B碼應(yīng)用深入探討

戎 強 劉鐵強 賈杰峰

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊050081;2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,河北 石家莊 050081)

0 引 言

靶場間儀器組碼(IRIG)是美國靶場司令委員會制定的一種時間標(biāo)準,共有4種并行二進制時間碼格式和6種串行二進制時間碼格式。串行時間碼傳輸距離較遠,共有六種格式:A,B,D,E,G,H,它們的主要差別是時間碼的幀速率不同和所表示的時間信息不同[1]。其中,B碼已經(jīng)成為一種國際通用的靶場測量與時間統(tǒng)一系統(tǒng)(簡稱時統(tǒng))專用時間碼,主要用于保持被控對象與測量系統(tǒng)時間的高度統(tǒng)一,并提供高精度的時間信號[2]。靶場測量、控制、計算、通信、氣象、電力等領(lǐng)域的時統(tǒng)設(shè)備均采用國際標(biāo)準的IRIG-B格式時間碼(簡稱B碼)作為其時間同步的標(biāo)準,其特點是速率適中、編碼信息量豐富、通用規(guī)范及使用靈活方便[3]。

國內(nèi)在用的B碼有兩個版本:1997年6月25日發(fā)布了GJB 2991-1997《B時間碼接口終端通用規(guī)范》,并于1997年12月01日起開始實施;2008年3月30日又發(fā)布的GJB 2991A-2008《B時間碼接口終端通用規(guī)范》,并于2008年06月01日起開始實施。目前,國內(nèi)兩種版本的B碼均在使用。

1 B碼構(gòu)成與原理

1.1 B碼結(jié)構(gòu)

B碼采用碼元、索引計數(shù)、位置標(biāo)識位、碼字等參數(shù)進行描述。

1)碼元

B碼時間格式里的每個脈沖稱為碼元,碼元的“準時”參考點是其脈沖前沿,碼元的重復(fù)速率稱為碼元速率。B碼的碼元速率為100 pps.

2)索引計數(shù)

每個碼元序號由索引計數(shù)所確定。索引計數(shù)由幀基準起、從0開始計數(shù),并依次加1,直到幀結(jié)束。

3)位置標(biāo)識位

B碼位置標(biāo)識位是索引計數(shù)間隔的0.8倍(8 ms),位置標(biāo)識位P0的前沿在幀參考點前一個索引計數(shù)間隔處,以后每10個碼元有1個位置標(biāo)識位,分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P0.B碼的位置標(biāo)識位的重復(fù)速率為碼元速率的十分之一,即10 pps.

4)幀頭參考碼元Pr

幀頭參考碼元Pr是由一個位置標(biāo)識位和相鄰的參考碼元組成。B碼的參考碼元的寬度為8 ms.時幀的“準時”參考點是參考碼元的前沿。

5)碼字

所有的時間格式都是脈寬碼,B碼的二進制“1”和“0”的脈寬分別為5 ms和2 ms.

6)時幀

一個時間格式幀從幀參考碼元開始,由兩個相鄰幀參考碼元間的所有碼元組成。時幀的重復(fù)速率為時幀速率,其周期為1 s.

7)時間編碼

時間編碼從幀參考碼元開始分別為第0、1、2、…、99個碼元。在B碼時間格式中含有秒、分、時、天、年等信息,其位置在P0～P5間。P6～P10包含其他控制信息,如一些特標(biāo)信號。其中,秒信息占用第1、2、3、4、6、7、8碼元,分信息占用第10、11、12、13、15、16、17碼元,時信息占用第20、21、22、23、25、26、27碼元，如表1所示。

表1 時間編碼位置

1.2 信息內(nèi)容

目前,國內(nèi)GJB 2991-1997《B時間碼接口終端通用規(guī)范》和GJB 2991-2008《B時間碼接口終端通用規(guī)范》兩種版本的B碼都在使用,其包含的時間信息存在差異。

1.2.1 GJB 2991-1997版B碼信息

B碼的時間信息采用BCD碼編碼,即十進制時間信息的每個十進制位是二進制編碼,它的次序由低到高,所表達的時間如下:

秒:從00到59,共7個碼元,即7位;分:從00到59,共7位;時:從00到24,共6位;天:從001到365或366,共10位,即每年的1月1日編為第001天,而將12月31日編為第365天或第366天[4]。

天、時、分、秒均用BCD碼表示,低位在前,高位在后;個位在前,十位在后[5]。

1.2.2 GJB 2991-2008版B碼信息

GJB 2991-2008版B碼中的時間碼是基于UTC的,時間信息的碼元稱為時間編碼。時間編碼采用BCD編碼表示秒、分、時、天、年[6]。

相對于GJB 2991-1997版B碼,GJB 2991-2008版B碼增加了閏秒標(biāo)志和年信息。

其中,年的個位和十位的BCD編碼交替出現(xiàn)在索引計數(shù)的45～48位,并且年的個位與偶數(shù)秒出現(xiàn)在同一幀內(nèi)。當(dāng)年的十位標(biāo)志位為1時,索引計數(shù)的45～48位表示年的十位;反之,表示年的個位。當(dāng)年的十位無法與奇數(shù)秒對應(yīng)時(閏秒時),舍棄年的十位。

