在圍繞賽靈思FPGA及SoC 器件構建的產品中，一種基于以太網的高精度時序解決方案正在進入市場。

電信和信息科學的最新發展正在推動對工業時間傳輸的要求幾近科研應用的水平。例如，即將到來的100G 以太網網絡及5G 移動電信要求時序精度在幾納秒范圍內，而用于配電的智能電網則要求亞微秒精度。高頻率交易的時間戳（一般指股票交易）需要可靠的機制將時間從認證機構分配給業務中心。最后，GPS 或伽利略等采用GNSS 技術的定位服務都可通過高精度同步機制獲得優勢。

一種誕生于歐洲核研究機構CERN、名為“大白兔”的以太網技術旨在滿足這些應用及其他應用的高精度時間需求。以《愛麗絲仙境奇遇記》中著迷于時間的野兔命名的“大白兔”技術基于并兼容于PTPv2（IEEE-1588v2）和同步以太網等標準機制，但經過適當修改，可實現亞納秒精度。“大白兔”不僅天生可通過遠距離鏈路執行自校準，而且還能夠以極小的退化將時間分配給極大數量的設備。

我們的分支機構Seven Solutions SL 自2009 年“大白兔”技術創世以來就一直在開發該技術，其始終致力于使用賽靈思All Programmable 解決方案將大白兔產品帶入市場。我們的最新產品是ZEN（Zynq? 嵌入式節點）電路板，這是一款旨在保持高精度參考時鐘的時序電路板，不僅可為其它節點提供時序信息，同時還可在“大白兔”網絡框架中進行自我同步。

時間簡史
物理學家一直都理解時間的重要性，多年來已經發明了各種測量時間的方法。從簡單的天空掃描技術（日規、測星儀）到依靠亞原子世界（原子鐘）屬性的復雜機制，科學家一直都在為開發精確時鐘而孜孜不倦地工作。現有時鐘在大約3 億年內不會有1 秒的誤差，這種精度在許多應用中至關重要，例如維持國家度量衡實驗室時標。

不過，這些極為精確的時鐘非常昂貴、脆弱，并且會占據大量的物理空間。因此它們并不適合許多現實場景。實際上大多數應用通常依賴電子產品，其包含低成本時鐘（晶體振蕩器）。只需花上幾美元，我們就可在一大批規格各異的振蕩器中做出選擇。

對于簡單的應用而言，振蕩器的精確度已經足夠了。但在許多其它需要同步通信或全局時間概念來同步工作的應用領域（分布式儀器）中，這些彼此互不相連的“自由運行時鐘”就無法使用了。雖然設計人員可通過安裝較好的振蕩器來局部解決該問題，但在技術上這樣做并非總是可行。單獨的時鐘仍然沒有同步，即便小小的頻率偏差，也會讓這種方法失效。

然而由于價格原因，基于高精度時鐘（如芯片級原子鐘或CSAC）的解決方案對于大規模采用而言成本太高。在這些情況下，替代方法是將時鐘信息從基準時鐘（高穩定、一般價格昂貴）分配給網絡中所有其它需要準確同步的組份。問題是我們如何才能做到？

時間傳輸技術
分配時間可選擇多種方法。請注意分配頻率（涉及通過導線發送振蕩器信號）與分配相位（當事件在網絡的所有組份中以極為一致的瞬間觸發時）不同。

例如，我們可通過使用同軸線纜或光纖傳輸時鐘振蕩來解決第一個問題（頻率分配）。在第二個場景（相位分配）中，我們不僅可在導線上編碼一個脈沖，進行每秒傳輸，而且還可將這個脈沖作為參考，知道新的每秒開始的時間。這種技術一般被稱為每秒脈沖（PPS）信號。

另外，還存在第三個問題。我們可能還需要提供時間，這不僅要讓各項工作按相同時間運行，或是提供有關何時開始計數（相位）的相同參考，而且還要確保我們在所有設備中具有相同的時間。因此，可通過從中央時間服務器傳播時間信息，然后測量該消息的傳播時間并在每個節點上對其進行標注的方法來分配時間值。有了頻率、相位（PPS）和時間這三個元素，我們就可以說網絡是同步的。
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目前的工業解決方案以不同的方法提供這些屬性。例如，GPS 設備通過提供參考頻率（10 至50MHz）、PPS 信號和串行碼來提供時間（一般基于NMEA 協議）。這種方法廣泛用于大量需要準確同步的系統中，因為不同儀器可以便捷連接至不同的GPS接收器。但它使用大量低級信號。在電網應用中，這些值通過名為IRIG-B的簡單協議提供，其可提供時間和PPS 信息。過去，IRIG-B 方法一直能充分滿足同步電網的需求。然而今天它不能處理“智能電網”，因為這種電網正在變得空前復雜，而且還包含需要更高精度的新型能源監控應用。

