胡 慶， 羅孝杰

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展及需求，對(duì)遠(yuǎn)距離通信設(shè)備在信息交互時(shí)對(duì)時(shí)鐘同步的精確度提出了更高的要求，以確保收到的信息準(zhǔn)確無(wú)誤.通信過(guò)程中若時(shí)鐘未同步，則會(huì)導(dǎo)致接收的信息幀字節(jié)錯(cuò)位或接收失敗，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的后果.時(shí)間同步所要解決的就是傳輸時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，是保證通信系統(tǒng)可靠工作的一項(xiàng)重要技術(shù)措施.系統(tǒng)能否有效且可靠工作，很大程度上取決于是否有良好的同步系統(tǒng)[1].現(xiàn)有的時(shí)間同步技術(shù)主要有：IRIG-B與DCLS技術(shù)、NTP技術(shù)、1PPS及串行口ASCII字符串技術(shù)、PTP技術(shù)等[2-4]，可以滿足不同精度的時(shí)間同步需求.本項(xiàng)目采用1PPS及串行口ASCII字符串技術(shù)，用于局內(nèi)時(shí)間傳送，并采用人工補(bǔ)償傳輸延時(shí)，精度達(dá)到100 ns量級(jí).同時(shí)，使用基于微波的站間雙向時(shí)間頻率同步方法，在9～28 V DC工作電壓范圍內(nèi)且兩基站相距超過(guò)10 km的情況下，實(shí)現(xiàn)兩基站時(shí)間同步，且其精度達(dá)到±10 ns.本研究重點(diǎn)探討了本項(xiàng)目中基于ZYNQ-7000芯片的遠(yuǎn)距離無(wú)線時(shí)間同步系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)部分.

1 軟件設(shè)計(jì)方案

當(dāng)兩站相距較近且可通視情況下，基于微波的站間雙向時(shí)間頻率同步方法是一種較為理想的站間時(shí)間頻率同步方法，其同步工作原理如圖1所示.

圖1基于微波的站間雙向時(shí)間頻率同步方法原理圖

參與雙向時(shí)間頻率傳遞的站A、B依據(jù)各自的時(shí)鐘，在同一鐘面時(shí)刻向?qū)Ψ桨l(fā)送代表時(shí)間起始點(diǎn)的1 pps信號(hào)脈沖.每個(gè)站測(cè)量從本地產(chǎn)生1 pps時(shí)標(biāo)信號(hào)開(kāi)始，到收到對(duì)方信號(hào)且恢復(fù)對(duì)方發(fā)送的1 pps時(shí)標(biāo)信號(hào)為止這段時(shí)差.站A、B將各自測(cè)得的時(shí)差信息插入基帶數(shù)據(jù)中通過(guò)反向鏈路相互交換，由數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)兩站測(cè)量的時(shí)差結(jié)果求差，可得到站A、B之間的時(shí)間差.

假設(shè)站A時(shí)鐘與站B時(shí)鐘之間的鐘差為δt，時(shí)基信號(hào)自站B發(fā)射到站A接收的傳播時(shí)延為TBA，自站B發(fā)射至站A接收的傳播時(shí)延為TAB，則由圖1可得，

TBA+TA=TAB+TB+2δt

(1)

因此，

(2)

式中，TA和TB作為觀測(cè)量，可以直接獲得；TBA和TAB為信號(hào)傳播路徑上的時(shí)延，不能精確測(cè)量，只能建立其數(shù)學(xué)模型.式(2)即為雙向時(shí)間同步解算公式.

雙向信號(hào)傳播時(shí)延的數(shù)學(xué)模型如式(3)、式(4)所示，

(3)

(4)

由于兩站同步信號(hào)的幾何傳輸距離相同，因此可得兩站時(shí)差測(cè)量公式為，

(5)

當(dāng)獲取兩站的時(shí)間差后，則可方便地求出兩站相對(duì)頻率偏差為，

(6)

式(6)中，τ為取樣時(shí)間，x(0)為兩站初始時(shí)間差，x(τ)為兩站經(jīng)過(guò)取樣時(shí)間τ后時(shí)間差，fA、fB分別為取樣時(shí)間內(nèi)站A和站B時(shí)鐘的平均頻率.由于采用擴(kuò)頻體制，時(shí)差測(cè)量的精度非常高，路徑上的誤差項(xiàng)大部分可以相互對(duì)消，因此雙向時(shí)間頻率傳遞技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間與頻率比對(duì).