閏秒標(biāo)志用于控制B碼終端進行閏秒調(diào)整,閏秒標(biāo)志碼元索引計數(shù)為27、28所對應(yīng)的兩個碼元。當(dāng)B碼傳輸?shù)腢TC時間需要向后閏秒調(diào)整時,閏秒標(biāo)志編碼為01;當(dāng)需要向前閏秒調(diào)整時,閏秒標(biāo)志為10.正閏秒或負閏秒應(yīng)發(fā)生在一個月(UTC時間)的最后1 s.最優(yōu)選擇是12月底或6月底;次優(yōu)選擇是3月底或9月底。正閏秒開始于一個月最后一天的23時59分60秒,結(jié)束于下一個月第一天的0時0分0秒;負閏秒開始于一個月最后一天的23時59分58秒之后,結(jié)束于下一個月的第一天0時0分0秒。

1.3 交流B碼

采用正弦波對B碼進行幅度調(diào)制,正弦波的頻率與碼元速率嚴格相關(guān),為碼元速率的十倍,同時,其正交過零點與所調(diào)制格式碼元前沿符合,標(biāo)準調(diào)制比為3.3∶1,調(diào)制比變化范圍為2∶1～6∶1之間[5]。

2 工程應(yīng)用常見問題

2.1 典型應(yīng)用實例

B碼在工程應(yīng)用中一般與時頻系統(tǒng)配合應(yīng)用,時頻系統(tǒng)為B碼設(shè)備提供高精度的頻率參考,作為其主時鐘,大型系統(tǒng)還可以通過溯源鏈路獲得更為穩(wěn)定的時間基準。B碼典型應(yīng)用一般包括B碼時間服務(wù)器、B碼終端、B碼解碼卡,如圖1所示。

圖1 B碼工程應(yīng)用示意圖

B碼時間服務(wù)器是最頂層的B碼應(yīng)用,它要求B碼所攜帶的時間信息具有最高的準確度,應(yīng)與時頻中心或時頻系統(tǒng)保持嚴格的時間同步(一般≤100 ns)。B碼時間服務(wù)器是整個系統(tǒng)的時間中心,輸出的B碼時間為系統(tǒng)基準時間。

B碼終端一般作為中繼設(shè)備,它以B碼時間服務(wù)器提供的高精度B碼信號為參考,同時對收到的B碼進行解碼,并依靠高精度系統(tǒng)時鐘合成本地B碼,從而實現(xiàn)B碼中繼和本地B碼的多路分配與傳輸。B碼終端需要嚴格保持B碼所攜帶的時間信息的準確度,應(yīng)與參考信號保持較高的同步精度(一般≤200 ns)。

B碼解碼終端是一種基于PCI總線的計算機專用譯碼終端,通過解碼提取出時間信息,并通過PCI總線將時間送給計算機,從而實現(xiàn)B碼授時。

2.2 B碼應(yīng)用常見問題

2.2.1 無法跨年和閏秒問題

有些工程由于建設(shè)周期長或?qū)υ袝r頻系統(tǒng)進行改建、擴建等原因,仍在使用GJB 2991-1997版本的B碼。GJB 29911-1997版本的B碼本身沒有“年”和“閏秒”信息,存在無法跨年和閏秒問題,即在跨年時整個B碼鏈路無法獲得任何跨年信息或標(biāo)志,會引起跨年后時間的錯誤;此外,該版本B碼也不支持閏秒,存在安全隱患。

2.2.2 B碼中斷與恢復(fù)時存在時間錯誤問題

在中心時統(tǒng)設(shè)備或B碼時間服務(wù)器故障停機并恢復(fù)工作時,因其初期工作狀態(tài)不穩(wěn)定可能導(dǎo)致中繼B碼終端時間碼錯誤,造成嚴重后果,如圖2所示。

圖2 B碼中斷與恢復(fù)時存在時間錯誤(a)中斷； (b)恢復(fù)

圖2(a)中,當(dāng)中心時統(tǒng)設(shè)備和B碼時間服務(wù)器故障時,B碼時間服務(wù)器停止提供B碼服務(wù),B碼終端自動轉(zhuǎn)入守時狀態(tài),仍可正常為系統(tǒng)提供B碼服務(wù)。

