基于FPGA的雙向同步技術(shù)及守時(shí)方法

倪 磊，黃 镠，顧 蘇，陳文攀

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)艦載作戰(zhàn)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性能大大增強(qiáng)和遠(yuǎn)程制導(dǎo)武器的廣泛應(yīng)用，雷達(dá)傳感器作為戰(zhàn)場(chǎng)的千里眼迫切要求其能夠及早發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)?，F(xiàn)有武器裝備受到單平臺(tái)雷達(dá)傳感器的類型、精度及其視距的限制，很難滿足對(duì)抗現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器的需要。采用艦-岸、艦-艦雙/多基地的多平臺(tái)聯(lián)合作戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)海上編隊(duì)多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)，將整個(gè)作戰(zhàn)兵力組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，共享作戰(zhàn)資源和情報(bào)資源，形成統(tǒng)一集成的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，確保戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的必然趨勢(shì)。而如何確保編隊(duì)中各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)中就顯得尤為重要。

現(xiàn)有的技術(shù)往往是基于衛(wèi)星共視方法進(jìn)行授時(shí)與同步。這樣對(duì)于衛(wèi)星設(shè)備的依賴性很大，實(shí)際作戰(zhàn)時(shí)就顯得很不可靠。文獻(xiàn)[1]中提出了無(wú)線RTT時(shí)鐘同步的相關(guān)算法。該算法往往需要占用較多的時(shí)隙資源來(lái)進(jìn)行對(duì)時(shí)而導(dǎo)致通信效率降低。同時(shí)，編隊(duì)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的晶振不可避免地存在一定的頻差，這將導(dǎo)致一定的同步誤差。這個(gè)誤差跟實(shí)際的頻差以及對(duì)時(shí)的周期有關(guān)，存在一定的局限性。本文在此基礎(chǔ)上提出守時(shí)的方法，使得能夠在較少的通信時(shí)隙資源占用的情況下獲得更高的時(shí)間同步精度。

1 雙向同步技術(shù)

時(shí)間雙向比對(duì)系統(tǒng)[2]主要由1個(gè)中心站和1個(gè)外站組成，兩邊各自產(chǎn)生本地的時(shí)間基準(zhǔn)，然后外站依靠時(shí)間同步技術(shù)保持與中心站點(diǎn)的高精度時(shí)間同步關(guān)系。雙向同步技術(shù)主要就是通過(guò)微波通信鏈路交換時(shí)間同步信號(hào)，然后通過(guò)必要的運(yùn)算得到兩邊時(shí)間差的過(guò)程。[3]

具體原理如圖1所示。圖中，節(jié)點(diǎn)A為需要對(duì)時(shí)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)B為參考節(jié)點(diǎn)。首先由節(jié)點(diǎn)A發(fā)起對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)，然后在t1時(shí)將對(duì)時(shí)包發(fā)出，然后轉(zhuǎn)為接收模式，節(jié)點(diǎn)B默認(rèn)接收，在t2時(shí)收到A發(fā)出的對(duì)時(shí)包，然后在t3時(shí)發(fā)出，發(fā)出的包內(nèi)打入t2、t3兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)A在t4時(shí)收到B發(fā)出的反饋包，此時(shí)節(jié)點(diǎn)A就可以獲取到t1、t2、t3及t4這4個(gè)時(shí)間點(diǎn)。[4]

圖1 雙向時(shí)間同步原理圖

假設(shè)A到B傳輸?shù)臅r(shí)延為Δ，A與B的時(shí)間偏差為ε，則有

t2-t1=Δ+ε

t4-t3=Δ-ε

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化可以得到

這樣，只需通過(guò)ε調(diào)整A本地的時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)A與B的時(shí)間同步。如果是理想情況下，對(duì)完一次時(shí)之后再重復(fù)上述過(guò)程，得到的時(shí)間偏差應(yīng)該為0。但是，實(shí)際測(cè)試會(huì)發(fā)現(xiàn)還有一定的時(shí)間偏差。這個(gè)偏差就是由兩邊的時(shí)鐘的頻偏引起的，同時(shí)還與選取的對(duì)時(shí)周期有關(guān)。如果僅通過(guò)這種方式對(duì)時(shí)，則需要進(jìn)行頻繁的對(duì)時(shí)操作才能保證相應(yīng)的時(shí)間同步精度，就會(huì)占用較多的時(shí)隙資源，而且一旦停止對(duì)時(shí)時(shí)間精度會(huì)很快惡化。

