一种TTE网络时钟校准方法及系统与流程

一种tte网络时钟校准方法及系统
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，涉及tte网络，具体涉及一种tte网络时钟校准方法及系统。


背景技术：

2.对于控制系统，传输延迟会导致控制延迟，控制延迟相当于相位滞后，可能会恶化系统性能。在确定性控制系统中，为保证控制的及时有效性，解决延迟的不确定问题，必须采用确定性控制网络确保消息传输时间确定，已经成为安全关键系统的重要问题。时间触发网络tte所采用的sae as6802同步协议就是建立确定延迟环境下的网络时间同步机制，在标准以太网基础上建立确定性控制延迟，保证控制指令能够在指定的时间到达，保证控制的及时有效。
3.新一代的航电系统采用tte协议作为控制系统的网络通信协议。该网络建立在以太网的基础之上，在以太网的物理层(phy)与数据链路层(data link)之间加入时间同步机制，使该网络在端到端数据传输过程中有确定的通信延迟。
4.高精度易实现且容错特性的sae as6802是tte指定的时钟同步协议，该协议通过时钟的相位同步实现集群的全局时钟同步，主要适用于节点数目较小的时钟内同步应用场合。分布式测试系统中各个测试设备(节点)由相互独立的时钟驱动，构成时钟的晶体振荡器无法达到一致，从而导致各节点之间存在时钟偏差，节点间需要通过同步算法使其时钟统一。
5.晶体振荡器是时钟最重要的组成部分，晶体振荡器的质量将影响时钟读数的精度与稳定度。在分布式测试系统组建中，选用高精度、高稳定度的晶体振荡器将减小主从时钟之间的时钟偏差与时钟漂移，提高分布式测试系统的时钟同步精度。然而，晶体振荡器实现高的稳定度是十分困难的，实现低于1ppm及以下的温漂指标成本将变得十分昂贵。晶体振荡器的稳定度等级从一般晶体振荡器、温度补偿型晶体振荡器、恒温晶体振荡器、铷原子振荡器逐步提高。为了满足高精度要求，晶体振荡器的温漂和时漂必须越小越好，但成本也会越高。所以分布式测试系统组建时需要在设计成本与稳定度之间作折衷处理。
6.如图1所示，通常时钟同步方法包含频率同步和相位同步。频率同步就是将tte网络当中的每个节点的时钟快慢统一起来，而相位同步就是将网络中各个节点的时间直接统一起来。采用as6802相位同步方法，结合频率同步和相位同步的优点，可以在一定程度上提高时钟同步的精度。
7.为了提高时钟同步的精度，采用增加频率同步模块是非常必要的。在as6802中提到的是相位同步，虽然可以达到比较令人满意的同步结果，但是当运用到对同步精度要求极高的航电网络中就需要缩小整合周期时间间隔，在每个整合周期开始执行as6802同步机制，相当于提高了同步pcf帧的发送频率，这样一来势必会大量增加网络当中pcf帧的数量，从而降低整个航电网络带宽的有效性能。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供了一种tte网络时钟校准方法及系统，解决现有技术中时钟校准精度有待进一步提升的技术问题。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
10.一种tte网络时钟校准方法，该方法包括以下步骤：
11.第一步，同步字检测模块收到全局同步pcf消息帧，检测输出同步标志脉冲信号；
12.第二步，相位同步检测模块收到同步标志脉冲信号和本地时钟信号，做相位偏差计算后得到相位检测后输出的相位偏差结果；
13.第三步，粗同步延迟调制模块根据相位偏差结果调整本地时钟信号，得到延迟链对本地时钟进行延迟处理后的粗同步时钟；
14.第四步，lms自适应滤波器训练模块根据相位偏差结果实行滤波器训练，经过lms自适应滤波器训练后得到的滤波器参数值，通过将多次测量通过滤波进行叠加并求解，对所得参数参考粗同步时钟进行积分，得到最终的校准值；采用参数积分方法，获得较为准确的滤波器系数；
