【摘要】 本文阐述了精确时间协议规范(PTP)的原理，结合同步信号IP传输的特点和我台同步部署案例，探讨在全台建立统一同步的可能性和合理性。
【关键词】 精确时间协议(PTP) 时钟 时间
一、引言
无论模拟还是数字时代，同步信号在广播电视系统中至为关键，BB黑场信号包括了相位和频率同步，是系统定时和信号干净切换的保证。很多广播电视用户在建设新大楼系统时，总是希望能找到一种方法论证全台同步的可行性：当全台时钟和时间统一到一个基准，可减少不同系统间信号传输中帧同步器的使用，节约投资；更能将全台时间统一到一个精确的时钟源，优化工作流程，少发生错误。我台播总控机房在三楼，制作技术部的演播室分布在二楼、一楼、负一楼，演播室到播总控机房，布线长度最长的超过250米，最短的的也超过100米，由于模拟信号受传输距离的限制，在全台完整建立一套同步系统的想法很难实现。
随着IT技术的广泛应用，广电人开始探讨将基带SDI信号通过IP网络传输，2017年9月发表的ST 2110吸收了ST 2059作为系统中的精确时间协议（PTP）和规范。
ST 2059包括ST 2059-1和ST 2059-2两个规范，ST 2059-1描述了时间的起点（Epoch：1970-01-01T00:00:00TAI），视频同步信号、音频同步信号要求，及符合ST 12-1规范的时码生成。本文所述的ST 2059规范，是包括上面两个规范的统称。
二、PTP精确时间同步概念
IP网络中许多业务的正常运行都要求网络时钟同步，即整个网络各设备之间的时间或频率差保持在合理的误差水平内。国际电联组织发表的IEEE 1588规范（2008年更新为IEEE 1588 V2，下文所述的IEEE 1588规范，指的是IEEE 1588 V2规范），描述了在网络中的精确时间协议（Precision Timing Protocol，简称PTP）要求。
PTP域
我们将应用了PTP协议的网络称为PTP域。PTP域内有且只有一个同步时钟，域内的所有设备都 与该时钟保持同步。
PTP端口
我们将设备上运行了PTP协议的端口称为PTP端口。如图1所示，PTP端口的角色可分为以下三种:
主端口(Master Port):发布同步时间的端口，可存在于BC或OC上。
从端口(Slave Port):接收同步时间的端口，可存在于BC或OC上。
被动端口(Passive Port):既不接收同步时间、也不对外发布同步时间的端口，只存在于BC 上。
时钟节点
PTP 域中的节点称为时钟节点，PTP协议定义了以下三种类型的基本时钟节点:
OC(Ordinary Clock，普通时钟):该时钟节点在同一个PTP域内只有一个PTP端口参与时间同步，并通过该端口从上游时钟节点同步时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以只通过一个PTP端口向下游时钟节点发布时间，我们也称其为OC。
BC(Boundary Clock，边界时钟):该时钟节点在同一个PTP域内拥有多个PTP端口参与时 间同步。它通过其中一个端口从上游时钟节点同步时间，并通过其余端口向下游时钟节点发 布时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以通过多个PTP端口向下游时钟节点发布时间的， 我们也称其为BC，如图1中的BC1。
TC(Transparent clock，透明时钟):与BC/OC相比，BC/OC需要与其它时钟节点保持时间同步，而TC则不与其它时钟节点保持时间同步。TC有多个PTP端口，但它只在这些端口 间转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正，而不会通过任何一个端口同步时间。
TC包括 以下两种类型:
E2ETC(End-to-End Transparent Clock，端到端透明时钟):直接转发网络中非 P2P (Peer-to-Peer，点到点)类型的协议报文，并参与计算整条链路的延时
P2PTC(Peer-to-Peer Transparent Clock，点到点透明时钟):只直接转发Sync报文、Follow_Up报文和Announce报文，而终结其它PTP协议报文，并参与计算整条链路上每一段链路的延时。
如图1所示，是上述三种基本时钟节点在PTP域中的位置。
图1 基本时钟节点示意图
除了上述三种基本时钟节点以外，还有一些混合时钟节点，譬如融合了TC和OC各自特点的TC+OC:它在同一个PTP域内拥有多个PTP端口，其中一个端口为OC类型，其它端口则为TC类型。一方面，它通过TC类型的端口转发PTP协议报文并对其进行转发延时校正;另一方面，它通过OC类型的端口进行时间的同步。与TC的分类类似，TC+OC也包括两种类型:E2ETC+OC和P2PTC+OC。
4．最优时钟
如图1所示，PTP域中所有的时钟节点都按一定层次组织在一起，整个域的参考时间就是最优时钟(Grandmaster Clock，GM)，即最高层次的时钟。通过各时钟节点间PTP协议报文的交互，最优时钟的时间最终将被同步到整个PTP域中，因此也称其为时钟源。
最优时钟可以通过手工配置静态指定，也可以通过BMC(Best Master Clock，最佳主时钟)协议动态选举，动态选举的过程如下:
