IEEE1588精密时钟同步分析

2.1 偏移测量  

偏移测量阶段用来修正主时钟和从属时钟的时间差。在这个偏移修正过程中，主时钟周期性发出一个确定的同步信息（简称Sync信息）（一般为每两秒一次），它包含了一个时间印章（time stamp），精确地描述了数据包发出的预计时间。如图4所示，假设同步之前主时钟的时间为Tm=1050s,而从属时钟的时间为Ts=1000s。主时钟测量出发送的准确时间TM1，而从属时钟测量出接收的准确时间TS1。由于信息包含的是预计的发出时间而不是真实的发出时间，所以主时钟在Sync信息发出后发出一个Follow_Up信息，该信息加了一个时间印章，准确地记载了Sync信息的真实发出时间TM1。这样一来，从属时钟使用Follow_Up信息中的真实发出时间和接收方的真实接收时间，可以计算出从属时钟与主时钟之间的偏移（offset）：  

  

图4偏移测量  

Offset = TS1－TM1－Delay  

这里要说明的是，上式中的Delay指的是主时钟与从属时钟之间的传输延迟时间，它将在下面的测量阶段测出，所以在这里是未知的，从偏移测量阶段就提供了一个修正时间（Adjust Time），将从属时钟修正为：  

Adjust Time＝Ts－Offset  

2.2 延迟测量  

延迟测量（delay measurement）阶段用来测量网络传输造成的延迟时间。为了测量网络的传输延时，IEEE1588定义了一个延迟请求信息包（Delay Request Packet）,简称Delay_Req。  

  

图5延迟测量  

如图5所示，从属时钟在收到Sync信息后在TS3时刻发出延迟请求信息包Delay_Req，主时钟收到Delay_Req后在延迟响应信息包（Delay Request Packet，Delay_Resp）印章出准确的接收时间TM3，并发送给从属时钟，因此从属时钟就可以非常准确地计算出网络延时：   

TM2→TS2：Delay1= TS2－（TM2+Offset）  

TS3→TM3：Delay2=（TM3+Offset）－TS3  

因为网络延迟时间是对称相等的，所以：  

Delay＝Delay1+Delay22  

与偏移测量阶段不同的是，延迟测量阶段的延迟请求信息包是随机发出的，并没有时间限制。需要说明的是，在这个测量过程中，假设传输介质是对称均匀的。  

2.3 同步实现  

如图5所示，经过同步信息的交换，从属时钟与主时钟实现了精确同步。  

3 精确度测试   

为保证测试结果能够最大限度地接近工程应用的实际情况，使主时钟和从属时钟之间的偏离数据具有说服力，在精确度测试中接入一个以太网信息包发生器加重网络负载，测试系统连接如图6所示。主时钟和从属时钟的PPS（Plus Per Second）输出连接到示波器，通过示波器就能非常清楚地测量出两个信号之间的偏离，而且还可以描绘出这种偏离的频率分布情况。这次测量前后用时84个小时，图7是示波器的显示值。从图7可以看出,最大抖动条件下的同步精确度落在±100 ns内，显示的是纳秒级的主时钟和从属时钟之间偏移值的频率分布，标准偏离达到23.95ns，平均值是-4.248ns。  

  
图6测试系统的组成  

  

图7测试示波器显示

结束语  

精密时钟协议将IEEE1588标准化达到亚微妙范围内的同步精确度，而且还存在提高精确度的潜力。它适用于那些需要实现最高精确度分布时钟的时间同步的有限网络领域。  

为使集线器以太网网络达到高精确度，建议装备具有IEEE1588技术的集线器。