Sygnał PPS (, także 1PPS) – precyzyjny sygnał elektryczny powtarzający się raz na sekundę, używany w systemach pomiarowych i synchronizacji czasu do wyznaczania początku kolejnych sekund skali czasu odniesienia. Istotą PPS nie jest szerokość impulsu, lecz jednoznacznie zdefiniowana krawędź sygnału – zwykle narastająca albo opadająca – której chwila wystąpienia może zostać bardzo dokładnie oznaczona przez odbiornik.

Sygnał PPS sam w sobie nie przenosi pełnej informacji o dacie i czasie. Wyznacza tylko moment wystąpienia kolejnej sekundy, dlatego w praktyce jest zwykle łączony z innym kanałem przekazującym pełny czas, na przykład z kodem czasu odbiornika GPS, radiowym wzorcem czasu, serwerem NTP albo innym protokołem synchronizacji sieciowej. Takie rozdzielenie pozwala użyć bardzo dokładnego impulsu do dyscyplinowania lokalnego zegara, a wolniejszego lub mniej precyzyjnego kanału do numerowania sekund.

Źródła sygnału Sygnały PPS są generowane przez urządzenia dysponujące stabilnym wzorcem czasu lub częstotliwości. Typowe źródła obejmują odbiorniki GNSS, radiowe wzorce czasu, wzorce częstotliwości, precyzyjne oscylatory oraz zegary atomowe. W specyfikacji ICD-GPS-060B sygnał 1PPS jest jednym z elementów interfejsu PTTI (), w którym zbocze narastające impulsu wskazuje przełom sekundy, a kod BCD służy do identyfikacji czasu UTC i dnia roku.

W praktycznym systemie źródło PPS i informacja o pełnym czasie mogą pochodzić z tego samego urządzenia, na przykład z odbiornika GPS udostępniającego jednocześnie wyjście impulsowe i komunikaty czasu przez port szeregowy. Mogą też pochodzić z różnych źródeł, jeśli system potrafi powiązać krawędź impulsu z właściwą sekundą skali czasu. W zegarach sterowanych radiowo pełna informacja o czasie może być nadawana wolnym kodem czasu; na przykład (amerykańska radiostacja czasu) przesyła bity kodu czasu z szybkością 1 bit/s, a pełny komunikat o dacie i czasie trwa jedną minutę. Pokazuje to różnicę między pełnym kodem czasu, który identyfikuje datę i sekundę, a sygnałem PPS, który dostarcza przede wszystkim precyzyjnego znacznika granicy sekundy.

Reprezentacja fizyczna PPS jest zwykle krótkim impulsem logicznym o szerokości mniejszej niż jedna sekunda. Spotykane są wyjścia TTL/CMOS oraz wyjścia przeznaczone do pracy z określonym obciążeniem lub linią transmisyjną, na przykład 50 Ω. W dłuższych połączeniach istotne stają się poziomy sygnału, obciążenie wyjścia i opóźnienie kabla. Dla dokładnego transferu czasu ważna jest nie tyle długość impulsu, ile stabilny punkt odniesienia na jego krawędzi, na przykład przejście przez określony poziom napięcia.

Dokładność użyteczna sygnału PPS zależy od źródła, toru transmisyjnego i odbiornika. Opóźnienie kabla, straty i zniekształcenia sygnału w torze transmisyjnym, poziom progowy wejścia, jitter sterownika oraz opóźnienia systemu przechwytującego krawędź mogą przesunąć zarejestrowaną chwilę impulsu. Przy wymaganiach submikrosekundowych lub nanosekundowych opóźnienia te trzeba kalibrować albo przynajmniej konsekwentnie uwzględniać w bilansie niepewności.

Zastosowanie Sygnały PPS są wykorzystywane tam, gdzie potrzebna jest bardzo dokładna granica sekundy: w laboratoriach czasu i częstotliwości, aparaturze pomiarowej, odbiornikach GNSS, rejestratorach danych, systemach znacznikowania czasu, serwerach czasu oraz urządzeniach sieciowych. PPS może służyć jako sygnał dyscyplinujący lokalny zegar komputera albo jako niezależne odniesienie do kontroli opóźnień i poprawności znaczników czasu.

