“A man with a watch knows what time it is. A man with two watches is never sure.
 

　　Segal's Law”

 

　　實驗室是一種近乎理想的工作環(huán)境，如標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、恒溫、潔凈室等等，使事物的變化受環(huán)境的影響達(dá)到最小，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)萬物規(guī)律。
 

　　但實驗室常常忽略一個重要物理因素的影響，那就是七大物理基礎(chǔ)量之一的時間。正如Segal法則中所表達(dá)的，一個人如果只有一個表，那么他可以確定當(dāng)前的時間；如果有兩個表，那么他將不能確定當(dāng)前的時間。統(tǒng)一的時間體系下，我們才能更好確定事物變化規(guī)律的可靠性。時間同步的精度越高，事物變化的規(guī)律才更清晰。
 

　　我們觀察事物的角度越來越豐富，相應(yīng)實驗室需要同頻或同步進(jìn)行的工作情況就越多。比如，航天實驗室需要多個航天載荷的同頻同步工作，時鐘要求達(dá)到us級同步；通信實驗室需要驗證通信的可靠性，終端的通信帶寬有著細(xì)分要求，頻率準(zhǔn)確度要求至少達(dá)到1E-9的準(zhǔn)確度要求，時鐘同步也要達(dá)到us級；化學(xué)醫(yī)學(xué)眾多實驗室對實驗事件的事件記錄的同步要求需達(dá)到ms級；高速的事件捕捉同步要求需達(dá)到1us級……分布式實驗室的普及，突顯了社會對時間同步的更高要求。
 

　　最近，作為一種潛力的證明和邁向功能性量子網(wǎng)絡(luò)的第一步，伊利諾伊州快速量子網(wǎng)絡(luò) (IEQNET) 的一個研究團(tuán)隊成功在美國能源部(DOE)的兩個實驗室之間使用本地光纖部署了一個長距離量子網(wǎng)絡(luò)。該實驗標(biāo)志著量子編碼光子(傳遞量子信息的粒子)和經(jīng)典信號以驚人的同步水平在遠(yuǎn)距離同時傳遞，其時鐘同步達(dá)到優(yōu)于5ps的水平。
 

實驗室對時間有著怎樣的需求呢？
 

　　從整體上看實驗室對時鐘同步有三個方面的需求：工作同頻；控制同步；事件信息記錄同步。
 

　　?工作同頻
 

　　工作同頻是指在同一頻率或者同一頻率準(zhǔn)確度下進(jìn)行工作。同頻工作主要利用時頻10M、10.23M信號或其他特殊頻點作為參考頻率進(jìn)行工作，使多個設(shè)備實現(xiàn)頻率同步，保證頻率準(zhǔn)確度的一致性，使工作時序同步穩(wěn)定。
 

　　?控制同步
 

　　控制同步是指多個設(shè)備需求同步脈沖進(jìn)行控制，這個在一定程度也是一種時間同步，需要按照約定的觸發(fā)時刻進(jìn)行事件的控制。
 

　　?事件信息記錄同步
 

　　事件信息記錄同步是指事件信息記錄的終端需要時間同步。例如，計算機(jī)可以按照ms級的精度對事件進(jìn)行時間戳記錄，標(biāo)記事件信息發(fā)生的時刻，采用高速的ePCI高速采集卡也需要實現(xiàn)us級的時間戳記錄。多個設(shè)備的協(xié)作事件信息記錄就需要進(jìn)行時間同步，時間的不同步會導(dǎo)致事件信息記錄的錯亂和無效性。
 

　　如何實現(xiàn)實驗室的時間同步呢？
 

　　首先我們要了解時間的基礎(chǔ)表達(dá)形式，主要包含兩個部分：秒和時間(年月日時分秒信息)，也就是我們常說的1PPS(Pulse Per Second)和TOD(Time of Date)信息。1PPS的時間間隔變化體現(xiàn)出了頻率的特性，可以通過1PPS的時間間隔變化對頻率進(jìn)行準(zhǔn)確度計算與調(diào)整控制，進(jìn)一步實現(xiàn)同頻。
 

