B码应用深入探讨

戎 强 刘铁强 贾杰峰

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄050081;2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心,河北 石家庄 050081)

0 引 言

靶场间仪器组码(IRIG)是美国靶场司令委员会制定的一种时间标准,共有4种并行二进制时间码格式和6种串行二进制时间码格式。串行时间码传输距离较远,共有六种格式:A,B,D,E,G,H,它们的主要差别是时间码的帧速率不同和所表示的时间信息不同[1]。其中,B码已经成为一种国际通用的靶场测量与时间统一系统(简称时统)专用时间码,主要用于保持被控对象与测量系统时间的高度统一,并提供高精度的时间信号[2]。靶场测量、控制、计算、通信、气象、电力等领域的时统设备均采用国际标准的IRIG-B格式时间码(简称B码)作为其时间同步的标准,其特点是速率适中、编码信息量丰富、通用规范及使用灵活方便[3]。

国内在用的B码有两个版本:1997年6月25日发布了GJB 2991-1997《B时间码接口终端通用规范》,并于1997年12月01日起开始实施;2008年3月30日又发布的GJB 2991A-2008《B时间码接口终端通用规范》,并于2008年06月01日起开始实施。目前,国内两种版本的B码均在使用。

1 B码构成与原理

1.1 B码结构

B码采用码元、索引计数、位置标识位、码字等参数进行描述。

1)码元

B码时间格式里的每个脉冲称为码元,码元的“准时”参考点是其脉冲前沿,码元的重复速率称为码元速率。B码的码元速率为100 pps.

2)索引计数

每个码元序号由索引计数所确定。索引计数由帧基准起、从0开始计数,并依次加1,直到帧结束。

3)位置标识位

B码位置标识位是索引计数间隔的0.8倍(8 ms),位置标识位P0的前沿在帧参考点前一个索引计数间隔处,以后每10个码元有1个位置标识位,分别为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P0.B码的位置标识位的重复速率为码元速率的十分之一,即10 pps.

4)帧头参考码元Pr

帧头参考码元Pr是由一个位置标识位和相邻的参考码元组成。B码的参考码元的宽度为8 ms.时帧的“准时”参考点是参考码元的前沿。

5)码字

所有的时间格式都是脉宽码,B码的二进制“1”和“0”的脉宽分别为5 ms和2 ms.

6)时帧

一个时间格式帧从帧参考码元开始,由两个相邻帧参考码元间的所有码元组成。时帧的重复速率为时帧速率,其周期为1 s.

7)时间编码

时间编码从帧参考码元开始分别为第0、1、2、…、99个码元。在B码时间格式中含有秒、分、时、天、年等信息,其位置在P0～P5间。P6～P10包含其他控制信息,如一些特标信号。其中,秒信息占用第1、2、3、4、6、7、8码元,分信息占用第10、11、12、13、15、16、17码元,时信息占用第20、21、22、23、25、26、27码元，如表1所示。

表1 时间编码位置

1.2 信息内容

目前,国内GJB 2991-1997《B时间码接口终端通用规范》和GJB 2991-2008《B时间码接口终端通用规范》两种版本的B码都在使用,其包含的时间信息存在差异。

1.2.1 GJB 2991-1997版B码信息

B码的时间信息采用BCD码编码,即十进制时间信息的每个十进制位是二进制编码,它的次序由低到高,所表达的时间如下:

秒:从00到59,共7个码元,即7位;分:从00到59,共7位;时:从00到24,共6位;天:从001到365或366,共10位,即每年的1月1日编为第001天,而将12月31日编为第365天或第366天[4]。

天、时、分、秒均用BCD码表示,低位在前,高位在后;个位在前,十位在后[5]。

1.2.2 GJB 2991-2008版B码信息

GJB 2991-2008版B码中的时间码是基于UTC的,时间信息的码元称为时间编码。时间编码采用BCD编码表示秒、分、时、天、年[6]。

相对于GJB 2991-1997版B码,GJB 2991-2008版B码增加了闰秒标志和年信息。

其中,年的个位和十位的BCD编码交替出现在索引计数的45～48位,并且年的个位与偶数秒出现在同一帧内。当年的十位标志位为1时,索引计数的45～48位表示年的十位;反之,表示年的个位。当年的十位无法与奇数秒对应时(闰秒时),舍弃年的十位。

闰秒标志用于控制B码终端进行闰秒调整,闰秒标志码元索引计数为27、28所对应的两个码元。当B码传输的UTC时间需要向后闰秒调整时,闰秒标志编码为01;当需要向前闰秒调整时,闰秒标志为10.正闰秒或负闰秒应发生在一个月(UTC时间)的最后1 s.最优选择是12月底或6月底;次优选择是3月底或9月底。正闰秒开始于一个月最后一天的23时59分60秒,结束于下一个月第一天的0时0分0秒;负闰秒开始于一个月最后一天的23时59分58秒之后,结束于下一个月的第一天0时0分0秒。