隨著數據包網絡的基本普及，交換網絡以往使用的機制已經過發展演化，適應了數據包網絡。在基于精確時間協議（PTPv2 或IEEE-1588v2）加同步以太網（SynCE）的解決方案中，SDH/SONET 技術也在逐漸轉變。PTPv2 是網絡時間協議（NTP）的工業演化版，該協議被互聯網用于同步整個網絡中的計算機。PTPv2 依靠硬件時間戳機制顯著改善時間同步的精度。

第二種機制SynCE 可實現在數據載體上編碼時鐘信號。采用這種對用戶透明的方法，我們可將時鐘信息和頻率分配給所有設備。將PTPv2 與SynCE 配對，有助于我們針對電信無縫使用數據包網絡。這種組合是當前電信、電網和自動化應用中最常見的解決方案。請注意，一些與相位傳播及系統可擴展性有關的關鍵問題仍然十分重要，而且尚待解決。

科學應用及更高層次應用
許多應用都需要把參考時鐘源信息傳播到不同目的地點。科研機構可能是需要高精度時間分配最為嚴格的基礎設施。從CERN 的LHC 加速器到CTA、SKA 或KM3NeT 等大型射電天文分布式設施，所有這些都需要超高精度的時間與頻率分配。

但新一代IT 及通信應用還需要使用目前標準方法無法實現的極高精度時間傳輸。例如在GPS 應用領域，測量衛星信號傳播時間等同于測量距離，因此定位與時間精度測量密切相關。一般來說，GNSS 容易受阻塞或電子欺騙問題的影響。所以在用于時間分配時，建議重要基礎設施將地面替代方案（基于光纖）用作互補冗余機制。

“大白兔”解決方案
“大白兔”（ ）是精確時序以太網的擴展和外延。它是CERN 于2009 年構思的一個開放式協作軟硬件項目，技術行業已急切開始參與了其發展。源代碼提供在開放式硬件資源庫（OHWR， ）中，以鼓勵不同企業及研究機構進行開發。

從一開始起，位于西班牙格拉納達的Seven Solutions ( )就一直在協作設計各種大白兔產品，其中包括電子產品、固件以及門控件。此外，該公司還可提供基于該技術的定制解決方案和交鑰匙解決方案。

作為以太網的擴展，”大白兔”技術正在接受評估，以加入高精度配置文件框架中的新一代高精度時間協議標準（IEEE-1588v3）中。標準化將有助于“大白兔”集成至未來各種不同技術中，如圖1 所示。

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圖1 — 大白兔應用概要

“大白兔”技術的深入介紹
“大白兔”整合大量機制，可優化其位于以太網擴展框架內的時序精度，因此可保留以太網通信結構。此外，“大白兔”還集成PTP、同步以太網以及數字雙路混合器時間差異（DMTD）相位跟蹤技術。
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SevenSolutions 提供的全新ZEN 電路板將展示“大白兔”的主要組份如何在產品中結合（圖2）。ZEN 電路板以賽靈思Zynq-7000 All Programmable SoC 為基礎，內含“大白兔”內核以及可提供高精度時鐘的千兆位以太網MAC 實現方案。在“大白兔”內核中實現的同步機制包括以下組份：

● 頻率同步（同步）：這可通過使用SynCE 實現，其可編碼數據載體中的時鐘信號。為確保所有節點都使用相同的頻率，我們采用一個基于本地振蕩器的機制，該振蕩器可通過從光鏈路恢復的外部時鐘進行控制。

● 相位同步：節點的物理時鐘可轉發至主設備組份，或從主設備組份轉發至節點，以便主設備能夠將該信號（來自從設備）的相位與自己的相位相比較。偏差應該與信號通過光纖的傳播時間相同（使用PTP 進行正確測量）。有了該信息，主設備就可確定其自己的時鐘與來自從設備的時鐘之間的相位差，并要求從設備將其相位轉換成與主設備完全相同的值。該過程可通過在FPGA 門控件中實現一個數字DMTD 來數字化完成。

