Le problème de la synchronisation ne concerne pas uniquement la conservation de la synchronisation lors des différentes étapes de la vie d’un examen qui est établi par le format de fichier mais également de son exactitude. En effet, pour faire l’acquisition simultanée de deux modalités utilisant deux systèmes d’acquisition différents, il doit
être mis en place un mécanisme de synchronisation entre les deux systèmes. Sans ce mécanisme, il n’est pas possible de faire correspondre les données des deux systèmes. Pour faire cette synchronisation, deux grandes méthodes sont possibles :
- Acquisition par signaux, de manière centralisée, en acquérant donnée par donnée par un dispositif réalisant la synchronisation et la correspondance temporelle. Les systèmes d’acquisition sont commandés par des déclencheurs afin d’acquérir les données. Ces signaux de déclencheur sont alors très ressemblants à des horloges. - Acquisition par temps, de manière distribuée, en synchronisant une horloge sur deux systèmes qui cale alors leur acquisition sur cette horloge. En synchronisant le temps, les deux systèmes estampillent les données avec le temps auquel elles ont étées acquises.
Quelle que soit la méthode utilisée, il est indispensable de faire cette coopération en utilisant des médias répondant à des contraintes temps réel. Si ces mécanismes ne remplissent pas cette contrainte alors aucune garantie ne peut être assurée sur la précision de la synchronisation réalisée.
2.1.1 Acquisition par signaux PXI
Les plateformes PXI développées par National Instrument [NI] sont des plateformes d’acquisition de données modulaires basées sur l’architecture PXI-Express. Elle permet la composition d’un système d’acquisition par des cartes filles compatibles et développé spécifiquement pour cette architecture. La figure 8 représente cette architecture.
Figure 8. Architecture PXI-Express.Source de l’image.
L’architecture PXI-Express est une mise à jour pour des besoins de débit et de précision de l’architecture PXI. L’architecture PXI-Express est rétrocompatible avec le
PXI. La partie PXI comprend un module générant une horloge de référence à 10 MHz distribuée à tous les composants ainsi qu’un réseau de déclencheurs organisés en étoile. Les spécifications du PXI définissent la longueur des câbles transportant ces signaux afin de maintenir des timings similaires sur les cartes connectées au PXI. Au passage au PXI-Express, l’architecture a été dotée d’un module délivrant une horloge de référence différentielle à 100 MHz ainsi qu’une horloge de synchronisation 10 fois plus lente (10 MHz) et un réseau différentiel de déclencheur. Dans cette architecture, chaque carte génère une horloge d’échantillonnage contrôlant l’acquisition par un DAC sur la carte. Sur cette architecture, il est possible de définir plusieurs méthodes de synchronisation en fonction des capacités des cartes disponibles.
- La méthode la plus simple est d’avoir une carte (maître) qui délivre directement par le bus PXI son horloge d’échantillonnage aux autres cartes (esclaves). La méthode a le mérite d’être facilement mise en place mais a deux inconvénients, le premier est d’avoir des délais de propagation inconnus entre les cartes et le deuxième est de contraindre les esclaves à acquérir au rythme du maître.
- La deuxième méthode consiste à ne partager que le signal de déclenchement de début d’acquisition entre plusieurs cartes. La synchronisation subit un décalage dû à la propagation du signal ainsi que d’une dérive car les horloges des cartes ne sont pas synchronisées. Cette méthode est probablement la moins bonne en termes de précision.
- La troisième méthode a pour principe que chaque carte dérive son horloge d’échantillonnage à partir de l’horloge système. Le début de l’acquisition est défini par un maître qui émet un déclencheur après un front de l’horloge de synchronisation. Le début de l’acquisition sera effectif à la prochaine période de l’horloge de synchronisation comme nous pouvons voir sur la figure 9. Cette synchronisation est la plus précise mais nécessite que les cartes soient capables de se synchroniser de cette manière (en interne)
Le principal désavantage de l’utilisation d’un PXI est de ne pas pouvoir s’adapter à tous les composants. Principalement, si le composant n’est pas prévu pour être piloté par les mécanismes de l’architecture, il est alors impossible de les faire cohabiter. Le deuxième point bloquant des PXI est son coût onéreux qui ne permet pas de constituer un système rentrant dans le budget d’un produit commercial.
