GPS在電臺播出系統(tǒng)的應(yīng)用

河南人民廣播電臺技術(shù)部 張 濱

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）在全球范圍內(nèi)提供定時(shí)和定位功能，全球任何地點(diǎn)的GPS 用戶通過低成本的GPS 接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)出的信號，獲取準(zhǔn)確的時(shí)間位置信息、同步時(shí)標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。隨著現(xiàn)代廣播電臺走向了自動化、智能化、數(shù)字化，自動播出音頻工作站系統(tǒng)接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號，令系統(tǒng)時(shí)鐘同步；整點(diǎn)播報(bào)時(shí)間準(zhǔn)確，使各臺報(bào)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)一致。河南人民廣播電臺隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷采用一些新的科技成果，以提升本臺播出系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)力。本文，筆者介紹了本臺如何將GPS利用于播出系統(tǒng)的時(shí)鐘系統(tǒng)。

一、時(shí)鐘系統(tǒng)組成

時(shí)鐘系統(tǒng)為電臺提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，以青島廣播電視科研所的GPS 作為基本時(shí)鐘源，通過較準(zhǔn)高穩(wěn)時(shí)鐘后提供更精確的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,再通過時(shí)碼分配驅(qū)動器為子鐘、顯示器、工控機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號，為計(jì)算機(jī)自動播出系統(tǒng)提供ASCⅡTIME RS232 信號，使數(shù)字音頻錄、播網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間可準(zhǔn)確的運(yùn)行，確保節(jié)目的準(zhǔn)點(diǎn)、按時(shí)播出。該系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 時(shí)鐘系統(tǒng)

二、運(yùn)行原理

1.GPS 基本原理。GPS 是NAVSTAR/GPS（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）的簡稱，是由美國國防部研制的導(dǎo)航衛(wèi)星測距與授時(shí)、定位和導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，這24顆衛(wèi)星等間隔分布在6個(gè)互成60°的軌道面上，其衛(wèi)星配置基本保證了地球任何位置均能同時(shí)觀測到至少4顆GPS衛(wèi)星。

GPS 向全球范圍提供定時(shí)和定位的功能，全球任何地點(diǎn)的GPS 用戶通過低成本的GPS 接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)出的信號，獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時(shí)標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。GPS 要實(shí)時(shí)完成定位和授時(shí)功能，需要4個(gè)參數(shù)：經(jīng)度、緯度、高度和用戶時(shí)鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)刻偏差，所以需要接收4 顆衛(wèi)星的位置。若用戶已知自己的確切位置，那么接收1顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也可以完成定時(shí)。

由于GPS 采用被動定位原理，星載高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)是精密定位和授時(shí)的關(guān)鍵。工作衛(wèi)星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標(biāo)。GPS衛(wèi)星上的衛(wèi)星鐘通過和地面的GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行對比，這樣就可以使衛(wèi)星鐘與GPS 主鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持精確同步。GPS 衛(wèi)星發(fā)射的幾種不同頻率的信號，都是來自衛(wèi)星上同一個(gè)基準(zhǔn)頻率。GPS 接收機(jī)對GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號進(jìn)行處理，經(jīng)過一套嚴(yán)密的誤差校正，使輸出的信號達(dá)到很高的長期穩(wěn)定性。定時(shí)精度能夠達(dá)到30ns 以內(nèi)。在精確定位服務(wù)（PPS，Precise Position Service）下，GPS 提供的時(shí)間信號與世界協(xié)調(diào)時(shí)間（UTC，Universal Time Coordinated）之間小于15ns。若采用差分GPS技術(shù)，則與UTC之差能達(dá)到幾個(gè)納秒。因此，GPS系統(tǒng)不僅是一個(gè)全天候的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，而且是一個(gè)高精度的定時(shí)系統(tǒng)；利用GPS信息中的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間個(gè)定時(shí)信號，能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間尺度的建立和高精度的時(shí)間（頻率）的統(tǒng)一與同步，以及高精度時(shí)間頻率的比對。

2.衛(wèi)星校時(shí)鐘。衛(wèi)星校時(shí)鐘采用專用的衛(wèi)星接收機(jī)系統(tǒng)GPS 并解調(diào)出AC 碼，得到高精度的時(shí)間碼個(gè)秒脈沖，作為示時(shí)鐘系統(tǒng)的校準(zhǔn)信號。

3.高穩(wěn)時(shí)鐘。高穩(wěn)時(shí)鐘，作為時(shí)鐘系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部使用高穩(wěn)晶振，即使校準(zhǔn)源校時(shí)信號中斷，仍可以較高的穩(wěn)定度維護(hù)運(yùn)行。