● 時間同步：這是使用PTPv2 協議的結果，該協議不僅可測量鏈路傳播時間，而且還可提供全局時間概念。此外，“大白兔”還考慮了因在雙向光纖中為每次通信傳輸（在環路中向前和向后）使用不同波長而產生的有關傳播時間的不對稱性，從而可提高標準PTP 協議的精度。由于頻率和相位之前已經同步，因此我們可以在”大白兔”網絡中確保所有設備的全局時間概念。

所有這些工作均可在“ 大白兔”內核中實現，一部分使用適當的FPGA 門控件，一部分使用嵌入式軟件內核。“大白兔”產品包括執行這些不同時鐘工作所需的適當振蕩器、PLL 和時序電子產品。

作為案例研究，下面我們將更詳細了解ZEN 電路板。該電路板采用雙路“大白兔”內核（D-WRC），這是Seven Solutions 用我們最新賽靈思7 系列產品開發的原始“大白兔”內核的修訂版。D-WRC 能夠同步兩個“大白兔”節點，也可作為菊花鏈網絡中的中間鏈路。此外，ZEN 電路板還包含由D-WRC 控制的高精度、低抖動、溫度補償時鐘資源。

此外，Zynq SoC 在Linux 操作系統下運行的雙核ARM? CortexTM-A9處理器可促進用戶應用的開發。板載提供Linux，有助于使用令人關注的全新特性，例如適用于配置的Web 服務、狀態監控的SNMP 支持以及遠程固件加載與更新。

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圖2 — 基于Xilinx Zynq SoC器件的“大白兔”門控組份

ZEN 電路板旨在用作提供高精度時間，它可提供多樣化連接與擴展帶來的大量可能性：

● RIG-B I/O 是ZEN 電路板使用的當日時間，它既可作為主設備，也可作為從設備。

● 兩個連接至A R M 處理器的10/100/1000 以太網端口可用于各類網絡應用和協議（NTP、sNTP、PTPv2 以及管理等）。

● 提供兩個SFP 模塊，用于插接符合”大白兔”規范的鏈路。

● SMA 連接器可讓ZEN 電路板與更精確的時鐘同步（例如GPS 源或高穩定振蕩器），提供由“大白兔”同步的各類時鐘。

● FMC 連接器可插入一款采用“大白兔”項目框架開發的夾層板，或是市場現有的任何其它工業電路板。這些FMC 卡不僅可增強ZEN 的發展潛能，而且還可實現大量的產品配置。

● 存儲器資源包括SD、DDR3 和閃存。

● 包含兩個UART-USB 連接器，可在D-WRC 和Cortex 處理器中進行管理和調試。

簡言之，ZEN 電路板可為最終用戶提供一個節點，其不僅可實現亞納秒同步并以菊花鏈方式工作，同時還可盡其所能地提供最佳的Zynq SoC與全新水平的系統設計功能。

“大白兔”設備
“大白兔”技術肇始于CERN 提倡的開放式硬件社區（開放式硬件庫，OHWR）。為加速該技術的學習進程，Seven Solutions 開發出了一款由兩片名為SPEC 的Spartan?-6 電路板組成的“大白兔”入門套件。其中一個可配置為主設備，另一個則可配置為從設備。目的是鼓勵用戶執行幾個早期評估實驗。

這項技術最復雜的組份是交換機。我們通過與CERN、GSI 以及其他合作伙伴合作，共同開發了18端口“大白兔”交換機，從而設計了采用MicroTC 尺寸規格的主板。核心組份是一款Virtex?-6 (LX240T)FPGA。我們將該器件與一款運行嵌入式Linux 操作系統的外部處理器（ARM926E）進行配對，執行了系統更新和文件管理等各項高級工作。該交換機使用了18 個針對SFP的GTX 鏈路以及40 個面向通用任務（LEDS、SFP 檢測等）的GPIO。這是一種非常復雜的產品，既能分配時間，也能在使用標準電信工具的同時處理數據包。

近期，Seven Solutions 將“大白兔”內核移植到了LEN 電路板中的賽靈思Artix? FPGA 系列中（圖3），實現了比現有OHWR 器件成本更低、能效更高的解決方案。此外，我們剛剛開發出了一款基于Zynq SoC 器件的“大白兔”產品。該WR-ZEN 節點（之前的名稱）代表一個完整的通用片上系統方法，其中節點和計算機都整合在同一電路板中。該解決方案可在降低成本，改善系統靈活性的同時，實現更便捷的維護。