各时钟节点之间通过交互的Announce报文中所携带的最优时钟优先级、时间等级、时间精度等信息，最终选出一个节点作为PTP域的最优时钟，与此同时，各节点之间的主从关系以及各节点上的主从端口也确定了下来。通过这个过程，整个PTP域中建立起了一棵无环路、全连通，并以最优时钟为根的生成树。
此后，主节点会定期发送Announce报文给从节点，如果在一段时间内，从节点没有收到主节点发来的Announce报文，便认为该主节点失效，于是重新进行最优时钟的选择。
5．主从关系
相较于最优时钟，主从关系(Master-Slave)是相对而言的，对于相互同步的一对时钟节点来说，存在如下主从关系:
发布同步时间的节点称为主节点，而接收同步时间的节点则称为从节点。
主节点上的时钟称为主时钟，而从节点上的时钟则称为从时钟。
发布同步时间的端口称为主端口，而接收同步时间的端口则称为从端口。
三、PTP延时处理机制
PTP同步的基本原理如下:主、从时钟之间交互同步报文并记录报文的收发时间，通过计算报文往返的时间差来计算主、从时钟之间的往返总延时，如果网络是对称的(即两个方向的传输延时相同)，则往返总延时的一半就是单向延时，这个单向延时便是主、从时钟之间的时钟偏差，从时钟按照该 偏差来调整本地时间，就可以实现其与主时钟的同步。
PTP协议定义了两种传播延时测量机制:请求应答(Requset_Response)机制和端延时(Peer Delay)机制，且这两种机制都以网络对称为前提。
请求应答机制
请求应答方式用于端到端的延时测量。如图2所示，其实现过程如下:
主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1;从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。
主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。
从时钟向主时钟发送Delay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并记录发送时间t3;主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。
主时钟收到Delay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Delay_Resp报文。
此时，从时钟便拥有了t1~t4这四个时间戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为[(t2–t1)+(t4–t3)]，由于网络是对称的，所以主、从时钟间的单向延时为[(t2–t1)+(t4–t3)]/2。因此，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为:Offset=(t2–t1)-[(t2–t1)+(t4–t3)]/2=[(t2–t1)-(t4–t3)]/2。
此外，根据是否需要发送Follow_Up报文，请求应答机制又分为单步模式和双步模式两种:
在单步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Sync报文自己携带，不发送Follow_Up报文。
在双步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Follow_Up报文携带。
图2请求应答机制实现过程
端延时机制
与请求应答机制相比，端延时机制不仅对转发延时进行扣除，还对上游链路的延时进行扣除。如图3所示，其实现过程如下:
主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1;从时钟收到该报文后，记录接收时间t2。
主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文。
从时钟向主时钟发送Pdelay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并记录发送时间t3;主时钟收到该报文后，记录接收时间t4。
主时钟收到Pdelay_Req报文之后，回复一个携带有t4的Pdelay_Resp报文，并记录发送时间t5;从时钟收到该报文后，记录接收时间t6。
主时钟回复Pdelay_Resp报文之后，紧接着发送一个携带有t5的Pdelay_Resp_Follow_Up报文。
此时，从时钟便拥有了t1～t6这六个时间戳，由此可计算出主、从时钟间的往返总延时为[(t4–t3)+(t6–t5)]，由于网络是对称的，所以主、从时钟间的单向延时为[(t4–t3)+(t6–t5)]/2。因此，从时钟相对于主时钟的时钟偏差为:Offset =(t2–t1)-[(t4–t3)+(t6–t5)]/2。
图3 端延时机制实现过程
此外，根据是否需要发送Follow_Up报文，端延时机制也分为单步模式和双步模式两种:
在单步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Sync报文自己携带，不发送Follow_Up报文;而t5和t4的差值由Pdelay_Resp报文携带，不发送Pdelay_Resp_Follow_Up报文。
