Wie Nanosekunden-Synchronisation im DAQ-System erreicht wird

In der Audio- und NVH-Prüfung ist es oft schwieriger, Signale zeitlich exakt auszurichten, als die Kanalanzahl oder Auflösung zu erhöhen.

Bei einem einzelnen Chassis ist die Synchronisation von mehreren Dutzend oder sogar hundert Kanälen heute keine große Herausforderung mehr. Wirklich problematisch wird es, wenn mehrere Erfassungs-Chassis über verschiedene Standorte verteilt und über ein Netzwerk verbunden sind, aber dennoch eine Synchronisation im Nanosekunden- oder zumindest Submikrosekunden-Bereich einhalten sollen. Andernfalls leiden hochentwickelte Analysen wie die Rekonstruktion des Schallfelds im Fahrzeug, Array-Beamforming und -Lokalisierung oder strukturelle Modalanalyse alle unter nicht ausgerichteten Zeitachsen.

Eines der zentralen Designziele von SonoDAQ ist es, diese Art der Synchronisation mehrerer Geräte mühelos wirken zu lassen: Netzwerkkabel einstecken und das System den Rest erledigen lassen, sodass sich viele Einheiten wie ein einziges Messinstrument verhalten. Der entscheidende Enabler dahinter ist eine sorgfältig entwickelte Timing-Architektur auf Basis von PTP und GPS.

Warum ist die Synchronisation mehrerer Geräte so schwierig?

In traditionellen Architekturen wird die Synchronisation mehrerer Geräte typischerweise auf einige wenige Arten umgesetzt:

• Verlassen auf die Betriebssystemuhr plus softwarebasierte Ausrichtung
• Verwendung eines Geräts als Takt- oder Triggerquelle und Konfiguration aller anderen Geräte als Slaves
• Einsatz eines einfachen Netzwerkzeitprotokolls wie NTP

Diese Techniken sind gerade noch akzeptabel, wenn die Anforderungen an die Synchronisation im Bereich von einigen Dutzend Millisekunden oder wenigen Millisekunden liegen. Wenn Sie jedoch in den Mikrosekunden- oder sogar Nanosekundenbereich vorstoßen, treten mehrere grundlegende Probleme auf:

• Unkontrolliertes OS-Jitter: Task-Scheduling, Caching und Treiberlatenzen lassen die scheinbare Systemzeit wandern.
• Netzwerklatenz und Jitter: Unterschiedliche Pfade und Switches führen zu variablen Verzögerungen, die sich allein in Software nur schwer vollständig kompensieren lassen.
• Langzeitdrift: Selbst wenn die Geräte beim Start grob ausgerichtet sind, führt jeder kleine Frequenzfehler in den lokalen Oszillatoren dazu, dass sich ihre Zeitbasen über Dutzende von Minuten oder Stunden langsam auseinanderentwickeln.

Der Ansatz von SonoDAQ besteht darin, jede zeitkritische Aktion an eine gemeinsame Hardware-Zeitbasis zu koppeln, anstatt sich auf die Zeitauffassung des Betriebssystems zu verlassen.

Von Netzwerkzeit zu Hardware-Zeit: PTP + PHC

Der erste Schritt besteht darin sicherzustellen, dass jede SonoDAQ-Einheit dieselbe absolute Zeit verwendet.

(1) PTP / GPS als übergeordnete Taktquelle

SonoDAQ kann eine einheitliche UTC-Referenz entweder über IEEE 1588 PTP im Netzwerk oder von einem externen GPS-Empfänger beziehen. Diese Referenz wird zunächst in die integrierte PTP-Hardware-Uhr (PHC) als lokale Zeitbasis eingespeist. Mit anderen Worten: PTP/GPS liefert die Weltzeitnorm, während die PHC eine lokale Kopie dieser Weltzeit innerhalb jedes Erfassungs-Chassis darstellt.

