【摘要】 本文闡述了精確時間協議規范(PTP)的原理，結合同步信號IP傳輸的特點和我臺同步部署案例，探討在全臺建立統一同步的可能性和合理性。

【關鍵詞】 精確時間協議(PTP) 時鐘 時間

一、引言

無論模擬還是數字時代，同步信號在廣播電視系統中至為關鍵，BB黑場信號包括了相位和頻率同步，是系統定時和信號干凈切換的保證。很多廣播電視用戶在建設新大樓系統時，總是希望能找到一種方法論證全臺同步的可行性：當全臺時鐘和時間統一到一個基準，可減少不同系統間信號傳輸中幀同步器的使用，節約投資；更能將全臺時間統一到一個精確的時鐘源，優化工作流程，少發生錯誤。我臺播總控機房在三樓，制作技術部的演播室分布在二樓、一樓、負一樓，演播室到播總控機房，布線長度最長的超過250米，最短的的也超過100米，由于模擬信號受傳輸距離的限制，在全臺完整建立一套同步系統的想法很難實現。

隨著IT技術的廣泛應用，廣電人開始探討將基帶SDI信號通過IP網絡傳輸，2017年9月發表的ST 2110吸收了ST 2059作為系統中的精確時間協議（PTP）和規范。

ST 2059包括ST 2059-1和ST 2059-2兩個規范，ST 2059-1描述了時間的起點（Epoch：1970-01-01T00:00:00TAI），視頻同步信號、音頻同步信號要求，及符合ST 12-1規范的時碼生成。本文所述的ST 2059規范，是包括上面兩個規范的統稱。

二、PTP精確時間同步概念

IP網絡中許多業務的正常運行都要求網絡時鐘同步，即整個網絡各設備之間的時間或頻率差保持在合理的誤差水平內。國際電聯組織發表的IEEE 1588規范（2008年更新為IEEE 1588 V2，下文所述的IEEE 1588規范，指的是IEEE 1588 V2規范），描述了在網絡中的精確時間協議（Precision Timing Protocol，簡稱PTP）要求。

PTP域

我們將應用了PTP協議的網絡稱為PTP域。PTP域內有且只有一個同步時鐘，域內的所有設備都 與該時鐘保持同步。

PTP端口

我們將設備上運行了PTP協議的端口稱為PTP端口。如圖1所示，PTP端口的角色可分為以下三種:

主端口(Master Port):發布同步時間的端口，可存在于BC或OC上。

從端口(Slave Port):接收同步時間的端口，可存在于BC或OC上。

被動端口(Passive Port):既不接收同步時間、也不對外發布同步時間的端口，只存在于BC 上。

時鐘節點

PTP 域中的節點稱為時鐘節點，PTP協議定義了以下三種類型的基本時鐘節點:

OC(Ordinary Clock，普通時鐘):該時鐘節點在同一個PTP域內只有一個PTP端口參與時間同步，并通過該端口從上游時鐘節點同步時間。此外，當時鐘節點作為時鐘源時，可以只通過一個PTP端口向下游時鐘節點發布時間，我們也稱其為OC。

BC(Boundary Clock，邊界時鐘):該時鐘節點在同一個PTP域內擁有多個PTP端口參與時 間同步。它通過其中一個端口從上游時鐘節點同步時間，并通過其余端口向下游時鐘節點發 布時間。此外，當時鐘節點作為時鐘源時，可以通過多個PTP端口向下游時鐘節點發布時間的， 我們也稱其為BC，如圖1中的BC1。

TC(Transparent clock，透明時鐘):與BC/OC相比，BC/OC需要與其它時鐘節點保持時間同步，而TC則不與其它時鐘節點保持時間同步。TC有多個PTP端口，但它只在這些端口 間轉發PTP協議報文并對其進行轉發延時校正，而不會通過任何一個端口同步時間。

TC包括 以下兩種類型:

E2ETC(End-to-End Transparent Clock，端到端透明時鐘):直接轉發網絡中非 P2P (Peer-to-Peer，點到點)類型的協議報文，并參與計算整條鏈路的延時