高穩(wěn)晶振輸出5 MHz正弦波信號，經(jīng)整形放大，送分頻網(wǎng)絡(luò)分頻，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)1 Hz信號，即秒脈沖。單片機(jī)對秒脈沖計(jì)數(shù)并換算成時(shí)間，時(shí)碼緊隨秒脈沖串行輸出，形成完整的串行壓縮BCD碼。外部輸入的校準(zhǔn)時(shí)間碼被單片機(jī)讀入，經(jīng)判斷認(rèn)為正確之后，讀入時(shí)間碼校準(zhǔn)高穩(wěn)時(shí)鐘，由單片機(jī)控制選通電子開關(guān)，則隨后引入的校準(zhǔn)時(shí)碼可同步分頻網(wǎng)絡(luò)，使本地時(shí)鐘的相位同步于校準(zhǔn)源。

4.HLC62 時(shí)碼分配驅(qū)動器。主要用途是將一路時(shí)碼輸入，轉(zhuǎn)為多路時(shí)碼輸出，用于時(shí)鐘系統(tǒng)碼的多路時(shí)碼的分配。

主要特點(diǎn)有輸入為高阻，波形經(jīng)整形后驅(qū)動輸出；輸出為低阻，各路隔離。

5.校時(shí)卡或子鐘。

（1）校時(shí)卡核心為高性能微型計(jì)算機(jī)，它與高性能可編程門陣列邏輯IC 等配合，可進(jìn)行復(fù)雜的信號處理、數(shù)據(jù)計(jì)算。當(dāng)PC機(jī)要求讀鐘時(shí)，校時(shí)卡將時(shí)間碼準(zhǔn)時(shí)送出，而校準(zhǔn)PC機(jī)主板鐘。

（2）子鐘電路分為校時(shí)接口、信號處理、單片機(jī)控制、信號轉(zhuǎn)換、譯碼顯示等主要模塊。校時(shí)模塊輸出統(tǒng)一的串行時(shí)碼，經(jīng)整形處理后，送譯碼顯示單元顯示。各直播室、錄音室及重要機(jī)房均配有子鐘顯示單元。

三、校時(shí)在播出網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.播出網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步。時(shí)間同步對于整個(gè)播出網(wǎng)絡(luò)的重要性不言而喻，必須要有一個(gè)穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)為其提供保證。時(shí)鐘源由GPS 校時(shí)卡提供，各個(gè)服務(wù)器及終端工作站都安裝了校時(shí)程序，按一定時(shí)間間隔與域服務(wù)器的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)；域服務(wù)器不斷與校時(shí)站進(jìn)行時(shí)間鎖定，用于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。置于每個(gè)直播間的主備DAW工作站及各應(yīng)急DAW工作站都安裝了校時(shí)軟件，設(shè)定為每30 s與域服務(wù)器校對一次時(shí)間，各工作站的PC 時(shí)間如有與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間偏差，按網(wǎng)絡(luò)時(shí)間進(jìn)行校正。工作原理如圖2所示。

圖2 時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)

2.時(shí)間信號用于整點(diǎn)報(bào)時(shí)。廣播電臺的報(bào)時(shí)信號成為最重要的校時(shí)基準(zhǔn)，電臺報(bào)時(shí)信號是否精確、穩(wěn)定，有時(shí)甚至影響到該電臺在社會上的公信力。由于計(jì)算機(jī)的CMOS 時(shí)間不精確，特別是在計(jì)算機(jī)工作繁忙的時(shí)候，時(shí)間出現(xiàn)偏差，容易造成各個(gè)系列臺的報(bào)時(shí)不同步，有時(shí)相差幾秒，甚至幾十秒。而GPS的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號令時(shí)鐘同步，從而使得各臺報(bào)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)一致，很好解決了這個(gè)問題。當(dāng)時(shí)間到整點(diǎn)時(shí)，語音報(bào)時(shí)機(jī)的報(bào)時(shí)信號被觸發(fā)，報(bào)時(shí)機(jī)將按當(dāng)時(shí)的時(shí)間將預(yù)先存儲在其內(nèi)的報(bào)時(shí)語音送出，該信號被分為兩路，一路被送入模擬矩陣，一路被送入ATM交換機(jī)（以轉(zhuǎn)換為ATM網(wǎng)絡(luò)信號），兩路可任選一路分配到直播室的調(diào)音臺上進(jìn)行播出。其工作流程如圖3所示。

圖3 報(bào)時(shí)授時(shí)系統(tǒng)

電臺在數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化播出的今天，對于時(shí)間的要求越來越嚴(yán)格，同步播出，零時(shí)差切換必須一個(gè)精確的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)于支持。該時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)理念先進(jìn)，在實(shí)際運(yùn)行中可靠、穩(wěn)定、準(zhǔn)確。由于GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)歸美國政府所有，受控于美國國防部，對世界各地的用戶未有任何政府承諾，而且用戶只支付了GPS 接收機(jī)的費(fèi)用，并未支付GPS 系統(tǒng)的使用費(fèi)用，因此這種授時(shí)系統(tǒng)自主性差，故而也帶來一些不穩(wěn)定因素。例如故意降低GPS精度，關(guān)閉GPS在某個(gè)地區(qū)的發(fā)送信號，增加隨機(jī)擾碼，周圍環(huán)境對GPS無線信號的干擾等。