摘要：在金融領(lǐng)域，特別是證券高頻交易方面，“時(shí)間”是個(gè)非常敏感的詞;證券交易需要第一時(shí)間準(zhǔn)確地將訂單送出去，而且在整個(gè)交易環(huán)節(jié)中訂單的“穿越時(shí)間”要盡量小。文章主要闡述了如何用基于FPGA的授時(shí)與守時(shí)技術(shù)來精準(zhǔn)測(cè)試訂單的“穿越時(shí)間”，并搭建相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該方案具有測(cè)試精度高、部署方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，非常適合金融領(lǐng)域中多套系統(tǒng)異地部署場(chǎng)景下的時(shí)延測(cè)量。

關(guān)鍵詞：FPGA;原子鐘;GPS;時(shí)間同步;時(shí)延測(cè)量

中圖法分類號(hào)：F832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on application of FPGA-based timing and punctuality technology in securities trading

GU Huanfeng

（Shengli Anyuan Technology（Hangzhou） Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

Abstract：In the financial field， especially in the high-frequency trading of securities， “time” is a very sensitive word. Securities trading needs to send out the order accurately at the first time，and the “traveling time” of the order in the entire trading link should be as far as possible small. This article mainly expounds how to use the FPGA-based timing and punctuality technology to accurately test the “transit time” of an order， and build a corresponding test system. The test results show that the scheme has the advantages of high test accuracy，convenient deployment， and easy expansion， and is very suitable for delay measurement in the remote deployment scenario of multiple systems in the financial field.

Key words： FPGA，atomic clock，GPS， time synchronization， time delay measurement

1? 引言

如何測(cè)試系統(tǒng)的“穿越時(shí)間”在金融領(lǐng)域一直是個(gè)難度較大的問題。以證券市場(chǎng)來說，在最優(yōu)的環(huán)境下訂單需要穿越下單系統(tǒng)、柜臺(tái)系統(tǒng)、交換機(jī)等，最終到達(dá)交易所的撮合系統(tǒng)。同時(shí)，訂單又是根據(jù)行情產(chǎn)生的，需要經(jīng)過交易所行情系統(tǒng)、交換機(jī)、行情接收服務(wù)器到達(dá)下單系統(tǒng)，以此形成閉環(huán)系統(tǒng)[1 ～2]。實(shí)際上，絕大部分情況下的系統(tǒng)還做不到本地部署，異地網(wǎng)絡(luò)的穿越時(shí)延更是不可估計(jì)。

2? 方法

2.1? 測(cè)試系統(tǒng)框架

測(cè)試系統(tǒng)（圖 1） 以金融證券領(lǐng)域的行情為例。由于地域和機(jī)房位置不同，導(dǎo)致不同的券商收到同一行情的時(shí)間是不一樣的，如何準(zhǔn)確地測(cè)量出哪家券商的行情是最優(yōu)的（最快到達(dá)），對(duì)于高頻交易[3]客戶來說，意味著能最快下訂單，從而更大概率在目標(biāo)價(jià)成交。

該系統(tǒng)框架中，兩臺(tái)異地設(shè)備—系統(tǒng)1 和系統(tǒng)2 分別部署在兩家券商（圖2），通過光纖分光器接入行情線路中，并且在通過分光器“監(jiān)聽”到的行情中打上高精度的時(shí)間戳。理論上，兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間戳都是絕對(duì)時(shí)間[4]。因此，直接對(duì)比同一行情的時(shí)間就可以明確兩家券商中哪家的行情更優(yōu)。絕對(duì)時(shí)間的獲取需要通過 GPS（或者北斗系統(tǒng)）來實(shí)時(shí)同步。事實(shí)上，大部分券商的系統(tǒng)都托管在證券交易的機(jī)房中，實(shí)際環(huán)境無法做到與 GPS 實(shí)時(shí)同步。如何在 GPS 信號(hào)丟失的情況下保證時(shí)間精度則是本文研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

系統(tǒng)1 接 GPS 天線，確保一直處于絕對(duì)時(shí)間授時(shí)環(huán)境下;系統(tǒng)2 在 GPS 信號(hào)校正2 個(gè)小時(shí)后收回天線，確保設(shè)備處于沒有 GPS 信號(hào)環(huán)境下，從而測(cè)試設(shè)備在沒有 GPS 信號(hào)下獲取的絕對(duì)時(shí)間精度滿足要求。為方便測(cè)試，簡化測(cè)試系統(tǒng)，即同一個(gè)模擬行情通過分光器一分為二后直接接兩臺(tái)設(shè)備，保證進(jìn)入兩臺(tái)設(shè)備的行情數(shù)據(jù)是同源且同時(shí)刻進(jìn)入。

為確保系統(tǒng)2 在沒有 GPS 信號(hào)下獲取的絕對(duì)時(shí)間精度滿足要求，需要在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)授時(shí)與守時(shí)兩套系統(tǒng)。

2.2? 授時(shí)系統(tǒng)

異地時(shí)間同步需要采用同一時(shí)間作為基準(zhǔn)時(shí)間?？紤]到部署和后期擴(kuò)展，該同一時(shí)間采用絕對(duì)時(shí)間具有較大優(yōu)勢(shì)。因此，我們采用 GPS 來獲取絕對(duì)時(shí)間。 GPS 授時(shí)精度可以達(dá)到<30ns。