15.第五步，将滤波器系数存放进系数存储模块中；
16.第六步，漂移补偿模型模块在应用时根据相位偏差结果，取出滤波器系数，根据模型匹配计算处理获得时钟补偿修正系数；
17.第七步，细同步延迟处理模块，根据时钟补偿修正系数对粗同步时钟进行延迟调整，实现延迟链对时钟延迟调整细同步，得到本地修正时钟。
18.具体的，所述的本地修正时钟为可供as6802协议中各个模块在本地修正点使用的修正后时钟。
19.本发明还保护一种tte网络时钟校准系统，该系统包括粗同步子系统和细同步子系统；所述的粗同步子系统包括同步字检测模块、相位同步检测模块和粗同步延迟调制模块；所述的细同步子系统包括lms自适应滤波器训练模块、系数存储模块、漂移补偿模型模块和细同步延迟处理模块；
20.所述的同步字检测模块，用于收到全局同步pcf消息帧，检测输出同步标志脉冲信号；
21.所述的相位同步检测模块，用于收到同步标志脉冲信号和本地时钟信号，做相位偏差计算后得到相位检测后输出的相位偏差结果；
22.所述的粗同步延迟调制模块，用于根据相位偏差结果调整本地时钟信号，得到延迟链对本地时钟进行延迟处理后的粗同步时钟；
23.所述的lms自适应滤波器训练模块，用于根据相位偏差结果实行滤波器训练，经过lms自适应滤波器训练后得到的滤波器参数值，通过将多次测量通过滤波进行叠加并求解，对所得参数参考粗同步时钟进行积分，得到最终的校准值；采用参数积分方法，获得较为准确的滤波器系数；
24.所述的系数存储模块，用于滤波器系数的存放；
25.所述的漂移补偿模型模块，用于根据相位偏差结果，取出滤波器系数，根据模型匹配计算处理获得时钟补偿修正系数；
26.所述的细同步延迟处理模块，用于根据时钟补偿修正系数对粗同步时钟进行延迟
调整，实现延迟链对时钟延迟调整细同步，得到本地修正时钟。
27.具体的，所述的本地修正时钟为可供as6802协议中各个模块在本地修正点使用的修正后时钟。
28.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
29.(ⅰ)传统的驯服晶振系统采用模拟或半数字体制，其存在成本高、受环境因素影响大、调试困难和建立模型不易等缺点。本发明根据驯服晶振技术的时间频率基本原理，针对传统驯服晶振技术的缺点，设计了一种基于时钟模型构建技术的全数字驯服晶振系统，该系统可以提高时差测量精度，利用先进晶振噪声模型，便于分析与调试，跟踪能力和保持能力均优于传统方法。
30.(ⅱ)本发明的方法为全数字校准补偿方案，可以在fpga或tte芯片内部实现。本发明的方法通过高精度测量和模型估计，有效降低tte网络时钟同步过程中对各个终端晶振因为温度漂移、抖动的对系统同步误差影响。
31.(ⅲ)本发明的方法能够降低人为配置链路参数，所引起的时钟补偿抖动误差。
32.(ⅳ)本发明的方法在传统时间频率理论和可驯服晶振理论基础上，提出一种全数字可驯服时钟抖动的方法，该方法可以提高分布式同步系统同步时差精度，具备先进的实时跟踪调整能力，同步误差优于传统方法。
33.(
ⅴ
)本发明的方法在tte网络同步过程中不增加额外数据帧，所有同步节点对外仍然严格执行as6802标准程序，不增加用于提高校准精度的业务帧。
34.(ⅵ)本发明的方法中，cm晶振建议推荐使用高精度时钟晶振，有助于提高系统同步稳定性。
35.(ⅶ)本发明的方法同样适用于10g速率下的tte网络，低抖动的同步，更加节省网络带宽。
36.(
ⅷ
)本发明的方法中，tte的as6802同步是目前应用较为广泛的容错时间同步机制。对照本文提出的模型，该机制有两个特点。
37.(
ⅸ
)本发明的方法采用部分高质量晶振(sm节点)与其他低质量晶振(cm和sc节点)相结合的同步方式，通过算法设计，在保证同步精度的同时降低成本。
38.(
ⅹ
)本发明的方法采用相位调整与频率调整相结合的方式，获取较高的同步精度。