1.3 交流B码

采用正弦波对B码进行幅度调制,正弦波的频率与码元速率严格相关,为码元速率的十倍,同时,其正交过零点与所调制格式码元前沿符合,标准调制比为3.3∶1,调制比变化范围为2∶1～6∶1之间[5]。

2 工程应用常见问题

2.1 典型应用实例

B码在工程应用中一般与时频系统配合应用,时频系统为B码设备提供高精度的频率参考,作为其主时钟,大型系统还可以通过溯源链路获得更为稳定的时间基准。B码典型应用一般包括B码时间服务器、B码终端、B码解码卡,如图1所示。

图1 B码工程应用示意图

B码时间服务器是最顶层的B码应用,它要求B码所携带的时间信息具有最高的准确度,应与时频中心或时频系统保持严格的时间同步(一般≤100 ns)。B码时间服务器是整个系统的时间中心,输出的B码时间为系统基准时间。

B码终端一般作为中继设备,它以B码时间服务器提供的高精度B码信号为参考,同时对收到的B码进行解码,并依靠高精度系统时钟合成本地B码,从而实现B码中继和本地B码的多路分配与传输。B码终端需要严格保持B码所携带的时间信息的准确度,应与参考信号保持较高的同步精度(一般≤200 ns)。

B码解码终端是一种基于PCI总线的计算机专用译码终端,通过解码提取出时间信息,并通过PCI总线将时间送给计算机,从而实现B码授时。

2.2 B码应用常见问题

2.2.1 无法跨年和闰秒问题

有些工程由于建设周期长或对原有时频系统进行改建、扩建等原因,仍在使用GJB 2991-1997版本的B码。GJB 29911-1997版本的B码本身没有“年”和“闰秒”信息,存在无法跨年和闰秒问题,即在跨年时整个B码链路无法获得任何跨年信息或标志,会引起跨年后时间的错误;此外,该版本B码也不支持闰秒,存在安全隐患。

2.2.2 B码中断与恢复时存在时间错误问题

在中心时统设备或B码时间服务器故障停机并恢复工作时,因其初期工作状态不稳定可能导致中继B码终端时间码错误,造成严重后果,如图2所示。

图2 B码中断与恢复时存在时间错误(a)中断； (b)恢复

图2(a)中,当中心时统设备和B码时间服务器故障时,B码时间服务器停止提供B码服务,B码终端自动转入守时状态,仍可正常为系统提供B码服务。

图2(b)中,当中心时统设备和B码时间服务器刚启动时,因时频系统和B码时间服务器都不稳定,B码时间服务器输出的时间一般都与真实时间不符;此时,中继B码终端在检测到外部B码后会自动以收到的B码为参考进行授时输出;同理,后续B码解码终端获得的时间也是错误的。时间服务处于错误状态,会引起严重后果。

2.2.3 受扰时间跳变问题

B码链路受外部强电磁干扰的影响可能会出现时间跳变,导致解码终端解码错误,从而引起时间跳变,存在隐患。

2.2.4 交流B码幅度与调制比受限问题

在靶场或地面站常利用交流B码进行授时,交流B码的幅度和调制比调整一般都通过调整可调电阻器进行控制,在设备调试阶段尚可操作,但当系统完成集成和装备后,一旦需要进行交流B码幅度与调制比的调整将非常困难,甚至有时需要设备断电并打开设备机箱才可操作。可见,这种依靠硬件进行交流B码幅度和调制比调整的方法灵活性差、操作不便。

3 针对性优化设计

3.1 B码版本切换与软件跨年及闰秒设计

针对GJB 29911-1997版本无法跨年及闰秒问题,可采用B码版本切换与软件跨年及闰秒方法进行解决。

GJB 29911-1997版本的B码在时间跨年时,可采用软件跨年与闰秒设计,即在用时设备端的软件程序中维护连续的“年”信息与“闰秒”定时器,并提前设定跨年定时器,当时间到达“年末岁初”的那一秒时,在计算机软件程序中根据定时器的提示标志进行自动跨年;当需要“闰秒”时,可提前通过“闰秒”定时器在用时设备端的软件程序中通过设定“闰秒标志”进行闰秒。

此外,在B码设备设计时可采用GJB 29911-1997版本与GJB 29911-2008版本B码兼容的硬件设计,在软件层面可通过程控切换选择GJB 29911-1997版本或GJB 29911-2008版本的B码,当需要版本升级时不需要进行硬件设备的更换,只需要进行程控切换即可。该设计提高了B码设备的适用范围,特别适用于长期连续运行的系统,可带来方便、降低成本。

3.2 B码恢复强制守时设计

针对B码中断与恢复时存在时间错误问题,可采用B码恢复强制守时技术。

该技术需要在B码终端采用“授时模式”、“守时模式”、“强制守时模式”三种工作状态可转换的设计。“授时模式”是指B码终端接收外部B码并进行多路分配的工作模式;“守时模式”是指B码终端可以接收外部B码但接收不到外部B码时,依靠自身时钟进行时间外推的工作模式;“强制守时模式”是指不接收外部B码的工作模式,仅依靠自身时钟进行时间外推的工作模式。