圖2(b)中,當(dāng)中心時統(tǒng)設(shè)備和B碼時間服務(wù)器剛啟動時,因時頻系統(tǒng)和B碼時間服務(wù)器都不穩(wěn)定,B碼時間服務(wù)器輸出的時間一般都與真實時間不符;此時,中繼B碼終端在檢測到外部B碼后會自動以收到的B碼為參考進行授時輸出;同理,后續(xù)B碼解碼終端獲得的時間也是錯誤的。時間服務(wù)處于錯誤狀態(tài),會引起嚴重后果。

2.2.3 受擾時間跳變問題

B碼鏈路受外部強電磁干擾的影響可能會出現(xiàn)時間跳變,導(dǎo)致解碼終端解碼錯誤,從而引起時間跳變,存在隱患。

2.2.4 交流B碼幅度與調(diào)制比受限問題

在靶場或地面站常利用交流B碼進行授時,交流B碼的幅度和調(diào)制比調(diào)整一般都通過調(diào)整可調(diào)電阻器進行控制,在設(shè)備調(diào)試階段尚可操作,但當(dāng)系統(tǒng)完成集成和裝備后,一旦需要進行交流B碼幅度與調(diào)制比的調(diào)整將非常困難,甚至有時需要設(shè)備斷電并打開設(shè)備機箱才可操作。可見,這種依靠硬件進行交流B碼幅度和調(diào)制比調(diào)整的方法靈活性差、操作不便。

3 針對性優(yōu)化設(shè)計

3.1 B碼版本切換與軟件跨年及閏秒設(shè)計

針對GJB 29911-1997版本無法跨年及閏秒問題,可采用B碼版本切換與軟件跨年及閏秒方法進行解決。

GJB 29911-1997版本的B碼在時間跨年時,可采用軟件跨年與閏秒設(shè)計,即在用時設(shè)備端的軟件程序中維護連續(xù)的“年”信息與“閏秒”定時器,并提前設(shè)定跨年定時器,當(dāng)時間到達“年末歲初”的那一秒時,在計算機軟件程序中根據(jù)定時器的提示標(biāo)志進行自動跨年;當(dāng)需要“閏秒”時,可提前通過“閏秒”定時器在用時設(shè)備端的軟件程序中通過設(shè)定“閏秒標(biāo)志”進行閏秒。

此外,在B碼設(shè)備設(shè)計時可采用GJB 29911-1997版本與GJB 29911-2008版本B碼兼容的硬件設(shè)計,在軟件層面可通過程控切換選擇GJB 29911-1997版本或GJB 29911-2008版本的B碼,當(dāng)需要版本升級時不需要進行硬件設(shè)備的更換,只需要進行程控切換即可。該設(shè)計提高了B碼設(shè)備的適用范圍,特別適用于長期連續(xù)運行的系統(tǒng),可帶來方便、降低成本。

3.2 B碼恢復(fù)強制守時設(shè)計

針對B碼中斷與恢復(fù)時存在時間錯誤問題,可采用B碼恢復(fù)強制守時技術(shù)。

該技術(shù)需要在B碼終端采用“授時模式”、“守時模式”、“強制守時模式”三種工作狀態(tài)可轉(zhuǎn)換的設(shè)計。“授時模式”是指B碼終端接收外部B碼并進行多路分配的工作模式;“守時模式”是指B碼終端可以接收外部B碼但接收不到外部B碼時,依靠自身時鐘進行時間外推的工作模式;“強制守時模式”是指不接收外部B碼的工作模式,僅依靠自身時鐘進行時間外推的工作模式。

當(dāng)中心時統(tǒng)設(shè)備或B碼時間服務(wù)器恢復(fù)前,需人工程控將B碼終端切換進入“強制守時模式”,即此時無論外部B碼和外部10 MHz正確與否均不接受外部B碼和外部10 MHz,從而避免接收錯誤時間;當(dāng)中心時統(tǒng)設(shè)備或B碼時間服務(wù)器完全恢復(fù)正常后,這時人工程控切換B碼終端解除“強制守時模式”,使B碼終端進入“授時狀態(tài)”。從而,保證了用戶端B碼一直保持正常。

需要指出的是,因B碼終端內(nèi)置時鐘的準確度水平有限,因此不支持長時間的“守時模式”和“強制守時模式”,若時間太長可能會導(dǎo)致B碼終端內(nèi)置時鐘外推時間與真實時間發(fā)生偏差,從而導(dǎo)致解除“強制守時模式”時發(fā)生時間跳變。

3.3 B碼接收解碼容錯設(shè)計

針對B碼受擾時間跳變問題,可采用B碼接收解碼容錯技術(shù)進行解決。

B碼接收解碼容錯是指當(dāng)解碼得到連續(xù)3秒正確的B碼信號后再進行時間改變,否則,總是在上一秒正確時間的基礎(chǔ)上按照時間變換規(guī)則進行時間外推。以“當(dāng)前時間”為2014年1月5日10時10分08秒為例進行說明,如表2所示。

