【半导光电】现代授时手段简介

自从有了时间，就有了时间传递的需求。为了统一一个范围内的时间，使本地时间与标准时间实现统一，需要将标准时间通过一定方式传送出去，就产生了“授时”这个概念。目前，全球范围内的授时可分为天基授时和地基授时。天基授时主要指利用无线电波发播标准时间信号，其中卫星授时信号覆盖范围大、传送精度高、传播衰减小，是目前被广泛采用的高精度授时方法。而地基授时主要指通过各种有线网络将时间信息传递出去。

一、天基授时（无线电授时）

毫秒级：短波授时

短波波长在10米～100米之间，短波传播距离远，可达几万公里。我国的短波授时是中国科学院国家授时中心的BPM短波授时台，用2.5 MHz、5MHz、10MHz、15MHz等几个频率广播我国的标准时间和标准频率信息。

在整点，会出现BMP呼号和女声播报，无线电中也调制有时间编码信息，用来自动对时。

亚毫秒级：电话授时与低频时码授时

在我国，很多城市都有117报时台，播打电话117，就可以听到用语音播报的时间。实际上，还有一种更高精度的电话授时系统，就是使用专门的接收设备，拨打国家授时中心的电话授时号码，由电话授时主机发送专门的时间编码到终端，终端解调这种编码，就能得到精度在十毫秒量级的时间。可为科学研究、地震台网、水文监测、电力、通讯、交通等行业提供标准时间信息。

另一种亚毫秒级的授时是低频时码授时系统，工作于第五频段(30-300kHz)。2007年，中国科学院国家授时中心在河南商丘建立了一座大功率、连续发播的商丘授时台，构筑了我国新一代低频时码授时系统，可有效覆盖北京、天津和长江三角洲等地。低频时码面向广大民用用户开发出了各种挂钟、手表，使用光动能电池作为电源，实现了“永不充电，永不对时”。

微秒量级：长波授时

长波(波长在1000～2000米的无线电波)授时可能是最早的无线电授时方法。1910年，法国率先在埃菲尔铁塔顶端使用长波无线电信号发射器进行报时，每天两次广播从巴黎天文台获得的标准时间，发射波长是2000米，主要用来校准海船上的时钟。1913年，发射波长增加到了2500米。

早期的长波授时，在规定时间广播规定的字符，例如，在8点广播字符“A”，附近的电报员听到A以后，将他的时钟调整到8点。现在，长波授时已经能够广播时间编码信息，接收机自动接收长波信号，自动调整本地时钟。

纳秒级：卫星导航授时

通常人们以为卫星导航系统是用来导航定位的，实际上卫星提供的是授时信息，导航、定位信息都是由接收机从授时信息导出的。因此，卫星导航系统也是一种授时系统，精度可达纳秒级，是目前应用最广的授时系统。

现有的卫星导航系统主要有美国GPS系统、中国的北斗系统、俄罗斯GLONASS系统、欧洲Galileo系统。

二、地基授时（有线网络授时）

根据应用场景的不同，地基授时又分为频率同步和频率+相位同步，这两者的区别请参考《时频同步在无线通信网络中的作用》第二节。其中常用的频率同步技术有：

1.专用同轴电缆同步

传统PDH、SDH设备或其他测试设备大多采用这种同步方式，同步信号又分为2Mhz、2Mbps、10Mhz、5Mhz等多种频率，根据接收设备的支持接口选择，此模式授时精度高但需要专用线缆，成本也高。

2.syncE以太网同步

syncE同步是通过提取以太网路的工作频率作为同步信号，是一种工作在以太网物理层的同步信号传递机制。此模式授时精度高，与以太网共用线缆，成本低，但中途设备都需要支持syncE功能。

3. G.8265.1（PTP）同步

G.8265.1是基于IEEE1588v2协议的以太网授时协议，主要通过解析PTP的sync报文提取频率信号，从而达到频率授时的目的。此模式对只要求以太网络通畅，授时精度不高但成本低。

由于业界对频率同步的应用要求大多不高，所以以上授时方式基本都能满足要求，根据设备支持情况选择合适的同步方式即可。

相位同步（时间同步）方式根据不同的精度要求，可以分为如下几种：

1.IRIG-B（秒级）

格式

时帧周期

码元速率

二-十进制

信息位数

表示时间的信息

IRIG-D

1小时

1个分

16

天、时

IRIG-H

1分

1个秒

23

天、时、分

IRIG-E

10秒

10个秒

26

天、时、分、10秒

IRIG-B

1秒

100个秒

30

天、时、分、秒

IRIG-A

0.1秒

1000个秒

34

天、时、分、秒、0.1秒

IRIG-G

0.01秒

10，000个秒

38

天、时、分、秒、0.1秒,0.01秒

IRIG-B又称B码同步，是IRIG（美国靶场司令委员会的下属机构）码中最常用的一种，通过专用线缆传递时间信息。详细信息可参考下表：

2.TOD同步（秒级）

TOD（Timeof day）是一种精确到秒的时间信息，通常通过串口每秒发送一次秒级时间信息的方式，告诉下游设备当前时间。

3.NTP同步（毫秒级）

NTP是基于以太网的授时协议，其广泛应用于英特网，为众多电子设备提供时间信息。

4.PTP同步（微妙或纳秒级）

与NTP类似，PTP也是基于以太网的授时协议，但授时精度高于NTP，多用于运营商等专用网络授时，可作为北斗卫星授时的地面备份。根据应用场景不同，PTP同步又分为G.8275.2、G.8275.1电信级应用，SMPTE ST 2059-2广电网络应用和IEEE C37.238-2017电网应用等

5.PPS+TOD同步（纳秒级）

PPS+TOD是两组信号组合在同一网线内的授时方式，PPS提供1秒1次的脉冲，精度可达纳秒级；TOD在PPS脉冲信号之后发送秒级时间信息字符串，标识该PPS信号所属的秒级时间。

6.PTP+syncE同步（纳秒级）

PTP+syncE授时方式中，syncE作为PTP授时方式的补充，可以大幅度提供授时精度，可用于对时间精度要求较高的5G网络授时。其遵循的国际标准为G.8273.2，基本工作流程如下：