(2) Regelkreis mit Korrektur alle 1/128 s

Eine einmalige Ausrichtung beim Start reicht nicht aus. SonoDAQ vergleicht jede lokale PHC kontinuierlich in einem Intervall von 1/128 s mit der Referenzuhr:

• Es bewertet sowohl Phasen- als auch Frequenzfehler zum aktuellen Zeitpunkt.
• Es wendet kleine, inkrementelle Korrekturen auf die PHC an und vermeidet so große Sprünge;
• Über lange Betriebszeiten unterdrückt dieser geschlossene Regelkreis fortlaufend Fehler, die durch Temperaturdrift und Alterung des Kristalls entstehen.

Dadurch folgt die PHC jedes SonoDAQ der PTP/GPS-Referenz sehr genau und driftet nicht unbemerkt mit der Zeit ab. An diesem Punkt wurden alle Geräte auf dieselbe Hardware-Zeitbasis im Nanosekundenbereich gebracht - dies ist die absolute Timing-Grundlage für alle nachfolgenden Synchronisationsmechanismen.

PLL + 10 PPS: Überführung der einheitlichen Zeit in jedes FPGA

Ist eine gemeinsame PHC etabliert, muss sie noch in ein greifbares Hardwaresignal umgesetzt werden, das jedes FPGA "spüren" kann.

Von PHC / 1 PPS zu 10 PPS

PTP / GPS stellt üblicherweise ein 1-PPS-Signal (ein Impuls pro Sekunde) zur Verfügung. Bei SonoDAQ wird dieses 1-PPS-Signal durch eine integrierte PLL neu geformt und vervielfacht, um einen stabilen 10-PPS-Impuls zu erzeugen, der anschließend an jedes FPGA verteilt wird.

Nanosekunden über mehrere Chassis hinweg: Vorteile einer einheitlichen Zeitbasis

Mit dieser mehrschichtigen Timing-Architektur kann SonoDAQ eine Synchronisation im Nanosekundenbereich innerhalb eines einzelnen Chassis und eine Synchronisation im Submikrosekundenbereich über mehrere Chassis hinweg bereitstellen, sofern ein geeignetes PTP-/GPS-Referenzsignal und eine passende Netzwerktopologie eingesetzt werden.

Für Testingenieure übersetzen sich diese Details letztlich in sehr greifbare Möglichkeiten:

• NVH-Gesamtfahrzeugtests: Innen- und Außenmikrofone sowie Schwingungssensoren können synchron mit Drehzahl-, Drehmoment- und Wellenwinkelsignalen erfasst werden, was eine zuverlässigere Ordnungsanalyse und Transferpfadanalyse ermöglicht.
• Mehrpunkt-Strukturmodalanalyse: Mehrere über eine große Struktur verteilte Chassis können Anregung und Antworten mit präzisen zeitlichen Beziehungen erfassen, was die Extraktion höherer Moden und die Dämpfungsabschätzung robuster macht.
• End-to-End-Verzögerungsmessungen: Ein einheitlicher Zeitstempel ermöglicht es, die tatsächliche Latenz vom Stimulus-Ausgang bis zum Response-Eingang zu messen und dadurch komplexe Audiosignalketten besser abzustimmen und zu kompensieren.

Engineering-Erlebnis: Ein transparentes Hochpräzisions-Timing-System

Auch wenn wir gerade eine ganze Menge PTP-, PHC- und 10-PPS-Technik betrachtet haben, müssen sich Ingenieure in der Praxis um all das nicht kümmern - SonoDAQ übernimmt dies automatisch.

Wenn Sie im Software-Frontend Daten aus mehreren SonoDAQ-Einheiten auf dasselbe Diagramm ziehen, sehen Sie bereits eine einzige, nahtlos ausgerichtete Zeitachse. Genau das verstehen wir unter einer Synchronisation im Nanosekundenbereich für die praxisgerechte Datenerfassung.

Dies ist die ursprüngliche Designintention hinter SonoDAQ: die Timing-Infrastruktur bis an die Grenze auszureizen, damit sich Ingenieure vollständig auf Teststrategien und Datenanalyse konzentrieren können.

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