P2PTC(Peer-to-Peer Transparent Clock，點到點透明時鐘):只直接轉發Sync報文、Follow_Up報文和Announce報文，而終結其它PTP協議報文，并參與計算整條鏈路上每一段鏈路的延時。

如圖1所示，是上述三種基本時鐘節點在PTP域中的位置。 

圖1 基本時鐘節點示意圖

除了上述三種基本時鐘節點以外，還有一些混合時鐘節點，譬如融合了TC和OC各自特點的TC+OC:它在同一個PTP域內擁有多個PTP端口，其中一個端口為OC類型，其它端口則為TC類型。一方面，它通過TC類型的端口轉發PTP協議報文并對其進行轉發延時校正;另一方面，它通過OC類型的端口進行時間的同步。與TC的分類類似，TC+OC也包括兩種類型:E2ETC+OC和P2PTC+OC。

4．最優時鐘

如圖1所示，PTP域中所有的時鐘節點都按一定層次組織在一起，整個域的參考時間就是最優時鐘(Grandmaster Clock，GM)，即最高層次的時鐘。通過各時鐘節點間PTP協議報文的交互，最優時鐘的時間最終將被同步到整個PTP域中，因此也稱其為時鐘源。

最優時鐘可以通過手工配置靜態指定，也可以通過BMC(Best Master Clock，最佳主時鐘)協議動態選舉，動態選舉的過程如下:

各時鐘節點之間通過交互的Announce報文中所攜帶的最優時鐘優先級、時間等級、時間精度等信息，最終選出一個節點作為PTP域的最優時鐘，與此同時，各節點之間的主從關系以及各節點上的主從端口也確定了下來。通過這個過程，整個PTP域中建立起了一棵無環路、全連通，并以最優時鐘為根的生成樹。

此后，主節點會定期發送Announce報文給從節點，如果在一段時間內，從節點沒有收到主節點發來的Announce報文，便認為該主節點失效，于是重新進行最優時鐘的選擇。

5．主從關系

相較于最優時鐘，主從關系(Master-Slave)是相對而言的，對于相互同步的一對時鐘節點來說，存在如下主從關系:

發布同步時間的節點稱為主節點，而接收同步時間的節點則稱為從節點。

主節點上的時鐘稱為主時鐘，而從節點上的時鐘則稱為從時鐘。

發布同步時間的端口稱為主端口，而接收同步時間的端口則稱為從端口。

三、PTP延時處理機制

PTP同步的基本原理如下:主、從時鐘之間交互同步報文并記錄報文的收發時間，通過計算報文往返的時間差來計算主、從時鐘之間的往返總延時，如果網絡是對稱的(即兩個方向的傳輸延時相同)，則往返總延時的一半就是單向延時，這個單向延時便是主、從時鐘之間的時鐘偏差，從時鐘按照該 偏差來調整本地時間，就可以實現其與主時鐘的同步。

PTP協議定義了兩種傳播延時測量機制:請求應答(Requset_Response)機制和端延時(Peer Delay)機制，且這兩種機制都以網絡對稱為前提。

請求應答機制

請求應答方式用于端到端的延時測量。如圖2所示，其實現過程如下:

主時鐘向從時鐘發送Sync報文，并記錄發送時間t1;從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t2。

主時鐘發送Sync報文之后，緊接著發送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。

從時鐘向主時鐘發送Delay_Req報文，用于發起反向傳輸延時的計算，并記錄發送時間t3;主時鐘收到該報文后，記錄接收時間t4。

主時鐘收到Delay_Req報文之后，回復一個攜帶有t4的Delay_Resp報文。

此時，從時鐘便擁有了t1~t4這四個時間戳，由此可計算出主、從時鐘間的往返總延時為[(t2–t1)+(t4–t3)]，由于網絡是對稱的，所以主、從時鐘間的單向延時為[(t2–t1)+(t4–t3)]/2。因此，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差為:Offset=(t2–t1)-[(t2–t1)+(t4–t3)]/2=[(t2–t1)-(t4–t3)]/2。

