargé de produire l'horloge locale, ainsi qu'un système de traitement (4) effectuant toutes les opérations de contrôle, décrites plus loin. Un module standard (5) (typiquement un module SFP) réalise l'interface numérique - optique en « full duplex ».

La modulation sur fibre optique (pour un usage industriel courant) se fait par simple modulation d'amplitude à 2 états, le 1, par exemple, générant une intensité lumineuse plus élevée que le 0. Le rapport de puissance entre les deux états est de l'ordre de 10 à 15 dB typiquement. Dans un module standard, l'émetteur ne peut pas être coupé rapidement (plusieurs millisecondes ou dizaines de millisecondes sont nécessaires). En mode réception, l'émetteur sera donc alimenté par des données fixes, générant l'intensité minimale et évitant toute modulation (le récepteur s'adaptant au niveau entrant et recherchant les variations d'intensité). L'isolation du coupleur (fuite de l'émetteur vers le récepteur de la même 25 extrémité) doit être suffisante pour que ledit récepteur ne soit pas aveuglé et reste dans un domaine de fonctionnement acceptable, connaissant l'intensité lumineuse émise à l'autre extrémité et l'atténuation apportée par la fibre. Un exemple d'implémentation du dispositif (un seul port représenté) est donné Figure 2. 30 Le procédé de synchronisation consiste alors d'abord à choisir une fréquence fs de retournement de la liaison, qui est utilisée comme fréquence d'échantillonnage par l'asservissement numérique du dispositif esclave. Cette fréquence doit être grande devant la bande passante de l'asservissement, et très petite devant le débit du lien de transmission. Le dispositif maître passe alors en émission lors du premier demi-cycle, par exemple, par rapport à son horloge propre (à la fréquence fo, typiquement utilisée directement pour synchroniser la modulation des données), et en réception lors du deuxième demi-cycle. Une trame (typiquement de structure fixe) est émise dès le début du cycle d'émission, intégrant un intervalle de garde (émission d'intensité minimale), un préambule de synchronisation et un bloc de données. L'information est émise par exemple selon un codage de type Manchester, qui double la bande passante mais permet la transmission d'au moins une transition 0-1 ou 1-0 par bit d'information ; la fréquence de modulation étant typiquement égale à celle de l'oscillateur de fo l'horloge interne, soit fo , le débit d'information vaut (bits/s). A la réception, le 2 dispositif esclave synchronise une PLL de réception sur les transitions, s'aligne 15 sur le préambule et décode les données. Pendant la réception des données, des mesures (typiquement à faible précision, de l'ordre de 45°) du décalage de phase observé entre les transitions du signal entrant et l'horloge locale à fo sont effectuées et moyennées pendant un temps Tm , depuis la détection du préambule jusqu'à la fin de la trame. La mesure du décalage de phase se fait par exemple en 20 estimant le décalage temporel observé à partir d'une horloge annexe haute fréquence à ft/ (typiquement fi/ 8 fo ), indépendante de l'horloge locale, afin de décorréler les mesures de ladite horloge locale. L'intégration de toutes les mesures dans la durée T Ad fournit une estimation du décalage de phase moyen, qui est envoyé à une PLL de faible bande passante (très faible devant la 25 fréquence de retournement fi). Cette PLL est typiquement une PLL à traitement numérique fonctionnant avec une fréquence d'échantillonnage fs , dont le synoptique général est présenté Figure 3. Outre le VCXO (3) et le comparateur de phase numérique (6), elle intègre un filtre numérique (7) alimentant en données un convertisseur 30 numérique-analogique (8), qui pilote le VCXO (3) après filtrage passe-bas (9).

