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

　　Segal's Law”

 

　　實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室常常忽略一個(gè)重要物理因素的影響，那就是七大物理基礎(chǔ)量之一的時(shí)間。正如Segal法則中所表達(dá)的，一個(gè)人如果只有一個(gè)表，那么他可以確定當(dāng)前的時(shí)間；如果有兩個(gè)表，那么他將不能確定當(dāng)前的時(shí)間。統(tǒng)一的時(shí)間體系下，我們才能更好確定事物變化規(guī)律的可靠性。時(shí)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(shí)驗(yàn)室需要同頻或同步進(jìn)行的工作情況就越多。比如，航天實(shí)驗(yàn)室需要多個(gè)航天載荷的同頻同步工作，時(shí)鐘要求達(dá)到us級(jí)同步；通信實(shí)驗(yàn)室需要驗(yàn)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(shí)鐘同步也要達(dá)到us級(jí)；化學(xué)醫(yī)學(xué)眾多實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)事件的事件記錄的同步要求需達(dá)到ms級(jí)；高速的事件捕捉同步要求需達(dá)到1us級(jí)……分布式實(shí)驗(yàn)室的普及，突顯了社會(huì)對(duì)時(shí)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(gè)研究團(tuán)隊(duì)成功在美國能源部(DOE)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間使用本地光纖部署了一個(gè)長距離量子網(wǎng)絡(luò)。該實(shí)驗(yàn)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(hào)以驚人的同步水平在遠(yuǎn)距離同時(shí)傳遞，其時(shí)鐘同步達(dá)到優(yōu)于5ps的水平。
 

實(shí)驗(yàn)室對(duì)時(shí)間有著怎樣的需求呢？
 

　　從整體上看實(shí)驗(yàn)室對(duì)時(shí)鐘同步有三個(gè)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(shí)頻10M、10.23M信號(hào)或其他特殊頻點(diǎn)作為參考頻率進(jìn)行工作，使多個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)頻率同步，保證頻率準(zhǔn)確度的一致性，使工作時(shí)序同步穩(wěn)定。
 

　　?控制同步
 

　　控制同步是指多個(gè)設(shè)備需求同步脈沖進(jìn)行控制，這個(gè)在一定程度也是一種時(shí)間同步，需要按照約定的觸發(fā)時(shí)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(shí)間同步。例如，計(jì)算機(jī)可以按照ms級(jí)的精度對(duì)事件進(jìn)行時(shí)間戳記錄，標(biāo)記事件信息發(fā)生的時(shí)刻，采用高速的ePCI高速采集卡也需要實(shí)現(xiàn)us級(jí)的時(shí)間戳記錄。多個(gè)設(shè)備的協(xié)作事件信息記錄就需要進(jìn)行時(shí)間同步，時(shí)間的不同步會(huì)導(dǎo)致事件信息記錄的錯(cuò)亂和無效性。
 

　　如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間同步呢？
 

　　首先我們要了解時(shí)間的基礎(chǔ)表達(dá)形式，主要包含兩個(gè)部分：秒和時(shí)間(年月日時(shí)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(shí)間間隔變化體現(xiàn)出了頻率的特性，可以通過1PPS的時(shí)間間隔變化對(duì)頻率進(jìn)行準(zhǔn)確度計(jì)算與調(diào)整控制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)同頻。
 

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

　　目前主流的時(shí)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(shí)信息傳遞的方向上可分為單向時(shí)間同步和雙向時(shí)間同步。單向時(shí)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(shí)間同步方法包含E1、PTP、NTP、光纖時(shí)間同步、衛(wèi)星共視和衛(wèi)星雙向。
 

　　單向時(shí)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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)分為并行時(shí)間碼格式和串行時(shí)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(shí)間碼的應(yīng)用遠(yuǎn)不如串行時(shí)間碼。串行時(shí)間碼有六種格式：即A、B、D、E、G和H。他們的主要差別是時(shí)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(shí)間格式里每個(gè)脈沖稱為碼元，碼元的準(zhǔn)時(shí)參考點(diǎn)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(shí)分秒信息，還具備標(biāo)準(zhǔn)秒位置的碼元。其時(shí)間同步精度可達(dá)幾十納秒。B碼除了時(shí)間信息的傳遞功能，還預(yù)留一組控制功能的碼元。
 

　　雙向時(shí)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(shí)間，計(jì)算出傳輸?shù)难舆t和時(shí)間補(bǔ)償量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)時(shí)間的補(bǔ)償，信息的時(shí)間戳精度和鏈路往返的對(duì)稱性是影響雙向時(shí)間同步的重要因素。如PTP相對(duì)NTP來講，PTP是硬件的時(shí)間戳標(biāo)記方式，比NTP的軟件時(shí)間戳精度要高，所以同步精度要高的多。后期我們也會(huì)開展專題討論介紹這些時(shí)間傳遞方式的特點(diǎn)與應(yīng)用。
 