此外，根據是否需要發送Follow_Up報文，請求應答機制又分為單步模式和雙步模式兩種:

在單步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Sync報文自己攜帶，不發送Follow_Up報文。

在雙步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Follow_Up報文攜帶。

圖2請求應答機制實現過程

端延時機制

與請求應答機制相比，端延時機制不僅對轉發延時進行扣除，還對上游鏈路的延時進行扣除。如圖3所示，其實現過程如下:

主時鐘向從時鐘發送Sync報文，并記錄發送時間t1;從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t2。

主時鐘發送Sync報文之后，緊接著發送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。

從時鐘向主時鐘發送Pdelay_Req報文，用于發起反向傳輸延時的計算，并記錄發送時間t3;主時鐘收到該報文后，記錄接收時間t4。

主時鐘收到Pdelay_Req報文之后，回復一個攜帶有t4的Pdelay_Resp報文，并記錄發送時間t5;從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t6。

主時鐘回復Pdelay_Resp報文之后，緊接著發送一個攜帶有t5的Pdelay_Resp_Follow_Up報文。

此時，從時鐘便擁有了t1～t6這六個時間戳，由此可計算出主、從時鐘間的往返總延時為[(t4–t3)+(t6–t5)]，由于網絡是對稱的，所以主、從時鐘間的單向延時為[(t4–t3)+(t6–t5)]/2。因此，從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差為:Offset =(t2–t1)-[(t4–t3)+(t6–t5)]/2。

圖3 端延時機制實現過程

此外，根據是否需要發送Follow_Up報文，端延時機制也分為單步模式和雙步模式兩種:

在單步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Sync報文自己攜帶，不發送Follow_Up報文;而t5和t4的差值由Pdelay_Resp報文攜帶，不發送Pdelay_Resp_Follow_Up報文。

在雙步模式下，Sync報文的發送時間戳t1由Follow_Up報文攜帶，而t4和t5則分別由Pdelay_Resp報文和Pdelay_Resp_Follow_Up報文攜帶。

PTP在廣播電視系統同步中應用的可行性

我們回顧一下廣播電視系統中對不同同步信號的要求：

在模擬視頻中，同步包括行同步、場同步和副載波同步（色同步）。在每一模擬視頻信息行期間都存在著行消隱期，行消隱期是由行同步信號、前肩和后肩組成的，其中行同步的時間閾值為4.7 μs +- 0.2 μs。

在數字視頻中沒有模擬同步信號。數字環境中的同步是通過特定的編碼字序列來實現的。這些編碼字序列代表著有效視頻的開始(SAV)和有效視頻的結束(EAV)。在每個編碼字序列中，都用3FF作為起始字，隨后是000、000兩個字，最后是XYZ字。在XYZ字中，包含有場序(F)、場消隱(V)和行消隱(H)信息

在數字系統設施中還包含有音頻設備。大多數的專業數字音頻系統均執行AES/EBU標準，取樣頻率為48kHz。必須確保數字音頻設備也處于同步狀態以消除時鐘漂移，這是因為，當各音頻設備間的數據失配時，可能會產生音頻雜音。為此，所有的數字音頻設備應當使用一個共同的數字音頻基準。該基準通常是一路AES/EBU信號，在某些情況下，即為48kHz字時鐘信號。

數字設備通常具有輸入信號的部分自動定時功能，它可以補償定時誤差，其范圍在30μs至150μs之間，廣泛使用的泰克同步機能夠提供可調整的視音頻之間的定時關系，其調整范圍為:在1μs期間內為+-160ms。

提供微秒級精度的時鐘系統，即可滿足廣播電視系統中各類同步的要求。

ST 2059和IEEE 1588定義的時間起點（Epoch）均為：1970-01-01T00:00:00TAI，根據規范描述，PTP精確時間同步精確到納秒級，可以提供涵蓋模擬視頻、數字視頻和AES音頻的各種同步：