GPS（ Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)共有 24顆衛(wèi)星運(yùn)行在6 個(gè)地心軌道平面內(nèi)。GSP 時(shí)鐘是通過接受 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號(hào)以及通過計(jì)算得出 GPS 時(shí)間的接收裝置。為獲得準(zhǔn)確的 GPS 時(shí)間，GPS 時(shí)鐘必須先接收到至少4 顆 GPS 衛(wèi)星的信號(hào)，以計(jì)算出自己所在三維位置。在獲取位置后，GPS 時(shí)鐘也需要至少1 顆 GPS 衛(wèi)星來保證時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。

GPS 授時(shí)設(shè)備絕對(duì)時(shí)間通過 RS232串口輸出，時(shí)間格式為 NMEA 協(xié)議，圖3 為 NMEA 協(xié)議的具體格式。圖3 中，時(shí)間解析出來就是2002年 3月 22日 14點(diǎn) 16分 44秒 0毫秒。由此可見，GPS 授時(shí)系統(tǒng)直接輸出的絕對(duì)時(shí)間只精確到毫秒。要獲得納秒級(jí)的精度，我們需要用到1PPS 輸出信號(hào)。1PPS 輸出格式時(shí)間信號(hào)每秒輸出一個(gè)脈沖，脈沖不含具體時(shí)間信息，其輸出精度可達(dá)<30ns。

2.3? 守時(shí)系統(tǒng)

前文提到，GPS 時(shí)間的獲取需要至少一顆 GPS 衛(wèi)星來保證時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。為解決在無法接收 GPS 衛(wèi)星的券商委托機(jī)房里保證時(shí)鐘的精度的問題，在系統(tǒng)中加入芯片級(jí)原子鐘 （ Chip?Scale? Atomic? Clock ， CSAC）。CSAC 是一種計(jì)時(shí)裝置，精度可以達(dá)到每2000萬年才誤差1 秒。最初，其是由物理學(xué)家創(chuàng)造出來用于探索宇宙本質(zhì)的，目前已經(jīng)用于 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)上。本質(zhì)上，CSAC 是一種銣原子鐘，通過 GPS 輸出的 1PPS 信號(hào)鎖定后可以輸出與 GPS 的1PPS 同步的1PPS 輸出信號(hào)，鎖定后的精度可達(dá)15ns 。而且，一旦鎖定后，在 GPS 信號(hào)丟失的情況下，不會(huì)失鎖。在沒有 GPS 信號(hào)的情況下，鎖定后的原子鐘能很好地完成 s 級(jí)的系統(tǒng)守時(shí)。

FPGA（Field-Programmable Gate Array ，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）在本系統(tǒng)中作為主要處理芯片，分光器發(fā)出的光信號(hào)通過內(nèi)部 MAC IP 實(shí)現(xiàn)行情數(shù)據(jù)幀的接收，并且打上時(shí)間戳。在250MHZ 的主頻下，兩臺(tái)不同設(shè)備的 MAC 處理時(shí)延精度可達(dá)4ns ，誤差控制在±8ns 。FPGA 時(shí)鐘模塊的時(shí)鐘源采用頻率偏差為5PPM 以內(nèi)的高精度溫控時(shí)鐘，保證 us 級(jí)甚至 ns 級(jí)的系統(tǒng)守時(shí)。

在本系統(tǒng)中，CSAC 與 FPGA 板級(jí)溫控晶振組成守時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘源。

3? 系統(tǒng)的搭建

系統(tǒng)授時(shí)通過外接 GPS 實(shí)現(xiàn)（也可使用北斗系統(tǒng)），秒級(jí)精度的絕對(duì)時(shí)間通過 RS232 串口輸出 NMEA 協(xié)議到 FPGA 內(nèi)部時(shí)間模塊。FPGA 提取 NMEA 協(xié)議中的絕對(duì)時(shí)間來更新和同步系統(tǒng)時(shí)間。

系統(tǒng) s 級(jí)授時(shí)通過原子鐘來實(shí)現(xiàn)，GPS 輸出的高精度1PPS 信號(hào)輸出到原子鐘，該1PPS 信號(hào)對(duì)原子鐘輸出的1PPS 信號(hào)進(jìn)行同步校正。需要1 小時(shí)以上的時(shí)間進(jìn)行校正，之后原子鐘的輸出基本穩(wěn)定在 GPS 的頻率上。

CSAC 原子鐘輸出穩(wěn)定的1PPS 信號(hào)給 FPGA 時(shí)間模塊，F(xiàn)PGA 內(nèi)部時(shí)間模塊接受來自原子鐘的1PPS 信號(hào)作為更新 s 級(jí)精度時(shí)間的觸發(fā)源。同時(shí)，F(xiàn)PGA 內(nèi)部用高精度溫控時(shí)鐘實(shí)現(xiàn) ns 級(jí)精度的授時(shí)時(shí)間。

4? 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，兩臺(tái)異地設(shè)備的時(shí)間同步精度基本可保持在100～ 500ns ，且成周期性分布。72小時(shí)內(nèi)，偶爾有幾個(gè)時(shí)刻的精度躥升至800～ 1000ns。

GPS 授時(shí)和 CSAC 守時(shí)基本滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

顧煥峰 （1981— ），碩士，中級(jí)工程師，研究方向：金融科技。