附图说明
39.图1为tte时间同步框架。
40.图2为as6802同步过程示意图。
41.图3为从时钟同步修正过程。
42.图4为时本发明的钟校准方法框图。
43.图5为tte周期同步过程时钟偏斜示意图。
44.以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
45.需要说明的是，本发明中的所有设备和芯片，在没有特殊说明的情况下，均采用本
领域已知的设备和芯片。
46.需要说明的是，本发明中：
47.tte，即time-triggered ethernet，指的是时间触发以太网。
48.es，即end systems，指的是终端系统。
49.pcf，即protocol control frame，指的是协议控制帧。
50.fpga，即field-programmable gate array，指的是现场可编程门阵列。
51.sm，即synchronization master，指的是同步主机。
52.cm，即compression master，指的是压缩主机。
53.lms，即least mean square，指的是最小均方算法。
54.如图2所示，as6802同步机制是无主同步，从多个同步控制器sm先后发起pcf同步，集中控制器cm集中器计算表决出一个相对同步pcf，即多个非同源时钟表决出一个相对统一的时钟信号，再到各个同步节点被新同步pcf统一校准。所以，集中控制器cm表决出的相对全局时钟同步信号存在周期性的漂移抖动。
55.在时钟同步中，主从节点之间采用pcf同步时间消息包的交换获取时钟信息，通过计算可以得出终端节点与主时钟之间的关系，实现对节点时钟模型的修正。然而，时间的测量会受到噪声的影响，同时pcf消息包的传输延时也具有不确定性。
56.建立时钟漂移模型是为了在实现路径延迟修正的基础上，对时钟漂移误差进行估计并修正。
57.设节点i的时钟模型为：τi＝(1 si)
·
t bi；
58.其中：
59.τi为节点i读取的时钟；
60.t为理想时钟；
61.si为节点i的时钟漂移；
62.bi为节点i的相位偏移。
63.由于节点的时钟漂移和相位偏移是无法测出的，故通过构造节点时钟的映射函数建立节点i的虚拟时钟模型：
[0064][0065]
其中：
[0066]
为节点i的逻辑时钟；
[0067]
为节点i的时钟漂移估计；
[0068]
为时钟的偏差估计。
[0069]
分别代表着漂移补偿和偏差补偿。
[0070]
如表1所示，时钟漂移在一定范围内的波动是有界的，一般普通晶振的频率漂移s
max
∈[10，200]ppm。
[0071]
表1常见频率标准的准确度
[0072][0073]
tte时钟校准系统首先考虑到本地晶振具有很高的短期稳定性。而用于网络同步的pcf存在一定的抖动量，沿抖动达到100ns，即短期稳定度比较差，设备配备的本地频率源具有较高的短期稳定度，最高可达10-10
，而其长期稳定度则存在漂移。
[0074]
如果使用漂移率为20ppm的晶振计时，每秒钟与标准时间的最大可能误差可达20us。如果两个晶振分别快20ppm和慢20ppm，那么两个20ppm晶振的1秒计时误差可达40us。
[0075]
可以证明，节点间最大时钟偏差时是漂移率和同步间隔的线性函数。
[0076]
如图3所示，as6802同步算法本身，由于系统内部的时钟的不稳定而产生的瞬态误差会影响时间同步的精准度，因此在同步过程中采用kalman滤波算法对瞬态误差或其他噪声进行滤波。以获得对从时钟高精度的时间估计，减少由于读取从时钟的不确定性及网络抖动对于同步结果的影响。
[0077]
通过as6802集中算法选择出的最优集中pcf帧集中时刻点，与根据离线配置的预接收点(sm_scheduled_pit)的时间差，通过tdc计算该时间差对频率漂移及相位进行估计和补偿，最终完成as6802算法对本地时钟准确修正。