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 程序架構(gòu)與運(yùn)行設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主函數(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括日志打印初始化、內(nèi)存池初始化、狀態(tài)機(jī)初始化、平臺(tái)初始化、CPU計(jì)時(shí)器初始化與狀態(tài)機(jī)流程運(yùn)行等方面.

程序從main函數(shù)入口，首先進(jìn)行日志輪詢的初始化、內(nèi)存池的初始化、軟件正常執(zhí)行所需要的狀態(tài)機(jī)初始化與平臺(tái)初始化(即，針對(duì)ZYNQ-7000系列芯片對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行初始化，包括基本的ZYNQ-7000系列的系統(tǒng)配置初始化、GPIO初始化、IRQ中斷初始化等)，然后開(kāi)始CPU計(jì)時(shí)器初始化并運(yùn)行CPU計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)等待20 s后將中斷打開(kāi)，判斷是否定義WatchDog.正常情況下，程序定義了WatchDog后就需要進(jìn)行WatchDog的初始化，防止異常而導(dǎo)致死機(jī).若程序異常，則中斷打開(kāi)，Reboot自動(dòng)重啟，系統(tǒng)啟動(dòng).通常，系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)不會(huì)定義WatchDog，目的是方便調(diào)試.然后，系統(tǒng)直接進(jìn)行狀態(tài)機(jī)流程的工作.

圖2系統(tǒng)主函數(shù)結(jié)構(gòu)

2.2 功能函數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言編寫.C語(yǔ)言具有簡(jiǎn)潔緊湊、靈活方便、運(yùn)算符豐富、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、代碼量小及運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，尤其在Linux和單片機(jī)系統(tǒng)下，可靠性與規(guī)范性較強(qiáng)[5].

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程為：主、從節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻上電，開(kāi)始時(shí)以自己的RTC時(shí)間運(yùn)行，在同一鐘面時(shí)刻向?qū)γ姘l(fā)送代表時(shí)間起始點(diǎn)1 pps信號(hào)脈沖，即每秒的秒幀頭，然后由軟件控制可編程邏輯模塊(Field-programming gate array,FPGA)捕獲跟蹤，F(xiàn)PGA將得到的數(shù)據(jù)上報(bào)，軟件進(jìn)行收集、組幀、處理，對(duì)兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)差(雙向路徑延時(shí)、鏈路延時(shí)、AD9361延時(shí)等)進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)間頻率同步.兩節(jié)點(diǎn)精同步后，因?yàn)閮苫驹诤Ｉ线\(yùn)行且距離是變化的，所以從節(jié)點(diǎn)還需要在每秒進(jìn)行一次微調(diào)，確保兩基站通信完整.

整個(gè)流程中，時(shí)間同步分為粗同步和精同步.粗同步保證兩節(jié)點(diǎn)在200 ms內(nèi)對(duì)齊，能發(fā)現(xiàn)接收到數(shù)據(jù)且打印正確.精同步保證兩節(jié)點(diǎn)在±10 ns內(nèi)對(duì)齊，通過(guò)示波器觀察兩節(jié)點(diǎn)脈沖信號(hào)距離相差不超過(guò)10 ns，且從節(jié)點(diǎn)脈沖信號(hào)抖動(dòng)范圍在10 ns左右.

本設(shè)計(jì)1 s內(nèi)發(fā)送幀排列的步驟為：1 s內(nèi)5幀交替發(fā)送，且3幀為同步，2幀為數(shù)據(jù).所以，需要收集3幀(300 bit數(shù)據(jù))才能滿足收集到的3幀中至少有完整的2幀數(shù)據(jù)，且在2幀數(shù)據(jù)中至少有1幀為同步幀，才能滿足相關(guān)的需求.進(jìn)行同步時(shí)，以主機(jī)的RTC時(shí)間為準(zhǔn)，從機(jī)的RTC通過(guò)調(diào)整與主機(jī)的RTC時(shí)間對(duì)齊.