圖4 PTP滿足所有視音頻系統同步要求

五.海口廣播電視臺全臺同步配置

全臺時鐘模型

根據理論和可行性分析，在系統設計之初，我們確定了將全臺母時鐘（GrandMaster Clock）部署在總控機房，主備兩臺通過最優時鐘算法自動選擇其中一臺作為全臺時鐘源，網絡傳輸PTP信號到各演播室、制作中心。模型框圖如下：

圖5 PTP全臺時鐘模型

如圖5，母時鐘到演播室從時鐘的任何節點都設置為BC（邊界時鐘）模式，每個邊界時鐘都自動計算PTP延時時間，在同一個PTP域內、一個時間點上，只有一個精確的時間同步源。因而能夠保證全臺的時鐘是一致的、同步的。

配置

借助我臺2018年開始高清數字化改造的契機，在招標開始之前，我們已經了解到，生產同步信號發生器的老牌廠商泰克公司和利達公司都已經推出帶PTP精確時鐘輸出的同步機，使得我們通過公開招標可以購買到合適的、基于PTP時鐘的全臺同步部署成為現實。下面的功能性描述，這兩個廠商的產品都具備。

具有PTP接口的高精確度多格式視頻同步信號發生器，通常提供了多個視頻基準信號，如黑場、HD三電平同步及串行數字和復合模擬測試碼型，另外還提供了時間基準信號，如LTC、NTP (網絡時間協議)和IEEE1588 PTP (精確時間協議)。

PTP同步計能夠接收GPS信號和GLONASS信號，解碼GPS/GLONASS提供最優時鐘，并且將各類同步信號統一到一個同步源，同時為黑場、NTP、48KHz字時鐘和PTP提供最優同步信號源。

PTP輸出支持RJ45電口和SFP光口輸出，以太網傳輸協議，因而通過網線或光纖，較大系統時使用交換機組網連接，即可將以前視為復雜的全臺同步系統建立起來。

圖6 全臺同步部署示意圖

招標的結果是：在不同的項目分包中，分別購買到泰克公司的SPG8000A同步信號發生器和利達公司的LT4610同步信號發生器，這兩款產品均具有PTP同步輸入輸出。在實際部署時，我們將兩臺SPG8000A作為主備同步機安裝在總控機房，110平米演播室、80平米演播室安裝了LT4610同步機，而且演播室同步采取老的二選一自動倒換的方式，防止一但PTP同步未能鎖定，及時倒換到本地同步，也就是說演播室的同步系統既自成一系，又能與全臺同步。總控機房、分控機房、各演播室通過華為支持PTP的交換機S6720互聯，兩臺S6720為主備配置，實現PTP網絡鏈路備份。

近期，我們逐步將演播室調音臺擴展Dante兼容AES67的音頻接口，我們將視頻網絡系統中的ST2110-30音頻接入到AES67網絡，也將電臺網絡中的Dante音頻連接到演播室，從而也實現了ST2110-30、Dante都能在AES67音頻網絡中傳輸，并能被調音臺識別。在連接過程中，我們發現PTP同步同樣能滿足AES67音頻網絡對同步的要求。在項目完成并運行至今已半年時間，我們發現各演播室的PTP同步一但鎖定，只要當天演播室的同步機沒有關機，即使PTP同步失鎖，也不會影響到演播室的同步。

最終，全部的視音頻系統都統一到一個時鐘源，實現了全臺時鐘同步。

結語

有了PTP精確時鐘同步，在廣播電視系統中可以將以前必須建設的多套同步系統統一到一個精確的時間源，提供時鐘和時間基準，適配合適的SDI基帶傳輸系統，即可減少系統之間信號傳輸的幀同步器，節省了投資，也為全臺信號管理奠定堅實基礎；也可以將制作系統、非編系統、媒資系統、播出系統、控制系統及管理系統，統一到精準而唯一的時間，有助改善工作流、提高效率。