在双步模式下，Sync报文的发送时间戳t1由Follow_Up报文携带，而t4和t5则分别由Pdelay_Resp报文和Pdelay_Resp_Follow_Up报文携带。
PTP在广播电视系统同步中应用的可行性
我们回顾一下广播电视系统中对不同同步信号的要求：
在模拟视频中，同步包括行同步、场同步和副载波同步（色同步）。在每一模拟视频信息行期间都存在着行消隐期，行消隐期是由行同步信号、前肩和后肩组成的，其中行同步的时间阈值为4.7 μs +- 0.2 μs。
在数字视频中没有模拟同步信号。数字环境中的同步是通过特定的编码字序列来实现的。这些编码字序列代表着有效视频的开始(SAV)和有效视频的结束(EAV)。在每个编码字序列中，都用3FF作为起始字，随后是000、000两个字，最后是XYZ字。在XYZ字中，包含有场序(F)、场消隐(V)和行消隐(H)信息
在数字系统设施中还包含有音频设备。大多数的专业数字音频系统均执行AES/EBU标准，取样频率为48kHz。必须确保数字音频设备也处于同步状态以消除时钟漂移，这是因为，当各音频设备间的数据失配时，可能会产生音频杂音。为此，所有的数字音频设备应当使用一个共同的数字音频基准。该基准通常是一路AES/EBU信号，在某些情况下，即为48kHz字时钟信号。
数字设备通常具有输入信号的部分自动定时功能，它可以补偿定时误差，其范围在30μs至150μs之间，广泛使用的泰克同步机能够提供可调整的视音频之间的定时关系，其调整范围为:在1μs期间内为+-160ms。
提供微秒级精度的时钟系统，即可满足广播电视系统中各类同步的要求。
ST 2059和IEEE 1588定义的时间起点（Epoch）均为：1970-01-01T00:00:00TAI，根据规范描述，PTP精确时间同步精确到纳秒级，可以提供涵盖模拟视频、数字视频和AES音频的各种同步：
图4 PTP满足所有视音频系统同步要求
五.海口广播电视台全台同步配置
全台时钟模型
根据理论和可行性分析，在系统设计之初，我们确定了将全台母时钟（GrandMaster Clock）部署在总控机房，主备两台通过最优时钟算法自动选择其中一台作为全台时钟源，网络传输PTP信号到各演播室、制作中心。模型框图如下：
图5 PTP全台时钟模型
如图5，母时钟到演播室从时钟的任何节点都设置为BC（边界时钟）模式，每个边界时钟都自动计算PTP延时时间，在同一个PTP域内、一个时间点上，只有一个精确的时间同步源。因而能够保证全台的时钟是一致的、同步的。
配置
借助我台2018年开始高清数字化改造的契机，在招标开始之前，我们已经了解到，生产同步信号发生器的老牌厂商泰克公司和利达公司都已经推出带PTP精确时钟输出的同步机，使得我们通过公开招标可以购买到合适的、基于PTP时钟的全台同步部署成为现实。下面的功能性描述，这两个厂商的产品都具备。
具有PTP接口的高精确度多格式视频同步信号发生器，通常提供了多个视频基准信号，如黑场、HD三电平同步及串行数字和复合模拟测试码型，另外还提供了时间基准信号，如LTC、NTP (网络时间协议)和IEEE1588 PTP (精确时间协议)。
PTP同步计能够接收GPS信号和GLONASS信号，解码GPS/GLONASS提供最优时钟，并且将各类同步信号统一到一个同步源，同时为黑场、NTP、48KHz字时钟和PTP提供最优同步信号源。
PTP输出支持RJ45电口和SFP光口输出，以太网传输协议，因而通过网线或光纤，较大系统时使用交换机组网连接，即可将以前视为复杂的全台同步系统建立起来。
图6 全台同步部署示意图
招标的结果是：在不同的项目分包中，分别购买到泰克公司的SPG8000A同步信号发生器和利达公司的LT4610同步信号发生器，这两款产品均具有PTP同步输入输出。在实际部署时，我们将两台SPG8000A作为主备同步机安装在总控机房，110平米演播室、80平米演播室安装了LT4610同步机，而且演播室同步采取老的二选一自动倒换的方式，防止一但PTP同步未能锁定，及时倒换到本地同步，也就是说演播室的同步系统既自成一系，又能与全台同步。总控机房、分控机房、各演播室通过华为支持PTP的交换机S6720互联，两台S6720为主备配置，实现PTP网络链路备份。
近期，我们逐步将演播室调音台扩展Dante兼容AES67的音频接口，我们将视频网络系统中的ST2110-30音频接入到AES67网络，也将电台网络中的Dante音频连接到演播室，从而也实现了ST2110-30、Dante都能在AES67音频网络中传输，并能被调音台识别。在连接过程中，我们发现PTP同步同样能满足AES67音频网络对同步的要求。在项目完成并运行至今已半年时间，我们发现各演播室的PTP同步一但锁定，只要当天演播室的同步机没有关机，即使PTP同步失锁，也不会影响到演播室的同步。
最终，全部的视音频系统都统一到一个时钟源，实现了全台时钟同步。
结语
有了PTP精确时钟同步，在广播电视系统中可以将以前必须建设的多套同步系统统一到一个精确的时间源，提供时钟和时间基准，适配合适的SDI基带传输系统，即可减少系统之间信号传输的帧同步器，节省了投资，也为全台信号管理奠定坚实基础；也可以将制作系统、非编系统、媒资系统、播出系统、控制系统及管理系统，统一到精准而唯一的时间，有助改善工作流、提高效率。