W systemach komputerowych typowym zastosowaniem jest połączenie impulsu PPS z oprogramowaniem synchronizującym czas. Program lub jądro systemu otrzymuje informację o chwili nadejścia krawędzi, porównuje ją z lokalnym zegarem i koryguje częstotliwość lub przesunięcie zegara systemowego. Ponieważ PPS nie numeruje sekund, do poprawnej pracy potrzebne jest również źródło daty i czasu, na przykład komunikaty zgodne ze standardem NMEA 0183 z odbiornika GPS albo serwer NTP.

Interfejsy i obsługa systemowa PPS może być doprowadzony do komputera lub urządzenia pomiarowego wieloma drogami. Historycznie często używano linii sterujących portu szeregowego, takich jak (), a w systemach wbudowanych powszechne są wejścia GPIO lub dedykowane wejścia przechwytywania czasu. Wspólna pozostaje zasada, że przechwycenie krawędzi powinno nastąpić możliwie blisko sprzętu, aby zminimalizować zmienne opóźnienia oprogramowania użytkownika.

W systemach uniksopodobnych przykładem ujednoliconego podejścia jest opisane w dokumencie informacyjnym IETF RFC 2783 API PPS. Definiuje ono sposób udostępniania programom znaczników czasu powiązanych z krawędziami sygnału, informacji o użytej krawędzi oraz mechanizmów wiązania źródła PPS z urządzeniem systemowym. W Linuksie podobną warstwę stanowi LinuxPPS, która pozwala sterownikom przekazywać zdarzenia PPS do jądra i aplikacji synchronizacyjnych.

Rozwiązania oparte na USB mogą być wygodne, ale zwykle są mniej przewidywalne czasowo niż bezpośrednie wejście sprzętowe. Dodatkowe opóźnienia wprowadza adapter USB, stos magistrali, harmonogram hosta i sterownik systemowy. Dlatego w zastosowaniach wymagających bardzo wysokiej precyzji preferuje się bezpośrednie wejścia sprzętowe albo interfejsy, których opóźnienia są dobrze zmierzone i stabilne.

Dokładność i kalibracja Dokładność deklarowana przez źródło PPS nie jest tym samym, co dokładność zarejestrowana przez odbiornik. Odbiornik GPS może generować krawędź impulsu blisko granicy sekundy swojej skali czasu, ale kabel, układy pośredniczące i mechanizm przechwytywania zdarzenia wprowadzają własne opóźnienia. W pomiarach, w których liczą się nanosekundy lub dziesiątki nanosekund, opóźnienie toru PPS mierzy się i odejmuje od wyników albo traktuje jako składnik niepewności.

Stabilność PPS zależy też od jakości oscylatora lokalnego między kolejnymi impulsami. PPS dostarcza odniesienia dla granic sekund, ale zegar systemowy nadal musi płynnie odmierzać czas pomiędzy nimi. Oprogramowanie dyscyplinujące zegar, takie jak mechanizmy NTP współpracujące z PPS, wykorzystuje serię impulsów do ograniczania i jitteru, a nie tylko do jednorazowego ustawienia czasu.

Relacja do innych metod synchronizacji PPS jest sygnałem fizycznym, a nie pełnym protokołem czasu. Różni się więc od NTP lub PTP, które przenoszą komunikaty przez sieć i zawierają informację potrzebną do ustalenia czasu oraz opóźnień komunikacji. PPS może jednak współpracować z takimi protokołami jako bardzo dokładny lokalny znacznik początku sekundy, szczególnie w serwerach czasu i urządzeniach granicznych między źródłem GNSS a siecią.

W porównaniu z kodami czasu, takimi jak IRIG-B albo wolne kody radiowe, PPS jest prostszy i bardziej jednoznaczny czasowo, ale nie zawiera numeru sekundy, daty ani informacji o strefie czasu. Z tego powodu w instalacjach pomiarowych sygnał PPS jest często traktowany jako precyzyjna warstwa impulsowa, a pełny kod czasu jako warstwa identyfikująca, która sekunda właśnie została oznaczona.

Zobacz też Network Time Protocol Precision Time Protocol Global Positioning System GNSS GPSDO zegar atomowy NMEA 0183

Przypisy

Kategoria:Metrologia Kategoria:Czas