摘 要： 通過對時統(tǒng)對時精度影響因素的分析，提出了時統(tǒng)對時精度測量設(shè)備的設(shè)計和實現(xiàn),。經(jīng)過實測,、分析，提出提高時統(tǒng)設(shè)備對時精度的方法,。
關(guān)鍵詞：IRIG-B碼,； 對時精度； VHDL
時間統(tǒng)一系統(tǒng)（簡稱時統(tǒng)）是靶場時統(tǒng)通信系統(tǒng)的一部分,，是靶場的時間基準和頻率基準,，為測量控制系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間尺度，目前時間信息傳輸采用國軍標(biāo)規(guī)定的IRIG-B碼方式,。隨著數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展,通信傳輸手段更加多樣化,；新武器系統(tǒng)不斷發(fā)展，靶場被測目標(biāo)速度,、飛行距離不斷提高,；測量站點分布更加分散，為了更好地完成被測目標(biāo)的測量任務(wù),，不僅對測量設(shè)備精度提出了要求,，而且對時統(tǒng)對時精度也提出了更高要求。靶場目前時統(tǒng)設(shè)備的種類多,，參與生產(chǎn)的廠家數(shù)量也多,，這些時統(tǒng)設(shè)備同時在靶場時統(tǒng)通信系統(tǒng)中工作，設(shè)備適應(yīng)傳輸信道的能力,、工作性能如何均體現(xiàn)在設(shè)備的對時精度上,。
1 影響時統(tǒng)對時精度的因素
1.1 時統(tǒng)設(shè)備工作方式
時統(tǒng)設(shè)備對時工作方式主要有接收上級IRIG-B碼對時,、1 c/s對時、接收GPS或北斗時間信息對時,、本機守時4種,，前3種主要接收上級時間標(biāo)準完成本機對時，當(dāng)設(shè)備無法接收上級時間標(biāo)準時采用第4種工作方式,。目前靶場主要采用接收上級IRIG-B碼對時,、接收GPS或北斗時間信息對時方式。
1.1.1 接收上級IRIG-B碼對時
時統(tǒng)中心站輸出IRIG-B（AC）碼,，經(jīng)過通信信道傳輸?shù)较录墪r統(tǒng)站,，時統(tǒng)端站接收IRIG-B（AC）碼，經(jīng)過放大,、解調(diào),、對時、同步,、修正等步驟實現(xiàn)與時統(tǒng)中心站標(biāo)準時間同步,。
1.1.2接收GPS或北斗時間信息對時
此類為單站工作方式，時統(tǒng)站不接收上級時統(tǒng)站輸出IRIG-B(AC)碼,，直接接收GPS或北斗時間信息和定時信號對時,，實現(xiàn)與標(biāo)準時間同步。
1.2 時統(tǒng)信號傳輸方法
靶場時統(tǒng)信號傳輸主要是IRIG-B(AC)碼傳輸,，主要方法為實線傳輸和數(shù)字信道傳輸,。實線傳輸主要用于短距離傳輸，其傳輸時延小,，經(jīng)過時延修正后同步誤差滿足時統(tǒng)國軍標(biāo)對時精度≤10 ?滋s的要求[1],。數(shù)字信道傳輸?shù)慕涌诓捎靡纛l接口,將IRIG-B(AC)碼通過數(shù)模轉(zhuǎn)換,、調(diào)制,、解調(diào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換,，實現(xiàn)模擬信號的音頻數(shù)字傳輸,。
1.3 影響時統(tǒng)對時精度的因素
1.3.1 數(shù)字信道傳輸?shù)挠绊?/strong>
IRIG-B(AC)碼是調(diào)幅脈沖對1 kHz的正弦波進行幅度調(diào)制，調(diào)制幅度比為10:3,，調(diào)制過程中要求時刻與相位對應(yīng),調(diào)幅脈沖由2 ms,、5 ms、8 ms脈寬三種脈沖組成,，脈沖周期10 ms,。各脈沖的傅里葉級數(shù)表達式為。
目前IRIG-B(AC)碼傳輸主要通過數(shù)字光纖和數(shù)字微波的PCM信道傳輸,，數(shù)字信道傳輸特性主要包括電平,、增益頻率特性,、失真、群時延等,。由于調(diào)制后信號特性與信道特性不匹配,，經(jīng)過信道傳輸后脈寬信號的各頻率分量的放大倍數(shù)、群時延,、失真與頻率分量有關(guān),，造成IRIG-B(AC)碼波形產(chǎn)生畸變，即過零點位置(時刻位置)存在抖動,，高電平信號調(diào)制后的第一個正弦前半周幅度相對較低,，低電平信號調(diào)制后的第一個正弦前半周幅度相對較高，時統(tǒng)設(shè)備解碼時會產(chǎn)生各種誤差[2],。