2.1.2 Acquisition par temps GPS
Beaucoup de systèmes d’acquisition utilisent les informations GPS provenant de GPS pour se constituer une base de temps commune. Cette utilisation à principalement l’in-térêt d’être disponible sur toute la surface de la Terre et de fournir une synchronisation
Figure 9. Timing de la synchronisation de dérivé d’horloge d’échantillonnage.Source de l’image.
très précise (10 à 20 ns sur des distances intercontinentales [Lewandowski et al., 1993]).
PTP
PTP [Eidson and Lee, 2002] est un protocole de synchronisation d’horloge basé sur le protocole réseau Ethernet. Il offre une synchronisation inférieure à 100 ns sur un réseau de données. Il nécessite du matériel dédié ainsi qu’un réseau bien contrôlé pour limiter les variations d’horloge. Le mécanisme de synchronisation est de type maître/escale dans lequel l’esclave se synchronise au maître. Pour ce faire, le protocole est constitué de quatre messages.
- Sync : le premier message envoyé par le maître vers l’esclave. Le contenu du message est inutilisé et permet simplement d’entamer une synchronisation. À la réception du message, l’esclave enregistre dans son temps l’heure de réception du message (t1).
- Follow_Up : ce deuxième message est envoyé afin de transmettre à l’esclave l’heure d’envoi du message Sync. Le contenu de ce message est donc l’heure d’envoi du premier message dans la base de temps du maître (t2).
- Delay_Req : le troisième message est, au contraire des deux premiers messages, envoyé par l’esclave vers le maître. Le message n’a pas de contenu. L’esclave note dans sa base de temps l’heure d’envoi du message (t3).
- Delay_Resp : le dernier message est envoyé par le maître en réponse au message Delay_Req avec comme contenu l’heure de réception du message Delay_Req par le maître dans sa base de temps (t4).
La figure 10 récapitule ces transactions. À partir de ces quatre temps (t1, t2, t3et t4), l’esclave calcule son décalage deux différences le MSdi f f erence et le SMdi f f erence
Maitre Esclave Sync Follow_Up(t 1) Delay_Req Delay_Resp( t4) t3 t1 t4 t2
Figure 10. Diagramme UML de séquence du protocole PTP
SMdi f f erence =t4−t3 = −decalage+SMdelai (II.2) Dans ces équations, decalage est le décalage de l’horloge de l’esclave vers celle du maître, MSdelai est le délai de transmission du maître vers l’esclave et SMdelai est le délai de transmission de l’esclave vers le maître. Deux hypothèses sont faites sur les délais de transmission, ils sont constants et symétriques. Nous avons donc MSdelai =SMdelai =delai. En résolvant le système d’équations précédent nous trouvons les équations de decalage et de delai suivant :
decalage= MSdi f f erence−SMdi f f erence
2 (II.3)
delai = MSdi f f erence+SMdi f f erence
2 (II.4)
Cette procédure est répétée à intervalle régulier (2 secondes) pour synchroniser l’horloge. Entre deux intervalles, les deux horloges sont en course libre et donc dérive naturellement.
Dans la même tendance, nous pouvons également citer [Mills, 1991] qui n’atteint pas les mêmes performances de précision mais est capable de synchroniser une hiérarchie d’ordinateur sur internet.
Tableau 2. Récapitulatif des méthodes de synchronisation
Solution Type Coût Implémentation Adaptable Déterministe Contrainte
PXI Signaux +++ + + oui
GPS Temps + +++ +++ non Extérieur
PTP Temps ++ ++ +++ non
Le tableau 2 récapitule les méthodes de synchronisation présentes dans l’état de l’art. Dans ces méthodes, l’utilisation du protocole PXI demande de refabriquer tous les composants pour s’adapter au système ce qui demanderait un coût trop élevé aussi
bien en temps de développement qu’en coût production. L’utilisation de GPS que nous pourrions utiliser pour utiliser une horloge distribuée sur plusieurs cartes est impossible à cause de l’utilisation en intérieur. Finalement, les protocoles comme PTP atteignent des bonnes performances de synchronisation de données mais exploitent des propriétés statistiques sur lequel nous ne pouvons pas baser notre système car elles sont non déterministes.