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圖3 —“大白兔”LEN電路板（上圖）和ZEN（右圖）電路板。它們分別由Artix FPGA和Zynq SoC器件提出支持，采用支持工業應用的適當外殼。

Seven Solutions 目前開發的工業產品可為管理、配置和監控提供標準接口，不僅能充分利用“大白兔”技術的各項優勢，同時還可提供更強大的特性、支持和文檔。

“大白兔”應用
“大白兔”技術的第一個目標是科學應用。近期該技術已經在一些設備及研究項目中整合，用于高能物理及分布式射電天文設施的框架中。“大白兔”技術已經在多個粒子加速器（CERN、GSI 以及其他機構）中使用，而且KM3NeT 與HISCORE 等國際科研計劃也正在考慮使用該技術。因此，“大白兔”方法已在各種要求嚴格的應用中得到驗證，這類應用要求通過大型設施上的分布式儀器實現精確的時序與頻率轉移。

2014 年，“大白兔”還由荷蘭VSL 進行了125km 的遠距離鏈路測試，并由芬蘭MIKES 進行了1,000km的遠距離鏈路測試。

在科研領域之外的廣泛應用中也需要精確時序。智能電網要求準確可靠的時序，而高頻率交易也離不開經過認證的精確時序。

許多此類應用領域目前依賴的是GPS 時序信號，這種信號生來就容易受到影響（由于環境條件或者由于意外或惡意阻塞及電子欺騙）。GPS不應該用于安全關鍵性基礎設施（2010年1 月20 日《美國空軍首腦對過度依賴GPS 的警告》，摘自《Ins ide GNSS》雜志新聞）。在這一點上，“大白兔”代表著一種替代性解決方案，其可實現通過地面光纖進行高精度時序及頻率傳輸。可通過部署標準電信網絡來降低這種方法的成本。

除“大白兔”的功能特性外，Seven Solutions 還正在面向要求高可用性的重要應用開發全新工業產品。冗余電源、熱插拔風扇、延期振蕩器以及其它技術允許其部署于不能承受系統故障或長時間維修過程的設施。

圖4 是如何將WR-LEN 用作分布式機制，以簡單低成本的方式提供時序信息。該系統能夠以類似GPS 的方式分配時序。它使用適用于電網應用的IRIG-B 輸出格式提供時序。此外，PTPv2 也是一種可用的接口，是一種有效選項，因為它能夠與現代電網設施上使用的PTP 網絡集成。

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圖4 — 為不同節點提供精確時序的“大白兔”網絡。菊花鏈配置允許通過WR-LEN節點。

圖5 是基于ZEN 時間提供技術的網絡配置。該實例中顯示了更多功能強大的特性。關鍵組份上的冗余電源、冗余網絡拓撲及延期CSAC 振蕩器都可實現。此外，FMC 擴展端口還可實現添加夾層卡，進一步開發更多傳感與控制應用。

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圖5 — 基于ZEN時間提供技術、面向安全關鍵性系統的網絡配置

未來發展
“大白兔”是一項前景光明的技術，能夠解決智能電網、電信以及高頻率交易等各類終端應用領域的同步需求問題。“大白兔”不僅能解決相位同步等問題，同時還能以亞納秒精度為分布在遙遠距離（數百公里）的數以萬計的設備同步時鐘。因此，“大白兔”還能實現超高精度時間傳輸以及無損的全面數據傳輸。

這些特性加上“大白兔”的可擴展性，將有助于開發整個世界范圍的地面同步機制，其不僅可用作GPS 解決方案（基于地面衛星接收站天線）的后臺技術，而且還能開啟自動駕駛汽車或室內導航等全新應用的大門。即將來臨的100G 電信網絡將通過高精度服務質量評估機制獲得巨大優勢，而5G 無線技術則可使用“大白兔”解決眾所周知的相位同步問題。

這些只是“大白兔”可能會在其中產生巨大影響的未來應用的部分示例。此外，由于“大白兔”可能會在IEEE-1588v3 配置文件（目前正在考慮）中得到標準化，因此它將非常容易適應多家廠商。而且我們認為最具挑戰性的應用還未出現。

Seven Solutions 正在提供第一批基于“大白兔”技術的工業產品。我們的交鑰匙解決方案不僅可便捷集成在基于標準電信接口的用戶應用中，而且只需使用Web 服務或SNMP 等標準軟件便可完成配置/ 讀取。下一步我們將針對分配RF 生成（無需發送參考頻率）或觸發事件采集整合各種特性，提供大量電信應用所需的高精度。