“ 大白兔”： 实现超高精度时间传输以及无损的全面数据传输

在围绕赛灵思FPGA及SoC 器件构建的产品中，一种基于以太网的高精度时序解决方案正在进入市场。

电信和信息科学的最新发展正在推动对工业时间传输的要求几近科研应用的水平。例如，即将到来的100G 以太网网络及5G 移动电信要求时序精度在几纳秒范围内，而用于配电的智能电网则要求亚微秒精度。高频率交易的时间戳（一般指股票交易）需要可靠的机制将时间从认证机构分配给业务中心。最后，GPS 或伽利略等采用GNSS 技术的定位服务都可通过高精度同步机制获得优势。

一种诞生于欧洲核研究机构CERN、名为“大白兔”的以太网技术旨在满足这些应用及其他应用的高精度时间需求。以《爱丽丝仙境奇遇记》中着迷于时间的野兔命名的“大白兔”技术基于并兼容于PTPv2（IEEE-1588v2）和同步以太网等标准机制，但经过适当修改，可实现亚纳秒精度。“大白兔”不仅天生可通过远距离链路执行自校准，而且还能够以极小的退化将时间分配给极大数量的设备。

我们的分支机构Seven Solutions SL 自2009 年“大白兔”技术创世以来就一直在开发该技术，其始终致力于使用赛灵思All Programmable 解决方案将大白兔产品带入市场。我们的最新产品是ZEN（Zynq® 嵌入式节点）电路板，这是一款旨在保持高精度参考时钟的时序电路板，不仅可为其它节点提供时序信息，同时还可在“大白兔”网络框架中进行自我同步。

时间简史
物理学家一直都理解时间的重要性，多年来已经发明了各种测量时间的方法。从简单的天空扫描技术（日规、测星仪）到依靠亚原子世界（原子钟）属性的复杂机制，科学家一直都在为开发精确时钟而孜孜不倦地工作。现有时钟在大约3 亿年内不会有1 秒的误差，这种精度在许多应用中至关重要，例如维持国家度量衡实验室时标。

不过，这些极为精确的时钟非常昂贵、脆弱，并且会占据大量的物理空间。因此它们并不适合许多现实场景。实际上大多数应用通常依赖电子产品，其包含低成本时钟（晶体振荡器）。只需花上几美元，我们就可在一大批规格各异的振荡器中做出选择。

对于简单的应用而言，振荡器的精确度已经足够了。但在许多其它需要同步通信或全局时间概念来同步工作的应用领域（分布式仪器）中，这些彼此互不相连的“自由运行时钟”就无法使用了。虽然设计人员可通过安装较好的振荡器来局部解决该问题，但在技术上这样做并非总是可行。单独的时钟仍然没有同步，即便小小的频率偏差，也会让这种方法失效。

然而由于价格原因，基于高精度时钟（如芯片级原子钟或CSAC）的解决方案对于大规模采用而言成本太高。在这些情况下，替代方法是将时钟信息从基准时钟（高稳定、一般价格昂贵）分配给网络中所有其它需要准确同步的组份。问题是我们如何才能做到？

时间传输技术
分配时间可选择多种方法。请注意分配频率（涉及通过导线发送振荡器信号）与分配相位（当事件在网络的所有组份中以极为一致的瞬间触发时）不同。

例如，我们可通过使用同轴线缆或光纤传输时钟振荡来解决第一个问题（频率分配）。在第二个场景（相位分配）中，我们不仅可在导线上编码一个脉冲，进行每秒传输，而且还可将这个脉冲作为参考，知道新的每秒开始的时间。这种技术一般被称为每秒脉冲（PPS）信号。

另外，还存在第三个问题。我们可能还需要提供时间，这不仅要让各项工作按相同时间运行，或是提供有关何时开始计数（相位）的相同参考，而且还要确保我们在所有设备中具有相同的时间。因此，可通过从中央时间服务器传播时间信息，然后测量该消息的传播时间并在每个节点上对其进行标注的方法来分配时间值。有了频率、相位（PPS）和时间这三个元素，我们就可以说网络是同步的。