1.3.2 時延修正方法的影響
目前IRIG-B(AC)碼時統(tǒng)信號傳輸采用PCM復(fù)用設(shè)備4線音頻信道傳輸,PCM復(fù)用設(shè)備上下級傳輸2 Mb/s信號,，信號結(jié)構(gòu)為復(fù)幀、幀,、時隙,，每個復(fù)幀包含16幀，每幀包含32個時隙,，復(fù)幀內(nèi)偶數(shù)幀0時隙包含幀同步信號,。工作時接收方向，本地PCM復(fù)用設(shè)備接收上級2 Mb/s信號,。首先從2 Mb/s信號中提取位同步信號,，同步本地時鐘，再提取幀同步信號,，控制本地按幀存儲,向各用戶板轉(zhuǎn)發(fā)幀信息,，本地幀同步信號由同步后的本地時鐘分頻產(chǎn)生，只用于在各用戶板定位轉(zhuǎn)發(fā)幀信號的時隙起始位置,，進行信息提取,、插入，頻率與上級幀同步信號相同,，但相位存在偏差,，每次開機相位均不同，但收發(fā)總時延相同,。此時對于數(shù)據(jù),、語音用戶工作正常，但對于IRIG-B(AC)碼時統(tǒng)信號的時刻信息存在影響,。通過實驗發(fā)現(xiàn),，當(dāng)上下級的幀同步相位一致時，下級設(shè)備信道接收方向和發(fā)送方向時延才相同，但有時存在發(fā)送方向增加一個幀周期產(chǎn)生時延125 μs的現(xiàn)象,。
傳輸時延計算公式：
t=t1+t2+t3+t4
其中：t1為信道傳輸時延,，包含光端機設(shè)備、光纖纜線傳輸時延,；t2為PCM設(shè)備2 Mb/s信號幀存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延,，一般存儲一幀信號時延為125 μs；t3為四線音頻信道PCM編解碼時延,采用TP3070接口芯片,，編碼290 μs,，解碼190 μs,時延相對固定；t4為上下級PCM復(fù)用設(shè)備幀同步信號相位差,最大相差一幀,即在0～125 μs范圍變化,。
而目前同步修正量計算時默認傳輸信道收發(fā)時延相同,，即沒有考慮上級和本機幀同步信號相位差t4，因此也引入0～62.5 μs的同步修正誤差,。
1.3.3 晶振頻率漂移的影響
每臺時統(tǒng)設(shè)備采用的晶振指標(biāo)不可能完全相同,，兩個時統(tǒng)設(shè)備運行速度不同導(dǎo)致在同步間隙中偏差呈一定斜率變化。目前使用晶振精度為1×10-6,，兩臺設(shè)備在1 s的同步周期內(nèi)產(chǎn)生的偏差為：
t偏差=1×10-6×2×1=2 μs
同時由于使用環(huán)境不同,，每臺時統(tǒng)設(shè)備采用晶振的差異，以及時統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部定時分頻鏈路均對時統(tǒng)同步帶來偏差[3],。
2 對時精度測量儀器設(shè)計
2.1 對時精度測量方法
對時精度測量儀由計數(shù)器單元,、單片機單元、串行接口單元和計算機軟件組成,工作原理如圖1所示,。計數(shù)器由輸入信號控制計數(shù)器開始和結(jié)束,，根據(jù)第一個接收到的信號判斷計數(shù)為加計數(shù)或減計數(shù)，輸出3 B計數(shù)數(shù)據(jù),，同時產(chǎn)生中斷信號,，單片機接收中斷信號后從計數(shù)器讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取結(jié)束產(chǎn)生清零信號控制計數(shù)器清零,，進入下一次計數(shù),，同時可根據(jù)實際測量需要，選擇輸出計數(shù)字節(jié)數(shù),。單片機讀取數(shù)據(jù)后通過串行接口輸出至計算機,，計算機接收數(shù)據(jù)并將16進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10進制格式保存,，供分析使用,。
2.2 對時精度測量儀器設(shè)計
2.2.1 計數(shù)器設(shè)計