特別注意，本設(shè)計(jì)在每次代碼編輯完成且上板調(diào)試成功后，會(huì)使用Git版本管理工具[6]來(lái)管理代碼，以便在遇到問(wèn)題時(shí)能盡快恢復(fù)到之前的代碼.

2.3 主從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)流程

主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)流程圖如圖3所示.在板卡上電后，主機(jī)的狀態(tài)處于S-INI；當(dāng)CPU中斷函數(shù)上報(bào)E-AD-READY后，執(zhí)行setup-fpga函數(shù)；由S-INI狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S-FRAME-1狀態(tài)；當(dāng)捕獲跟蹤完成后，再跟蹤完成中斷上報(bào)事件，執(zhí)行frame-1-process；由S-FRAME-1狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到S-FRAME-2狀態(tài)，之后跳轉(zhuǎn)依次如圖3所示.主機(jī)調(diào)整同步的目的，只是為保證收到從機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)排列正確且對(duì)齊，并不判斷收到的數(shù)據(jù)本身是否正確.

圖3主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)流程圖

從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)流程圖如圖4所示，其跳轉(zhuǎn)與主機(jī)基本一致，不同之處在于：從機(jī)完成同步之后還需要進(jìn)行精同步微調(diào)，才能達(dá)到時(shí)間偏差在10 ns左右，或者小于10 ns；精同步微調(diào)時(shí)的函數(shù)是將每幀都做出判斷與處理，而粗同步每次會(huì)處理3幀.

圖4 從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)機(jī)流程圖

3 調(diào)試結(jié)果

在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，將FPGA與軟件上板聯(lián)調(diào)，通過(guò)串口或網(wǎng)口用PUTTY終端連接軟件訪問(wèn)，登錄進(jìn)板卡，然后運(yùn)行日志打印軟件，將存好的日志信息打印出來(lái)，通過(guò)打印信息來(lái)確認(rèn)粗、精同步是否成功.圖5為主節(jié)點(diǎn)同步后數(shù)據(jù)打印情況，圖6為從節(jié)點(diǎn)同步后數(shù)據(jù)打印情況，精度均達(dá)到10 ns內(nèi)同步要求.接著從系統(tǒng)引出導(dǎo)線連接至示波器，此處導(dǎo)線引出的脈沖信號(hào)是秒幀頭脈沖信號(hào)，主節(jié)點(diǎn)引出的脈沖信號(hào)基本固定不變.

圖5主節(jié)點(diǎn)同步后的輸出數(shù)據(jù)

圖6從節(jié)點(diǎn)同步后的輸出數(shù)據(jù)

圖7為主從節(jié)點(diǎn)同步后秒幀頭最遠(yuǎn)的差距，如圖7所示，其值為4.400 ns.圖8為主從節(jié)點(diǎn)同步后微調(diào)時(shí)從節(jié)點(diǎn)秒幀頭抖動(dòng)范圍，從節(jié)點(diǎn)脈沖信號(hào)在主節(jié)點(diǎn)脈沖信號(hào)旁，偏差很小，如圖8所示，從節(jié)點(diǎn)脈沖信號(hào)抖動(dòng)范圍小于10 ns.

圖7主從節(jié)點(diǎn)同步后秒幀頭最遠(yuǎn)的差距

圖8主從節(jié)點(diǎn)同步后微調(diào)時(shí)從節(jié)點(diǎn)秒幀頭抖動(dòng)范圍

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究基于微波的站間雙向時(shí)間頻率同步方法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距無(wú)線時(shí)間同步系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，由軟件控制FPGA捕獲跟蹤，由FPGA將得到的數(shù)據(jù)上報(bào)，由軟件進(jìn)行收集、組幀與處理，然后對(duì)兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)差(雙向路徑延時(shí)、鏈路延時(shí)與AD9361延時(shí)等)進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)間頻率同步，且同步精度可達(dá)±10 ns.此遠(yuǎn)距無(wú)線時(shí)間同步系統(tǒng)輸出的定時(shí)同步脈沖可供其他需要精確時(shí)鐘同步的無(wú)線通信設(shè)備使用，在實(shí)際項(xiàng)目和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中具有一定的參考和實(shí)用價(jià)值.