Forskare vid SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut har tillsammans med InformAsic utvecklat ett helt nytt sätt att överföra mycket precisa tidsangivelser genom fiberoptiska länkar. Med den nya lösningen skapas alternativ till den GPS-teknik som idag dominerar marknaden inte bara för navigering utan också för noggrann tidssynkronisering. Nyligen genomförda tester i såväl laboratorie- som verklig miljö (Giga Sunet) visar att fastställda krav uppnåtts och konfirmerats.

GPS är sårbart

De system som idag använder GPS för navigering eller tidsangivelser är sårbara då GPS-signalerna är relativt svaga och därmed känsliga för störsändare av olika slag. Samtidigt kräver alltfler avancerade databaserade system synkronisering och därmed ökat behov av exakta tidsangivelser. Exempel är bl a telekomoperatörerna som måste kunna erbjuda hög kvalitetet vid överföring av röst, video, data, spel etc i realtid. Finansiella institutioner kräver också exakta tidsangivelser för exempelvis transaktioner i samband med valutahandel.

Ny lösning kan använda befintliga nätverk

Genom att integrera den nya lösningen i ett fiberoptiskt nätverk erhålls ett alternativ till tidsangivelser via GPS. Det innebär i sin tur en mindre störningskänslig miljö både för industri och samhälle. Tidigare försök med tidsöverföring via fiberkablar har gjorts genom att använda dedicerade ledningar. Dessa lösningar kräver extra utrustning vid sändaren, vilket kräver extra kapacitet och både installation och drift får därmed ökade kostnader, något som i sin tur hindrar en bredare implementering. Den nya lösningen kan istället utnyttja den data som redan håller på att överföras i nätverken. Tekniken kan användas i nätverk baserade på godtyckligt protokoll, men implementationen är gjord för SDH/SONET, vilka är de standarder som används i Europa och USA vid kommunikation över fiberoptik. Med den nya speciellt utvecklade höghastighetsenheten ”Header Recognizer” kan en viss känd position i SDH/SONET- protokollet detekteras och därefter användas som referens för tidsangivelser.

Tekniska utmaningar

Utvecklingen av höghastighetsenheten innebar flera tekniska utmaningar. Först måste den exakta tidpunkten för när en specifik sekvens har anlänt kunna fastställas. Detta måste ske genom att analysera inkommande data i en hastighet av 10 [Gbit/s] och finna mönstret som just den definierade sekvensen har. Därefter skall en signal genereras och skickas vidare med 10 [Gbit/s] i exakt rätt tidslucka. Ytterligare krav är att utsignalen måste vara på 500 millivolt peak-to-peak [mV p-p] med mindre än 25 picosekunders [ps] stigtid och med ett maximalt jitter på 10 [ps]. Kombinationen av dessa krav medförde att inga idag på marknaden tillgängliga standard-kretsar/komponenter kunde användas. För att få en bild hur litet 10 [ps] är kan nämnas att den tid det tar för ljuset att förflyttas 3 [mm] tar just 10 [ps]. Som jämförelse rör sig ljuset runt jorden hela 7,5 varv på en enda sekund.

Utvecklat egen lösning

För att klara kraven och utmaningarna utvecklade InformAsic därför en egen lösning bestående av demux och mux från Vitesse och en Stratix II FPGA från Altera i mitten. Först delas 10 [Gbit/s] signalen upp i 16 parallella signaler à 622 [Mbit/s]. Dessa tas sedan in i FPGA:n, vilken letar efter den önskade sekvensen. När den är funnen skapar FPGA:n en 20 nanosekunder [ns] lång signal som skickas vidare med extremt hög precision till tidsräknaren.

Små temperaturskillnader skapade fördröjningar

Under arbetet upptäckte utvecklingsteamet att en av konsekvenserna med den höga överförings-hastigheten var att även en minimal förändring i temperaturen skapade fördröjningar som ledde till att de tuffa kraven på precision inte kunde nås. Detta löstes genom att använda klockor på ett innovativt sätt. Den nya lösningen inkluderar totalt sju olika klockor som är genererade av ”phase locked loops” (PLL), varav två interna PLL i FPGA:n används för att skapa en fördefinierad tidsfördröjning för att synkronisera alla signalerna.