　　時間同步就是授時方以不同的形式把1PPS和TOD信息進(jìn)行傳遞，用時方通過1PPS和TOD的比對和控制修改當(dāng)前時間的過程。
 

　　目前主流的時間傳遞方式有：1PPS+TOD、IRIG-B(DC)、IRIG-B(AC)、E1、PTP、NTP、光纖和衛(wèi)星接收機(jī)等。按照授時信息傳遞的方向上可分為單向時間同步和雙向時間同步。單向時間同步方法包含1PPT+TOD、IRIG-B(DC)、IRIG-B(AC)和衛(wèi)星接收機(jī)；雙向時間同步方法包含E1、PTP、NTP、光纖時間同步、衛(wèi)星共視和衛(wèi)星雙向。
 

　　單向時間同步方法以IRIG-B碼為例，IRIG是美國靶場儀器組的簡稱，IRIG時間標(biāo)準(zhǔn)分為并行時間碼格式和串行時間碼格式，由于并行格式傳輸距離較近，且是二進(jìn)制，故并行時間碼的應(yīng)用遠(yuǎn)不如串行時間碼。串行時間碼有六種格式：即A、B、D、E、G和H。他們的主要差別是時間碼的幀速率不同，IRIG-B即為其中的B型碼，由于B碼幀速率為1幀/s，符合適用的習(xí)慣，因此B碼的應(yīng)用最為廣泛。
 

　　B碼時間格式里每個脈沖稱為碼元，碼元的準(zhǔn)時參考點是其脈沖前沿，碼元的重復(fù)速率稱為碼元速率，B碼的碼元速率為100ps。碼元中包含了年月日時分秒信息，還具備標(biāo)準(zhǔn)秒位置的碼元。其時間同步精度可達(dá)幾十納秒。B碼除了時間信息的傳遞功能，還預(yù)留一組控制功能的碼元。
 

　　雙向時間同步是一種主從的同步方式，是通過主從交互信息發(fā)送和接收的時間，計算出傳輸?shù)难舆t和時間補(bǔ)償量，進(jìn)一步實現(xiàn)時間的補(bǔ)償，信息的時間戳精度和鏈路往返的對稱性是影響雙向時間同步的重要因素。如PTP相對NTP來講，PTP是硬件的時間戳標(biāo)記方式，比NTP的軟件時間戳精度要高，所以同步精度要高的多。后期我們也會開展專題討論介紹這些時間傳遞方式的特點與應(yīng)用。
 

實驗室的時間同步就是以這些傳遞方式進(jìn)行不同類別設(shè)備的時間統(tǒng)一的。
 

　　實驗室的時間同步服務(wù)體系由哪些構(gòu)成？
 

　　實驗室的時間同步服務(wù)系統(tǒng)從組成分析可分為四個部分：BD/GPS衛(wèi)星溯源、時頻統(tǒng)一、時頻測量和時頻傳遞。主要解決四大問題：時間從哪來、多種時間傳輸形態(tài)如何統(tǒng)一分發(fā)、時間還差多少、時間到哪去？
 

?時間從哪里來？
 

　　這里提到時間是指UTC時間(協(xié)調(diào)世界時)，是世界統(tǒng)一的時間。UTC時間的來源可以為我們提供兩方面的信息，一個是標(biāo)準(zhǔn)時間，一個是標(biāo)準(zhǔn)頻率。這就為我們對時間源的選取提供了參考依據(jù)，如果我們對標(biāo)準(zhǔn)時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率有一項需求，那么我們就要選擇具備UTC時間獲取功能的設(shè)備作為實驗室時間來源。
 