[0078]
根据本发明内容加入时钟频率同步模块之后即使采用精度较差的晶振也会达到理想的同步效果。
[0079]
分布式控制系统中，影响时钟同步精度的因素很多，主要包括对时钟漂移与时钟偏差的估计、各节点时钟的稳定性、以及主从节点之间消息包交换的频率等。
[0080]
由于终端节点之间产生时钟偏差的根源是时钟在短时间或长时间内的参数不一致所致。然后，基于as6802协议的时钟同步算法只考虑了时钟偏差，并没有对时钟模型进行修正，时钟同步过程是一个振荡过程，节点时钟不会收敛于一个主时钟。因此，准确地对时钟参数进行估计，并对时钟模型进行修正，能够有效地提高分布式控制系统中各个节点的时钟同步精度。
[0081]
基于as6802的时钟同步只考虑了时钟的频率偏差的影响，在算法中将时钟的频率漂移视为常数。然而，在实际应用中，由于节点时钟受到温度等外界因素以及晶体振荡器自身老化的影响，时钟的频率偏移不是固定不变的。
[0082]
在基于as6802协议的时钟同步中，时钟偏差和时钟漂移的精确测量是主从时钟同步的重要保证。主从节点时钟将产生不同的时钟漂移。即使在每次时钟同步过程中从节点都对时钟漂移进行校正，但是，由于主从时钟之间存在不稳定时钟漂移，从节点时钟与主节点时钟将会产生新的时钟偏差，因而需要周期性地进行时钟同步。
[0083]
一般降低时钟的不稳定性对网络时钟同步精度的影响的主要实现方法有以下两
种：
[0084]
(1)晶体振荡器的选取。
[0085]
(2)采用数学算法消除干扰。
[0086]
在分布式测试系统时钟同步的研究中，通常需要对时钟进行建模，以参数化的数学模型对时钟进行描述。在同步过程中，不仅可以对从时钟的时钟偏差进行补偿，还可以对从时钟模型进行修正。
[0087]
as6802同步过程实现了相位同步，相位的抖动误差一直从sm传递给cm，再由cm传递给各个sm。其原因是，所有sm同步pcf给到cm并最终选优得到，唯一结果，唯一sm节点当前误差调整cm，并以以此为基准同步其他sm节点。相位处理过程中所有被同步sm的时间相位都以当前基准sm为前提，并叠加了cm的时钟漂移抖动误差(可忽略)，所以每个同步周期都会有一个sm作为主同步参考，其他sm相位上向它看齐。
[0088]
也因此cm的相位参考也随着基准sm的变化而变化。在as6802同步系统中，没有唯一固定频率，都在根据自身的情况执行时钟相位约束规则。
[0089]
考虑时变的频率漂移，本发明提出了采用基于时钟模型构建技术的全数字驯服晶振系统的时钟同步校准算法，该算法以as6802同步消息包中的时间戳来获取观测值，通过卡尔曼滤波器算法对主从时钟之间的时钟相位偏差、频率偏差、以及时钟漂移变化率进行估计，使用估计值对从时钟进行补偿与修正。该算法能够消除从时钟的不稳定性对时钟同步的影响。
[0090]
常见滤波算法kalman，虽然kalman预测模型的预估准确度较高，但是在实际工程应用中，这种方法还是存在弊端，它需要系统无间歇地对同步时钟晶振的工作性能参数进行监测，实时递推出下一时刻的预测数据，对数据处理系统的要求较高。为简化系统流程，提出了新型的数据预测模型建立方法，使预测模型在拥有前n次训练数据的前提下，一次性估计出后面时间段时钟的频率漂移情况。
[0091]
众所周知，石英晶体频率标准由于受晶体老化等因素的影响，其输出频率有较大的老化率，并且其重现性也较差。
[0092]
收到的pcf同步帧存在一定的抖动量，使得内部补偿抖动达到100ns，短期稳定度比较差，设备配备的本地频率源具有较高的短期稳定度，可达10-10
，而其长期稳定度则存在漂移。
[0093]