計數(shù)器設(shè)計采用MAX EPM7128SLC84-15大規(guī)模可編程器件,，使用VHDL編程語言[4]進行硬件編程設(shè)計,，工作流程圖如圖2所示。
計數(shù)器采用晶振頻率為10 MHz，經(jīng)過整形,、分頻供計數(shù)器單元使用,。計數(shù)頻率為10 MHz，計數(shù)精度為0.2 μs,，采用3 B計數(shù)數(shù)據(jù)輸出,，可測量信號時間間隔最大為16.7 s，最小為0.2 μs,，滿足目前時統(tǒng)對時精度測量需求,。計數(shù)器仿真結(jié)果如圖3、圖4所示,。圖中resetin為開機復(fù)位信號,，clkin為時鐘信號(仿真時鐘頻率為1 MHz)，a,、b為被測輸入脈沖信號,，en為計數(shù)器輸出信號,用于觸發(fā)單片機中斷程序，rd為單片機輸出控制信號,完成對計數(shù)器結(jié)果讀取和清零,。圖3第1組輸入信號仿真輸出第1字節(jié)為10 H,， 第2、3字節(jié)為00H,，結(jié)果為16 μs,； 第2組輸入信號仿真輸出第1字節(jié)為 03H，第2,、3字節(jié)為00H,，結(jié)果為3 μs；圖4第1組輸入信號仿真輸出第1字節(jié)為 F0H,，第2,、3字節(jié)為FFH，結(jié)果為16 ?滋s,；第2組輸入信號仿真輸出第1字節(jié)為FEH,，第2、3字節(jié)為FFH,，結(jié)果為3 μs,。
2.2.2 輸出接口設(shè)計
輸出接口包括單片機數(shù)據(jù)讀取控制和串口輸出兩部分組成，單片機數(shù)據(jù)讀取控制采用AT89C2051-24PU單片機設(shè)計,，使用匯編語言編程[5],，通過軟件完成輸出字節(jié)選擇、計數(shù)結(jié)果輸出,、計數(shù)器清零等控制,。串口輸出采用標(biāo)準的MAX232CPE 串口電平轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計，完成TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換，滿足與計算機串行接口連接要求,。采用C語編寫進制轉(zhuǎn)換程序,，自動實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)16進制到10進制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲，自動記錄測量結(jié)果,。
3 時統(tǒng)設(shè)備測量結(jié)果分析
經(jīng)過實驗,，采用時統(tǒng)精度測量儀器對目前使用的時統(tǒng)設(shè)備進行測量，經(jīng)過對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),，影響時統(tǒng)設(shè)備對時精度因素主要有晶振頻率漂移的影響和傳輸信道的影響,。
3.1 晶振影響
3.1.1 預(yù)熱階段
如圖5所示，設(shè)備開機后至少需要經(jīng)過300 s后,，對時精度趨于穩(wěn)定,。
3.1.2 晶振精度
如圖6所示，兩臺時統(tǒng)設(shè)備采用實纜連接,，采用IRIG—B(AC)碼同步對時,，對時精度在10 μs，由于兩個時統(tǒng)設(shè)備運行速度不同,從而導(dǎo)致在同步間隙中偏差呈一定斜率變化,。
3.2 傳輸信道影響
如圖7所示,，兩臺時統(tǒng)設(shè)備通過傳輸信道連接，采用IRIG—B(AC)碼同步對時,，由于信道,、修正量算法影響，對時精度明顯降低,。
通過分析,、測試，IRIG-B(AC)碼通過PCM信道傳輸對時統(tǒng)對時精度影響主要由IRIG-B(AC)碼本身特性,、傳輸信道特性,、時延修正方法、時統(tǒng)設(shè)備本身晶振,、輸入輸出接口等方面產(chǎn)生,，在今后使用過程中通過采用設(shè)備預(yù)熱、保持使用環(huán)境穩(wěn)定,，根據(jù)傳輸信道特性,，合理調(diào)整時統(tǒng)設(shè)備接口參數(shù)、完善時統(tǒng)修正量計算等方法,，不斷提高時統(tǒng)對時精度,。
參考文獻
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