　　時間來源在我國主要三個源頭：①BD/GPS衛(wèi)星；②中國科學(xué)院國家授時中心；③中國計量科學(xué)研究院。利用BD/GPS接收機(jī)可以從BD/GPS直接UTC時間，但由于天線，芯片和傳輸路徑延遲問題，時間獲取的絕對精度在100ns量級，抖動為30ns量級。通過特殊的時頻傳輸設(shè)備，如衛(wèi)星共視設(shè)備，衛(wèi)星雙向比對設(shè)備，光纖時頻傳遞設(shè)備也可以獲取中國科學(xué)院國家授時中心和中國計量科學(xué)研究院的標(biāo)準(zhǔn)時間，時間精度可達(dá)±5ns。中國科學(xué)院國家授時中心擁有國內(nèi)D一、世界D三規(guī)模的守時原子鐘組，負(fù)責(zé)確定和保持我國的國家標(biāo)準(zhǔn)時間(UTC(NTSC))和原子時標(biāo)準(zhǔn)(TA(NTSC))。中國科學(xué)院國家授時中心與中國計量科學(xué)研究院都為國際原子時提供權(quán)重，對國際原子時有著重大貢獻(xiàn)。
 

　　賽思經(jīng)過常年的苦心研究，在衛(wèi)星授時技術(shù)基礎(chǔ)上衍生出大量成熟產(chǎn)品，如SM2000多功能時頻融合平臺、NS7200通用型NTP時間服務(wù)器、LF7300 IEEE1588高性能時統(tǒng)設(shè)備、LF7500 IEEE1588v2(PTP)高性能時統(tǒng)設(shè)備、FT6000光纖/E1授時比對設(shè)備和MS4140北斗共視儀等，可滿足各種實驗室授時工作。
 

　　?時間如何統(tǒng)一分發(fā)？
 

　　時間如何統(tǒng)一分發(fā)是指不同傳輸形態(tài)的時間信號如何保證其同步性發(fā)送，更好地減小由于信號發(fā)送鏈路所帶來的時間延遲。
 

　　首先所具備的是時間信號精密控制和補(bǔ)償技術(shù)。賽思的LF7300和LF7500具備豐富種類的時間信號輸出，包括B(DC)、1PPS +TOD 、NTP、PTP、E1等信號，滿足最高100ns的時間授時精度，滿足絕大部分的實驗室使用需求。與此同時，賽思的FT6000光纖/E1授時比對設(shè)備可通過光的形式，實現(xiàn)100km兩地之間500ps的同步精度，可借此設(shè)備實現(xiàn)分布式實驗室的時間和頻率傳遞；通過MS4140北斗共視儀可以實現(xiàn)1000km以上的兩個分布式實驗室之間同步精度的達(dá)到10ns。
 

　　?時間到哪去？
 

　　時間到哪去是指的用時設(shè)備。常規(guī)實驗室用時設(shè)備是計算機(jī)、服務(wù)器、攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和特殊的用戶設(shè)備。以NTP網(wǎng)絡(luò)形式較為普遍，可滿足醫(yī)院實驗室、物理實驗室等的應(yīng)用。通信實驗室主要以1PPS+TOD，B(DC)，E1時間信號形態(tài)供用戶使用，其中TOD協(xié)議是可根據(jù)用戶的不同設(shè)備進(jìn)行定義的。特殊的航天航空實驗室主要以1PPS+TOD，10M，B(DC)的時間形式使用。而分布式的實驗室則以光纖時間信號傳遞為主要傳輸途徑，最終在實驗室端口轉(zhuǎn)化成適用的其他形態(tài)。
 

　　?時間還差多少？
 

　　實驗室的時間統(tǒng)一系統(tǒng)搭建或者運行過程，還需要對時間的性能進(jìn)行監(jiān)測和測量，時間的測量裝置是衡量時間或者頻率相差多少的高精度測量裝置。賽思TT1000時間性能綜合測量儀可對多種格式的時間信息進(jìn)行比對測量，其精度達(dá)到ns量級，對NTP和PTP的網(wǎng)絡(luò)時間同步性能也具備高精度的測量能力。PT1300頻穩(wěn)測試分析儀是具備1MHz-100MHz范圍的頻率特性分析儀器，優(yōu)秀的系統(tǒng)本底噪聲可以低至5E-14/s。
 