Les données transportées dans une trame contiennent notamment l'heure selon l'horloge maître (le numéro de cycle courant à fs ), et les données de mesure de temps de propagation utilisées dans l'étape finale de synchronisation. L'instant précis d'émission de début de la trame (le préambule) étant prédéterminé dans le référentiel de l'horloge maître, l'horloge esclave peut alors, en tenant compte de la mesure de phase, déterminer l'écart précis qu'elle présente avec celle-ci (avec une résolution très inférieure à la durée d'un bit d'information). Le processus de synchronisation est typiquement le suivant : l'esclave se met en réception, détecte et décode les trames du maître après verrouillage de son horloge locale sur l'horloge du maître, l'esclave connaît l'écart de son horloge propre par rapport à celle du maître, au temps de propagation près. Il passe alors lui-même en émission lors du deuxième demi-cycle de chaque période de retournement. L'intervalle de garde permet d'éviter les collisions, il doit être supérieur au temps maximal de propagation attendu. Le maître embarque le même système de réception de données que l'esclave. Après détection d'une activité de l'esclave, à partir du décalage observé par l'esclave et retransmis en retour dans les données trame, il est en mesure de déterminer le temps de propagation (supposé symétrique). En transmettant cette information à l'esclave dans la trame de données suivante, il permet à celui-ci de synchroniser finement son horloge propre sur celle du maître, achevant le processus de synchronisation initiale. Les variations ultérieures du temps de propagation sont ajoutées à l'erreur de phase injectée dans le filtre de boucle de la PLL. Les dispositifs maître et esclave sont identiques, l'horloge locale du maître fonctionnant ici en mode libre (non asservi). Un dispositif peut comporter deux ou plusieurs modules émetteur-récepteur, autorisant par chaînage la réalisation d'un 30 réseau d'horloges synchronisées. L'erreur de synchronisation temporelle maître-esclave est fonction de la précision des mesures de phase et des incertitudes sur les temps de propagation dans les parties non communes, notamment les coupleurs et émetteurs- récepteurs. Lors de la réalisation d'une chaîne d'horloges, elle augmente proportionnellement avec le nombre de noeuds. Des mesures particulières effectuées lors d'une phase de tarage initial 5 permettent de déterminer et donc compenser les temps de propagation internes. Ce tarage est indispensable pour une synchronisation absolue, si l'on vise une erreur inférieure à la nanoseconde. On dispose d'un dispositif comportant au moins deux ports (nommés port 0 et port 1), d'une fibre de liaison, et d'un connecteur fibre « bouchon » constitué d'un 10 miroir. Chaque port du dispositif est également supposé capable de se recevoir lui-même pendant l'émission (voir plus haut). On effectue dans un premier temps le tarage des émetteurs-récepteurs (tarage de l'électronique) : le coupleur n'est pas utilisé, on branche directement la fibre 15 entre l'émetteur et le récepteur des ports testés. On note TE0, TEi les temps de propagation depuis l'horloge interne jusqu'à la sortie des ports 0 et 1. On note TRo, T les temps de propagation depuis les entrées des ports 0 et 1 jusqu'au système de mesure interne. 20 On note TF le temps de propagation dans la fibre Le processus de tarage est le suivant : le « bouchon » miroir est connecté sur le port 0 du dispositif, qui peut alors mesurer son temps de propagation propre émission + réception : M = T + I. 25 EO RO ' 25 On effectue la même mesure sur le deuxième port, M ER1 = 7E1+41' La fibre est utilisée pour interconnecter les deux ports du dispositif, on mesure M01 =TEO +TF +Tm puis M10 =" TE1+ TF +TRo en intervertissant les ports. On a pour résumer : IM ERO - 7E0 + T RO M ER1- TE1+ TR1 M01 -TE0 +TF +TR1 M10 - T El+ TF +T D'où l'on tire : -M10 + M01+ MER1- MERO 2 T -T =M1°- M01+ MER1- MER° El EO 2 On en déduit que le temps de propagation des éventuels multiples ports d'un 5 même dispositif peuvent être compensés de manière à être vus identiques pour un même sens de propagation. La différence entre les temps de propagation émission et réception ( AT = T FO + TRo) n'est pas accessible. Les coupleurs les plus simples et les moins coûteux sont constitués par la 10 fusion de deux fibres. Leur connexion se fait par des câbles dont les longueurs ne sont a priori pas appariées. Les temps de propagation dans les coupleurs peuvent donc être très variables. En utilisant le coupleur en diviseur de puissance connecté entre la sortie d'un port et les entrées de deux ports appariés selon la procédure précédente, on 15 accède aux temps de propagation de ses deux voies de couplage, qui peuvent donc être compensés. Cette mesure, indépendante du dispositif de mesure lui-même, peut alternativement être effectuée par un appareil de mesure externe. Le cas échéant, on peut préférer effectuer la mesure de tarage initiale en intégrant directement le coupleur, pour une précision de synchronisation globale inférieure. 20 Dans les deux cas, l'erreur d'appariement résiduelle entre un dispositif maître et un dispositif esclave est alors assimilée à la différence du temps de propagation « électronique » entre émission et réception dans un même port. Si la précision obtenue est insuffisante, un moyen externe est nécessaire pour assurer la compensation de cette différence, typiquement par la comparaison des phases { TE0 + TRO = M ERO T R1+ T RO = des horloges locales à fo des deux dispositifs, prises à un point de référence précis. On peut ainsi rendre plusieurs dispositifs identiques à un dispositif de référence « étalon », et assurer la synchronisation sans la connaissance précise des temps de propagation émission-réception. L'appariement « usine » depuis un étalon permet notamment le remplacement d'un dispositif sans nécessiter de réglage par l'utilisateur. Ce faisant, la longueur de la fibre d'interconnexion entre deux dispositifs peut être arbitraire, et on évite notamment la fabrication de fibres appariées. Elle peut également être remplacée sans besoin d'un quelconque réglage.