时钟同步过程中的无规则抖动与晃动，导致端系统时钟补偿值不稳定。去除抖动与晃动之后所保留下的稳定的运动量称为主运动量。全局运动量是主运动量和噪声的合成量，所以主运动量的估计过程就是从全局运动量中去除噪声的过程。由相邻帧运动量累加得到每帧相对于参考帧的全局运动量，本发明首先对全局运动量进行相位同步去除高频噪声，然后对相位同步后的结果进行曲线拟合去除低频噪声，最后得到的曲线就是稳定的主运动曲线，以全局运动量与主运动量的差值作为补偿量对帧序列进行动态补偿。
[0094]
在时钟同步中，主从节点之间采用pcf同步时间消息包的交换实现对时钟偏差的测量，然而任何测量都会受到测量噪声的影响。受到时钟漂移影响，进行估计和对偏差进行修正，通过时间测量噪声，提高时钟模型参数的估计，以估计模型参数对时钟模型进行修正，提高节点之间的时钟同步性。
[0095]
如图4所示，tte网络中的任意同步节点在根据接收到的pcf同步消息帧，对本地时
钟进行同步时，需要进行同步字检测，相位同步状态检测，对相位误差使用延迟链进行粗同步调整。
[0096]
在未知的时钟漂移模型系统中，要先通过lms自适应滤波器对系统中存在的时钟漂移误差进行模型训练，获得时钟漂移模型的特征参数系数。
[0097]
在训练完成后的时钟校准电路中，经过相位粗同步后的时钟，直接通过时钟漂移补偿模型进行补偿，最终完成时钟的细同步。具体补偿时刻为6802标准规定的时钟修正点进行，完成对as6802所描述的时钟精细化补偿修正。
[0098]
lms最小均方算法可作为自适应滤波器技术产生模型参数。
[0099]
本发明从一种通过累积从系统的输出状态提取时钟漂移特征响应系数，来计算系统的时钟漂移的补偿系数的系统和方法。特别是对时钟晶振不稳定，分布式节点的同步时钟管理模型，是研究容错时钟同步的基础。
[0100]
本发明介绍了分布式节点的同步时钟管理模型，晶振参数定义，并在此基础上给出了时钟同步中的频率校正和相位校正概念，为容错时钟同步的进一步分析讨论奠定基础。本发明的方法作为分布式时间同步校准方法，利用较低质量的晶振实现一个高可靠，具有长期稳定性和高精准度的全局时基。
[0101]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0102]
实施例1：
[0103]
本实施例给出一种tte网络时钟校准方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：
[0104]
第一步，同步字检测模块收到全局同步pcf消息帧
②
，检测输出同步标志脉冲信号
③
。
[0105]
第二步，相位同步检测模块收到同步标志脉冲信号
③
和本地时钟信号
①
，做相位偏差计算后得到相位检测后输出的相位偏差结果
④
。
[0106]
第三步，粗同步延迟调制模块根据相位偏差结果
④
调整本地时钟信号
①
，得到延迟链对本地时钟进行延迟处理后的粗同步时钟
⑤
。
[0107]
第四步，lms自适应滤波器训练模块根据相位偏差结果
④
实行滤波器训练，经过lms自适应滤波器训练后得到的滤波器参数值，通过将多次测量通过滤波进行叠加并求解，对所得参数参考粗同步时钟
⑤
进行积分，得到最终的校准值。采用参数积分方法，获得较为准确的滤波器系数
⑥
。
[0108]
第五步，将滤波器系数
⑥
存放进系数存储模块中。
[0109]
第六步，漂移补偿模型模块在应用时根据相位偏差结果
④
，取出滤波器系数
⑦
，根据模型匹配计算处理获得时钟补偿修正系数
⑧
。
[0110]
第七步，细同步延迟处理模块，根据时钟补偿修正系数
⑧
对粗同步时钟
⑤
进行延迟调整，实现延迟链对时钟延迟调整细同步，得到本地修正时钟
⑨
。
[0111]
所述的本地修正时钟为可供as6802协议中各个模块在本地修正点使用的修正后时钟。
[0112]
实施例2：
[0113]
本实施例给出一种tte网络时钟校准系统，如图4所示，该该系统包括粗同步子系统和细同步子系统；所述的粗同步子系统包括同步字检测模块、相位同步检测模块和粗同