2 守時(shí)方法

針對(duì)上面提到的問(wèn)題，本文在雙向時(shí)間同步技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了守時(shí)方法。利用這種方法，不僅對(duì)兩邊的時(shí)間進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，還對(duì)兩邊的時(shí)鐘偏差進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。一旦兩邊的時(shí)差、鐘差都消除之后，就可以保持長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)間同步。具體的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 添加了守時(shí)方法的流程圖

首先，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)起對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)，記下發(fā)包時(shí)刻t1。節(jié)點(diǎn)B收到對(duì)時(shí)申請(qǐng)包后，記下收包時(shí)刻t2，然后做出回復(fù)，記下回復(fù)時(shí)刻t3。同時(shí)，將t2、t3填入回復(fù)包給節(jié)點(diǎn)A。節(jié)點(diǎn)A在t4時(shí)刻收到回復(fù)包后利用t1、t2、t3及t4算出兩邊的時(shí)差，然后利用時(shí)差調(diào)整本地時(shí)間，即完成第一次時(shí)間同步，即上述的雙向時(shí)間同步的過(guò)程。然后，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)周期T后，節(jié)點(diǎn)A再次發(fā)起對(duì)時(shí)業(yè)務(wù)。按照上述流程進(jìn)行包交換后，得到這次的時(shí)差ε1。這時(shí)，除了進(jìn)行雙向時(shí)間同步的操作外還需要進(jìn)行守時(shí)操作，即利用ε1與T的比值來(lái)調(diào)整本地時(shí)鐘的控制字M，用到的具體公式如下：

通過(guò)控制字M的調(diào)整，就可以完成節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B的時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)。最理想的效果就是A與B的時(shí)鐘完全對(duì)準(zhǔn)，但實(shí)際由于對(duì)時(shí)周期T的選取以及有效位數(shù)的限制，并不能達(dá)到理想的效果。所以，進(jìn)行完一次這樣操作后，隔一段時(shí)間后還需要再次進(jìn)行上述操作，不過(guò)這個(gè)時(shí)間間隔比只采取傳統(tǒng)的雙向?qū)r(shí)技術(shù)的系統(tǒng)要長(zhǎng)得多。這樣的話，對(duì)時(shí)操作所占用的時(shí)隙資源會(huì)減少很多，這對(duì)于作戰(zhàn)任務(wù)的編排大有裨益。

3 測(cè)試結(jié)果分析

按照上述流程進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)后，搭建如下測(cè)試平臺(tái)，如圖3所示。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別由PowerPC板、FPGA板以及射頻前端組成，另外采用第3方測(cè)試平臺(tái)與之配合，觀測(cè)實(shí)際兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步情況。

圖3 測(cè)試平臺(tái)搭建

測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，1格表示1 s；縱坐標(biāo)為兩個(gè)平臺(tái)的時(shí)間差值，1格表示12.5 ns，這里選取對(duì)時(shí)周期T為1 s?？梢钥闯?，完成一次雙向時(shí)間同步與守時(shí)操作之后，兩邊時(shí)間偏差隨著時(shí)間成線性變化。當(dāng)時(shí)差超過(guò)一定值前，再進(jìn)行一次雙向時(shí)間同步與守時(shí)，由可以將時(shí)差基本調(diào)整為0，完成一次之后時(shí)間偏差會(huì)隨著時(shí)間再逐步變大。實(shí)際的實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 單次雙向時(shí)間同步與守時(shí)的結(jié)果

實(shí)際對(duì)于對(duì)時(shí)間隔的選取主要取決于對(duì)時(shí)周期T的選取。由于篇幅所限，這里將測(cè)試的結(jié)果匯總?cè)绫?所示。這里選取完成一次雙向時(shí)間同步與對(duì)時(shí)之后450 s時(shí)為參考?？梢园l(fā)現(xiàn)，時(shí)間周期T選取的越大，對(duì)于控制字M調(diào)整得越精確，最后的時(shí)間精度保持得時(shí)間越長(zhǎng)。

表1 測(cè)試結(jié)果匯總

如果將精度要求設(shè)置為1 μs、時(shí)間周期T為5 s時(shí)，在經(jīng)過(guò)450 s再進(jìn)行一次雙向時(shí)間同步與對(duì)時(shí)操作就可以滿足精度要求。但是，對(duì)于100 ms而言，同樣的精度要求就需要在9 s后進(jìn)行一次雙向時(shí)間同步與對(duì)時(shí)才能滿足精度要求。選取合適的對(duì)時(shí)周期T可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)間同步，減少時(shí)隙資源占用，具有很好的實(shí)踐價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在雙向時(shí)間校時(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了守時(shí)的方法。這樣可以有效地減少時(shí)隙資源占用，并通過(guò)實(shí)際實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了可行性，對(duì)于相似的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。