En fonctionnement, le système compense les variations du temps de propagation dans la fibre ; les variations en température au niveau des dispositifs, notamment, subsistent. Une amélioration supplémentaire peut être apportée en effectuant les mesures de tarage usine à des températures de fonctionnement différentes, dont les valeurs sont par exemple interpolées selon la température mesurée durant l'utilisation. L'erreur instantanée est minorée par le bruit de phase de l'horloge locale : un oscillateur de faible bruit de phase devrait être utilisé, conjointement avec une bande passante aussi faible que possible pour la PLL, afin de filtrer le bruit de phase induit par le bruit présent sur le signal transporté par la fibre.

Le chaînage de plusieurs dispositifs, chacun devenant le maître du suivant, va accumuler les erreurs de tarage et la puissance du bruit de phase très basse fréquence. Le lien de communication peut être utilisé pour transmettre toute information utile ; on peut notamment diminuer le temps de verrouillage des PLL de fin de chaîne en transmettant les informations d'erreur de phase de chaque PLL d'un noeud à l'autre. Des architectures plus complexes, impliquant notamment des boucles dans la chaîne de synchronisation peuvent améliorer la précision, selon l'architecture du réseau utilisée. Par exemple, la connexion directe de l'horloge maître d'origine sur un noeud de bout de chaîne permet à celui-ci, par pondération avec les mesures effectuées par ses pairs d'optimiser la précision de la synchronisation et/ou de réduire le bruit de phase. La « qualité » de sa mesure (fixée selon sa position dans la topologie du réseau) peut alors être propagée aux noeuds précédents pour leur permettre eux aussi d'optimiser leur synchronisation. Des liaisons transversales ponctuelles entre noeuds sont également possibles par les ports surnuméraires des dispositifs. Les liens de communication offrent un moyen simple de transmettre les informations sur la topologie du réseau, qui, par l'utilisation d'un protocole spécifique, peut être déterminée automatiquement par le réseau lui-même, notamment au démarrage du système. L'utilisation des ports surnuméraires permet également la résistance aux pannes, notamment dans les très grands réseaux, en contournant les noeuds défectueux sans nécessiter un doublement du système de synchronisation. La Figure 4 donne un exemple de 10 dispositif multiports. Un exemple d'application est l'utilisation du dispositif dans un grand réseau d'antennes de réception des domaines HF et VHF, avec numérisation en pied d'antenne. La mise en phase des différentes antennes dans cette configuration 15 requiert une synchronisation absolue typiquement inférieure à la nanoseconde au niveau de chaque antenne. Dans cette configuration, la longueur importante des liens de communication limite l'usage des techniques « full duplex » de l'art existant.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1 - Procédé permettant la synchronisation temporelle d'une chaîne de dispositifs par l'utilisation d'une liaison de données permettant la synchronisation et l'échange d'informations entre deux dispositifs, caractérisé par l'utilisation d'une liaison de données fonctionnant en « half duplex », permettant à deux dispositifs d'utiliser le même support physique à tour de rôle et dans les mêmes conditions, afin d'obtenir une durée de propagation du signal identique dans les deux 10 directions.
2. 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, et caractérisé en ce qu'il est destiné à utiliser une fibre optiqùe à une unique longueur d'onde (2) pour la liaison de données en « half duplex ». 15
3. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des coupleurs optiques (1) et des émetteurs/récepteurs « full duplex » (5) standards pour réaliser la liaison « half duplex ». 20
4. 4 - Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif numérique de mesure du déphasage opérant sur les données échangées. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des 25 moyens pour l'intégration des mesures d'erreur de phase dans les données échangées pour accélérer le verrouillage de l'ensemble des dispositifs de la chaîne.