当中心时统设备或B码时间服务器恢复前,需人工程控将B码终端切换进入“强制守时模式”,即此时无论外部B码和外部10 MHz正确与否均不接受外部B码和外部10 MHz,从而避免接收错误时间;当中心时统设备或B码时间服务器完全恢复正常后,这时人工程控切换B码终端解除“强制守时模式”,使B码终端进入“授时状态”。从而,保证了用户端B码一直保持正常。

需要指出的是,因B码终端内置时钟的准确度水平有限,因此不支持长时间的“守时模式”和“强制守时模式”,若时间太长可能会导致B码终端内置时钟外推时间与真实时间发生偏差,从而导致解除“强制守时模式”时发生时间跳变。

3.3 B码接收解码容错设计

针对B码受扰时间跳变问题,可采用B码接收解码容错技术进行解决。

B码接收解码容错是指当解码得到连续3秒正确的B码信号后再进行时间改变,否则,总是在上一秒正确时间的基础上按照时间变换规则进行时间外推。以“当前时间”为2014年1月5日10时10分08秒为例进行说明,如表2所示。

表2 解码容错技术示例

由表2看出,当前秒的正确时间应是“2014.01.05 10∶10∶11”,采用B码接收解码容错技术有如下效果:

第1组,连续3 s时间全部是正确时间,最终得到的“当前秒”时间正确;

第2组,连续3 s时间的“当前秒-2 s”是错误时间,最终得到的“当前秒”时间正确;

第3组,连续3 s时间的“当前秒-1 s”和“当前秒-2 s”都是错误时间,最终得到的“当前秒”时间正确;

第4组,连续3 s时间的都是错误时间,且时间连续,最终得到的“当前秒”时间错误(时间发生改变);

第5组,连续3 s时间的都是错误时间,但时间不连续,最终得到的“当前秒”时间还是正确时间。

可见,除非连续出现三 s及以上的错误时间,且错误时间连续,B码授时才会出现错误。采用容错技术可以滤除B码链路因受干扰而产生的瞬时时间跳变,极大的提高B码信号的抗干扰能力。

3.4 交流B码数控幅度与调制比设计

针对交流B码幅度与调制比受限问题,可采用交流B码数控幅度与调制比技术进行解决,其原理图如图3所示。

程控指令控制数字调制器按照指定的幅度和调制比产生对应的数控地址数据,通过数控地址线控制DA转换器产生相应的台阶波,滤波处理后得到相应幅度和调制比的交流B码。交流B码数控幅度与调制比技术示意图，如图4所示。

图3 交流B码数控幅度与调制比技术原理图

图4 交流B码数控幅度与调制比技术示意图

标准交流B码的幅度为3.3 V,调制比为3.3∶1,交流B码数控幅度可以实现1 V、2 V、3 V、4 V、5 V、6 V、7 V、8 V、9 V、10 V的调整,且每一种电压都可以实现2∶1、3.3∶1、4∶1、5∶1、6∶1共5种数控调制比的调整,共计50种选项,极大的提高了交流B码的适用范围。

4 工程应用

某卫星导航测试场系统的时间频率子系统在初样阶段出现了无法跨年和闰秒、B码中断与恢复时存在时间错误、受扰时间跳变、交流B码幅度与调制比受限等问题。

在正样阶段进行了如下改进:

1)采用B码版本切换与软件跨年及闰秒设计,并优先使用GJB 2991-2008版本B码,从体制上弥补了GJB 2991-1997版本B码固有的无法跨年问题;

2)B码终端的设计采用“授时模式”、“守时模式”和“强制守时模式”三种工作模式,避免了B码服务器在发生时间中断后,设备恢复初期可能出现的时间错误;

3)采用B码解调容错技术,避免了B码终端和B码解码终端在测试场复杂电磁环境条件下可能出现的信号受扰时间错误;

4)交流B码的产生采用数控幅度和数控调制比设计,可以根据需要在监控中心对交流B码的幅度和调制比进行远程设置,方便快捷,提高了交流B码的适用范围。

目前,该系统已经连续运行三年多,B码授时服务零故障。

5 结束语

通过对B码信号进行深入分析和研究,针对B码工程应用中常见的几个问题提出了切实有效的解决措施,提高了B码授时服务的稳定性和可用性,并在工程应用中取得了良好的效果,具有一定的推广价值。

[1]张 艳.基于FPGA的IRIG-BDC码解码器的设计[J].火控雷达技术,2013,42(1):70-73.

[2]冯 强,赵 帅,李 焱.基于DSP和FPGA的GPS-B码时统终端系统设计[J].微计算机信息,2010,26(2-2):139-141.

[3]吴 卫,陈建军,宋 虎.基于FPGA的IRIG-B码解码器的实现[J].雷达与对抗,2003,3:37-40.

[4]李群续,张沪玲,李冠宇.岸船卫星双向对时应用系统IRIG-B码设计[J].无线电工程,2010,40(2):42-43,60.

[5]国家标准GJB2991A-1997 B时间码接口终端通用规范[S].1997.

[6]国家标准GJB2991A-2008 B时间码接口终端通用规范[S].2008.