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

　　實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間同步服務(wù)體系由哪些構(gòu)成？
 

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

?時(shí)間從哪里來？
 

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

　　時(shí)間來源在我國主要三個(gè)源頭：①BD/GPS衛(wèi)星；②中國科學(xué)院國家授時(shí)中心；③中國計(jì)量科學(xué)研究院。利用BD/GPS接收機(jī)可以從BD/GPS直接UTC時(shí)間，但由于天線，芯片和傳輸路徑延遲問題，時(shí)間獲取的絕對(duì)精度在100ns量級(jí)，抖動(dòng)為30ns量級(jí)。通過特殊的時(shí)頻傳輸設(shè)備，如衛(wèi)星共視設(shè)備，衛(wèi)星雙向比對(duì)設(shè)備，光纖時(shí)頻傳遞設(shè)備也可以獲取中國科學(xué)院國家授時(shí)中心和中國計(jì)量科學(xué)研究院的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，時(shí)間精度可達(dá)±5ns。中國科學(xué)院國家授時(shí)中心擁有國內(nèi)D一、世界D三規(guī)模的守時(shí)原子鐘組，負(fù)責(zé)確定和保持我國的國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(UTC(NTSC))和原子時(shí)標(biāo)準(zhǔn)(TA(NTSC))。中國科學(xué)院國家授時(shí)中心與中國計(jì)量科學(xué)研究院都為國際原子時(shí)提供權(quán)重，對(duì)國際原子時(shí)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(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上衍生出大量成熟產(chǎn)品，如SM2000多功能時(shí)頻融合平臺(tái)、NS7200通用型NTP時(shí)間服務(wù)器、LF7300 IEEE1588高性能時(shí)統(tǒng)設(shè)備、LF7500 IEEE1588v2(PTP)高性能時(shí)統(tǒng)設(shè)備、FT6000光纖/E1授時(shí)比對(duì)設(shè)備和MS4140北斗共視儀等，可滿足各種實(shí)驗(yàn)室授時(shí)工作。
 

　　?時(shí)間如何統(tǒng)一分發(fā)？
 

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

　　首先所具備的是時(shí)間信號(hào)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(shí)間信號(hào)輸出，包括B(DC)、1PPS +TOD 、NTP、PTP、E1等信號(hào)，滿足最高100ns的時(shí)間授時(shí)精度，滿足絕大部分的實(shí)驗(yàn)室使用需求。與此同時(shí)，賽思的FT6000光纖/E1授時(shí)比對(duì)設(shè)備可通過光的形式，實(shí)現(xiàn)100km兩地之間500ps的同步精度，可借此設(shè)備實(shí)現(xiàn)分布式實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間和頻率傳遞；通過MS4140北斗共視儀可以實(shí)現(xiàn)1000km以上的兩個(gè)分布式實(shí)驗(yàn)室之間同步精度的達(dá)到10ns。
 

　　?時(shí)間到哪去？
 

　　時(shí)間到哪去是指的用時(shí)設(shè)備。常規(guī)實(shí)驗(yàn)室用時(shí)設(shè)備是計(jì)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(shí)驗(yàn)室、物理實(shí)驗(yàn)室等的應(yīng)用。通信實(shí)驗(yàn)室主要以1PPS+TOD，B(DC)，E1時(shí)間信號(hào)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(shí)驗(yàn)室主要以1PPS+TOD，10M，B(DC)的時(shí)間形式使用。而分布式的實(shí)驗(yàn)室則以光纖時(shí)間信號(hào)傳遞為主要傳輸途徑，最終在實(shí)驗(yàn)室端口轉(zhuǎn)化成適用的其他形態(tài)。
 

　　?時(shí)間還差多少？
 

　　實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)搭建或者運(yùn)行過程，還需要對(duì)時(shí)間的性能進(jìn)行監(jiān)測和測量，時(shí)間的測量裝置是衡量時(shí)間或者頻率相差多少的高精度測量裝置。賽思TT1000時(shí)間性能綜合測量儀可對(duì)多種格式的時(shí)間信息進(jìn)行比對(duì)測量，其精度達(dá)到ns量級(jí)，對(duì)NTP和PTP的網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)驗(yàn)室時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的搭建
 

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

　　?納秒級(jí)精度時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

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

?微秒級(jí)精度時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

　　微秒級(jí)精度時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)主要是以10M信號(hào)、B(DC)、B(AC)信號(hào)為基礎(chǔ)建立的，無需延遲補(bǔ)償，可使實(shí)驗(yàn)室的用時(shí)設(shè)備達(dá)到微秒級(jí)的時(shí)間統(tǒng)一。微秒級(jí)相對(duì)納秒級(jí)的實(shí)驗(yàn)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(shí)間測量設(shè)備。
 

　　?毫秒級(jí)精度時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

　　毫秒級(jí)精度時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)主要是以NTP信號(hào)為基礎(chǔ)建立的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)。推薦使用賽思生產(chǎn)的7200系列時(shí)間服務(wù)器。設(shè)備具備優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間服務(wù)能力。采用高可靠性、高安全性和大容量設(shè)計(jì)，MTBF高達(dá)20萬小時(shí)；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(duì)時(shí)協(xié)議，適用于對(duì)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(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

　　復(fù)合精度時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)，即具備多種形式的時(shí)間傳輸能力來滿足實(shí)驗(yàn)室不同類型設(shè)備的時(shí)間需求，常規(guī)需包含1PPS+TOD、B(DC)碼，NTP，10MHz等信號(hào)，且各種信號(hào)的時(shí)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(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時(shí)具備BD/GPS接收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)UTC對(duì)時(shí)。
 

　　?分布式時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)
 

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

　　隨著社會(huì)智能化程度的日益加深，實(shí)驗(yàn)室需要同頻或同步進(jìn)行的工作就越多。賽思實(shí)驗(yàn)室時(shí)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(dòng)科研創(chuàng)新科技進(jìn)步。
 

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