步延迟调制模块；所述的细同步子系统包括lms自适应滤波器训练模块、系数存储模块、漂移补偿模型模块和细同步延迟处理模块。
[0114]
所述的同步字检测模块，用于收到全局同步pcf消息帧
②
，检测输出同步标志脉冲信号
③
。
[0115]
所述的相位同步检测模块，用于收到同步标志脉冲信号
③
和本地时钟信号
①
，做相位偏差计算后得到相位检测后输出的相位偏差结果
④
。
[0116]
所述的粗同步延迟调制模块，用于根据相位偏差结果
④
调整本地时钟信号
①
，得到延迟链对本地时钟进行延迟处理后的粗同步时钟
⑤
。
[0117]
所述的lms自适应滤波器训练模块，用于根据相位偏差结果
④
实行滤波器训练，经过lms自适应滤波器训练后得到的滤波器参数值，通过将多次测量通过滤波进行叠加并求解，对所得参数参考粗同步时钟
⑤
进行积分，得到最终的校准值。采用参数积分方法，获得较为准确的滤波器系数
⑥
。
[0118]
所述的系数存储模块，用于滤波器系数
⑥
的存放。
[0119]
所述的漂移补偿模型模块，用于根据相位偏差结果
④
，取出滤波器系数
⑦
，根据模型匹配计算处理获得时钟补偿修正系数
⑧
。
[0120]
所述的细同步延迟处理模块，用于根据时钟补偿修正系数
⑧
对粗同步时钟
⑤
进行延迟调整，实现延迟链对时钟延迟调整细同步，得到本地修正时钟
⑨
。
[0121]
所述的本地修正时钟为可供as6802协议中各个模块在本地修正点使用的修正后时钟。
[0122]
需要进一步说明的是，根据as6802时钟同步协议，各个网络节点的同步控制器向集中控制器按照各自的时钟和周期发送pcf帧，集中控制器收到后，根据as6802集中算法计算和表决出最佳时钟同步，在cm修正时刻点更新完本地时钟后，并在cm固定的派遣时刻发回给各个网络节点，各个网络节点的同步控制器收到该消息后根据计算方法，在as6802规定的sm修正时刻点修正本地时钟。as6802协议相关过程不做赘述。
[0123]
其广播形式发出的同步消息符合时钟主从同步的特征，其cm派遣时刻和sm修正时刻点都是as6802规定的固定时刻点。因此在线缆长度固定的条件下，网络的同步抖动，只和晶振的漂移有关。
[0124]
理想条件下，本地时钟在周期同步具有线性漂移的特征，tte网络的时钟同步过程是周期性的，每个周期进行同步后，时钟偏移控制在系统的容错范围内。
[0125]
在实际过程中，如图5所示，晶振的型号规格及所处温度环境等因素，会导致同一tte网络下的晶振温度漂移不尽相同，甚至差别很大，在筛选和依靠as6802同步协议仍然无法有效降低抖动误差的情况下，需要通过进一步的手段构建模型对误差进行估计和补偿。
[0126]
一个完整的可驯服晶振系统至少要有两个频率标准，一个作为参考频率，另一个作为被校频率标准，其中作为外部参考的频率标准经过分频与本地振荡器经过分频测得时差信号，主控通过对时差信号建模和参数估计得到相位和频率的预测值，然后反馈给本地振荡器，得到校准的目的。
[0127]
在本发明的tte时钟校准系统中，外部输入同步信号以as6802标准pcf同步消息包中的时间戳为观测值，对时钟偏差、频率偏差、以及晶振频率变化率同时进行估计，以估计值对时钟进行补偿，同时修正时钟模型，从而提高sm/cm节点之间的时钟同步精度。
[0128]
相位同步检测模块：对从接收到as6802算法同步消息包中的时间戳来获取观测值开始测量出与本地时钟的时钟相位偏差。根据当前时钟相位偏差对相位调整参数进行估计和数据处理。
[0129]
频率细同步模块以估计值对时钟进行补偿，同时修正时钟模型，从而提高sm/cm节点之间的时钟同步精度。其中最重要的部分就是滤波处理，本系统采用自适应滤波方法训练获得时钟漂移模型参数。
[0130]
漂移补偿模块的输出偏差值，对从晶振过来的时钟信号进行相位和频率的细同步调整。并将更新后的本地时钟提供给相位/频率测量模块作为下一次测量用的本地时钟参考。