ナノ秒レベルのDAQ同期をどのように実現しているか

オーディオおよびNVH試験では、時間軸上で信号をそろえ続けることは、チャンネル数や分解能を増やすこと以上に難しい場合がよくあります.

単一シャーシであれば、数十チャネル規模の同期も、もはや大きな課題ではありません. 本当に厄介なのは、複数の収録シャーシが異なる場所に分散配置され、ネットワークで接続されていながら、それでもナノ秒レベル――少なくともサブマイクロ秒レベル――の同期を維持することが求められる場合です. そうでなければ、車室内音場再構成、アレイビームフォーミングと音源定位、構造物のモーダル試験といった高度な解析は、時間軸のずれによってすべて性能が損なわれてしまいます.

SonoDAQのコア設計目標の一つは、この種のマルチデバイス同期をユーザーにとって「手間いらず」にすることです.ネットワークケーブルを接続すれば、あとはシステムが自動的に処理し、多数のユニットが単一の計測器のように動作することを目指しています. その裏側を支えている鍵は、PTPとGPSを中心に綿密に設計されたタイミングアーキテクチャです.

なぜマルチデバイス同期はそれほど難しいのか?

従来のアーキテクチャでは、マルチデバイスの同期は通常、次のような方法で行われます:

• Operating System(OS)のクロックに依存し、ソフトウェアで時間合わせを行う
• あるデバイスからクロックまたはトリガを出力し、他のすべてのデバイスをスレーブとして構成する
• NTPのような単純なネットワーク時刻同期プロトコルを適用する

これらの手法でも、同期要求が数十ミリ秒から数ミリ秒程度であれば、かろうじて許容できます. しかし、マイクロ秒、さらにはナノ秒領域に踏み込むと、いくつもの根本的な問題が表面化します:

• 制御不能なOSジッタ:タスクスケジューリング、キャッシング、ドライバ遅延などにより、見かけ上のシステム時刻がふらつきます.
• ネットワークレイテンシとジッタ:経路やスイッチの違いによって可変遅延が入り、ソフトウェアだけで完全に補償するのは困難です.
• 長期ドリフト:起動時にはおおよそそろっていても、各ローカルオシレータのわずかな周波数誤差により、数十分から数時間のスケールで時間基準が少しずつ乖離していきます.

SonoDAQのアプローチは、OSが持つ時刻の概念に頼るのではなく、すべての時間クリティカルな動作を共通のハードウェア時刻基準に結び付けることです.

ネットワーク時刻からハードウェア時刻へ:PTP + PHC

最初のステップは、すべてのSonoDAQユニットが同じ絶対時刻を共有していることを保証することです.

(1) 上位クロックとしてのPTP / GPS

SonoDAQは、ネットワーク上のIEEE 1588 PTP、または外部GPS受信機のいずれかから、統一されたUTCリファレンスを取得できます. このリファレンスは、まずオンボードのPTPハードウェアクロック(PHC)に入力され、ローカルな時間基準として用いられます. 言い換えると、PTP/GPSが世界標準時刻を提供し、PHCは各収録シャーシ内部におけるその世界時刻のローカルコピーに相当します.

(2) 1/128秒ごとのクローズドループ補正

起動時に一度だけアライメントを取るだけでは不十分です. SonoDAQは、各ローカルPHCをリファレンスクロックと1/128秒周期で継続的に比較します:

• その時点における位相誤差と周波数誤差の両方を評価します.
• 大きな時間ジャンプを避けるため、小さなインクリメンタル補正をPHCに適用します;
• 長時間の連続運用においても、このクローズドループが、水晶発振器の温度ドリフトや経年変化による誤差を継続的に抑制します.

その結果、各SonoDAQのPHCはPTP/GPSリファレンスを高精度で追従し、時間とともに密かにドリフトしていくことがありません. この時点で、すべてのデバイスはナノ秒クラスのハードウェア時刻基準上にそろえられており、これが後段のあらゆる同期メカニズムの絶対的なタイミング基盤となります.

PLL + 10 PPS:統一時刻をすべてのFPGAへ分配

共通のPHCが確立されたら、それを各FPGAが直接扱える具体的なハードウェア信号へと変換する必要があります.

PHC / 1 PPSから10 PPSへ

PTP / GPSは通常、1 PPS(パルス毎秒)の信号を提供します. SonoDAQでは、この1 PPS信号をオンボードPLLで整形・逓倍して安定した10 PPSパルスを生成し、それを各FPGAへ分配します.

マルチシャーシ間ナノ秒級:統一時刻基準がもたらすメリット

この多層的なタイミングアーキテクチャにより、SonoDAQは単一シャーシ内でナノ秒スケールのアライメントを、さらに複数シャーシ間でもサブマイクロ秒レベルのアライメントを適切なPTP/GPSリファレンスとネットワークトポロジで運用した場合に実現できます.

テストエンジニアにとって、これらの詳細は最終的に次のような非常に具体的な能力として現れます:

• 車両全体のNVH試験:車室内および車外のマイクロホンや振動センサを、速度、トルク、シャフト角といった信号と同期して取得でき、より信頼性の高いオーダ解析およびトランスファーパス解析が可能になります.
• 多点構造モーダル試験:大規模構造物に複数のシャーシを分散配置し、励振と応答を厳密なタイミング関係で収録することで、高次モーダル成分の抽出や減衰推定をより堅牢に行えます.
• エンドツーエンド遅延測定:統一されたタイムスタンプにより、刺激出力から応答入力までの真のレイテンシを測定でき、複雑なオーディオ信号チェーンのチューニングや補償に役立ちます.

エンジニアリング体験:透明性の高い高精度タイミングシステム

ここまでPTP、PHC、10 PPSといった配管のような仕組みを一通り見てきましたが、実際にはエンジニアがこれらを意識する必要はありません――SonoDAQが自動的に処理します.

複数のSonoDAQユニットからのデータをソフトウェア上で同じプロットにドラッグすると、そこに表示されるのは、すでにシームレスにそろえられた単一の時間軸です. それこそが、実運用のデータ収集におけるナノ秒レベル同期の意味するところです.

これこそがSonoDAQの当初からの設計意図であり、タイミングインフラの性能を極限まで引き上げることで、エンジニアが試験戦略やデータ解析に専念できるようにすることを目指しています.

CRYSOUND SonoDAQおよびOpenTestの詳細については、CRYSOUNDのWebサイトをご覧いただくか、「お問い合わせ」フォームから当社チームまでご連絡ください.