　　實驗室時間統(tǒng)一系統(tǒng)的搭建
 

　　實驗室時間統(tǒng)一系統(tǒng)的搭建與實驗室的時間精度需求相關(guān)，按照精度可以分為納秒級精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)、微秒級精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)、毫秒級以上精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)以及復(fù)合精度時間系統(tǒng)；按照時間統(tǒng)一特性又可分為絕對時間統(tǒng)一系統(tǒng)和相對時間統(tǒng)一系統(tǒng)；按照時間系統(tǒng)的位置關(guān)系可分為集中式時間統(tǒng)一系統(tǒng)和分布式時間統(tǒng)一系統(tǒng)。
 

　　?納秒級精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

　　納秒級精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)主要是以10M信號、1PPS+TOD，B(DC)信號為基礎(chǔ)建立，這三種信號具備延遲可精確測量可精確補(bǔ)償?shù)奶攸c，可使實驗室的用時設(shè)備達(dá)到高精度的時間統(tǒng)一。推薦使用賽思LF7300(下圖左)與LF7500(下圖右)型號的IEEE1588高性能時統(tǒng)設(shè)備，設(shè)備具備高精度的信號接口，同時具備高質(zhì)量的守時特性，6個月守時偏差小于1毫秒。
 

?微秒級精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

　　微秒級精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)主要是以10M信號、B(DC)、B(AC)信號為基礎(chǔ)建立的，無需延遲補(bǔ)償，可使實驗室的用時設(shè)備達(dá)到微秒級的時間統(tǒng)一。微秒級相對納秒級的實驗室的使用，在線纜傳輸延遲上要求不高，可無需配置相應(yīng)的時間測量設(shè)備。
 

　　?毫秒級精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

　　毫秒級精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)主要是以NTP信號為基礎(chǔ)建立的網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)。推薦使用賽思生產(chǎn)的7200系列時間服務(wù)器。設(shè)備具備優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)同步時間服務(wù)能力。采用高可靠性、高安全性和大容量設(shè)計，MTBF高達(dá)20萬小時；設(shè)備支持用戶接入控制、協(xié)議加密、端口隔離等安全措施，提高系統(tǒng)安全性；設(shè)備配置高性能處理單元，可提供高達(dá)數(shù)萬次/秒的端口處理能力。NS7200支持標(biāo)準(zhǔn)的NTP和SNTP網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議，適用于對系統(tǒng)容量及安全要求較高的場景，如銀行、證券、公安等。
 

?復(fù)合精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

　　復(fù)合精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)，即具備多種形式的時間傳輸能力來滿足實驗室不同類型設(shè)備的時間需求，常規(guī)需包含1PPS+TOD、B(DC)碼，NTP，10MHz等信號，且各種信號的時間需高度統(tǒng)一。上文提到的LF7500設(shè)備就具備這樣的能力，該設(shè)備輸出接口豐富，安裝簡便，能在機(jī)房、艦載和車載等多種環(huán)境下持續(xù)工作，已在多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時具備BD/GPS接收機(jī)，可實現(xiàn)UTC對時。
 

　　?分布式時間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

　　分布式時間統(tǒng)一系統(tǒng)主要適用于資源遠(yuǎn)距離分布的實驗室，如文章開頭提到的美國能源部的兩個實驗室，分布式時間同步可以使一個實驗室具備另一個實驗室的時間特征，使兩個實驗室協(xié)同工作，效率提高。賽思研發(fā)的FT6000光纖/E1守時比對設(shè)備和MS4140北斗共視儀，可以使兩個相距100KM以上的實驗室時間同步精度達(dá)到ns級；當(dāng)然也可以利用7200系列NTP時間服務(wù)器，通過內(nèi)網(wǎng)實現(xiàn)兩個實驗室的ms級的時間同步精度。
 

　　隨著社會智能化程度的日益加深，實驗室需要同頻或同步進(jìn)行的工作就越多。賽思實驗室時間一致性解決方案的出現(xiàn)，可以有效為科研工作排除多余變量，有效降低事物變化受其他因素影響的程度，進(jìn)而更好地發(fā)現(xiàn)萬物規(guī)律，推動科研創(chuàng)新科技進(jìn)步。
 

*原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系賽思電子