表2 解碼容錯技術(shù)示例

由表2看出,當(dāng)前秒的正確時間應(yīng)是“2014.01.05 10∶10∶11”,采用B碼接收解碼容錯技術(shù)有如下效果:

第1組,連續(xù)3 s時間全部是正確時間,最終得到的“當(dāng)前秒”時間正確;

第2組,連續(xù)3 s時間的“當(dāng)前秒-2 s”是錯誤時間,最終得到的“當(dāng)前秒”時間正確;

第3組,連續(xù)3 s時間的“當(dāng)前秒-1 s”和“當(dāng)前秒-2 s”都是錯誤時間,最終得到的“當(dāng)前秒”時間正確;

第4組,連續(xù)3 s時間的都是錯誤時間,且時間連續(xù),最終得到的“當(dāng)前秒”時間錯誤(時間發(fā)生改變);

第5組,連續(xù)3 s時間的都是錯誤時間,但時間不連續(xù),最終得到的“當(dāng)前秒”時間還是正確時間。

可見,除非連續(xù)出現(xiàn)三 s及以上的錯誤時間,且錯誤時間連續(xù),B碼授時才會出現(xiàn)錯誤。采用容錯技術(shù)可以濾除B碼鏈路因受干擾而產(chǎn)生的瞬時時間跳變,極大的提高B碼信號的抗干擾能力。

3.4 交流B碼數(shù)控幅度與調(diào)制比設(shè)計

針對交流B碼幅度與調(diào)制比受限問題,可采用交流B碼數(shù)控幅度與調(diào)制比技術(shù)進行解決,其原理圖如圖3所示。

程控指令控制數(shù)字調(diào)制器按照指定的幅度和調(diào)制比產(chǎn)生對應(yīng)的數(shù)控地址數(shù)據(jù),通過數(shù)控地址線控制DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生相應(yīng)的臺階波,濾波處理后得到相應(yīng)幅度和調(diào)制比的交流B碼。交流B碼數(shù)控幅度與調(diào)制比技術(shù)示意圖，如圖4所示。

圖3 交流B碼數(shù)控幅度與調(diào)制比技術(shù)原理圖

圖4 交流B碼數(shù)控幅度與調(diào)制比技術(shù)示意圖

標(biāo)準交流B碼的幅度為3.3 V,調(diào)制比為3.3∶1,交流B碼數(shù)控幅度可以實現(xiàn)1 V、2 V、3 V、4 V、5 V、6 V、7 V、8 V、9 V、10 V的調(diào)整,且每一種電壓都可以實現(xiàn)2∶1、3.3∶1、4∶1、5∶1、6∶1共5種數(shù)控調(diào)制比的調(diào)整,共計50種選項,極大的提高了交流B碼的適用范圍。

4 工程應(yīng)用

某衛(wèi)星導(dǎo)航測試場系統(tǒng)的時間頻率子系統(tǒng)在初樣階段出現(xiàn)了無法跨年和閏秒、B碼中斷與恢復(fù)時存在時間錯誤、受擾時間跳變、交流B碼幅度與調(diào)制比受限等問題。

在正樣階段進行了如下改進:

1)采用B碼版本切換與軟件跨年及閏秒設(shè)計,并優(yōu)先使用GJB 2991-2008版本B碼,從體制上彌補了GJB 2991-1997版本B碼固有的無法跨年問題;

2)B碼終端的設(shè)計采用“授時模式”、“守時模式”和“強制守時模式”三種工作模式,避免了B碼服務(wù)器在發(fā)生時間中斷后,設(shè)備恢復(fù)初期可能出現(xiàn)的時間錯誤;

3)采用B碼解調(diào)容錯技術(shù),避免了B碼終端和B碼解碼終端在測試場復(fù)雜電磁環(huán)境條件下可能出現(xiàn)的信號受擾時間錯誤;

4)交流B碼的產(chǎn)生采用數(shù)控幅度和數(shù)控調(diào)制比設(shè)計,可以根據(jù)需要在監(jiān)控中心對交流B碼的幅度和調(diào)制比進行遠程設(shè)置,方便快捷,提高了交流B碼的適用范圍。

目前,該系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運行三年多,B碼授時服務(wù)零故障。

5 結(jié)束語

通過對B碼信號進行深入分析和研究,針對B碼工程應(yīng)用中常見的幾個問題提出了切實有效的解決措施,提高了B碼授時服務(wù)的穩(wěn)定性和可用性,并在工程應(yīng)用中取得了良好的效果,具有一定的推廣價值。

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[5]國家標(biāo)準GJB2991A-1997 B時間碼接口終端通用規(guī)范[S].1997.

[6]國家標(biāo)準GJB2991A-2008 B時間碼接口終端通用規(guī)范[S].2008.