摘 要： 通過(guò)對(duì)時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)精度影響因素的分析,，提出了時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)精度測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè),、分析，提出提高時(shí)統(tǒng)設(shè)備對(duì)時(shí)精度的方法,。
關(guān)鍵詞：IRIG-B碼,； 對(duì)時(shí)精度； VHDL
時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱時(shí)統(tǒng)）是靶場(chǎng)時(shí)統(tǒng)通信系統(tǒng)的一部分,，是靶場(chǎng)的時(shí)間基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn),，為測(cè)量控制系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間尺度，目前時(shí)間信息傳輸采用國(guó)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(chǎng)被測(cè)目標(biāo)速度,、飛行距離不斷提高,；測(cè)量站點(diǎn)分布更加分散，為了更好地完成被測(cè)目標(biāo)的測(cè)量任務(wù),，不僅對(duì)測(cè)量設(shè)備精度提出了要求,，而且對(duì)時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)精度也提出了更高要求,。靶場(chǎng)目前時(shí)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(shí)統(tǒng)設(shè)備同時(shí)在靶場(chǎng)時(shí)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(duì)時(shí)精度上。
1 影響時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)精度的因素
1.1 時(shí)統(tǒng)設(shè)備工作方式
時(shí)統(tǒng)設(shè)備對(duì)時(shí)工作方式主要有接收上級(jí)IRIG-B碼對(duì)時(shí),、1 c/s對(duì)時(shí),、接收GPS或北斗時(shí)間信息對(duì)時(shí)、本機(jī)守時(shí)4種,，前3種主要接收上級(jí)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)完成本機(jī)對(duì)時(shí),，當(dāng)設(shè)備無(wú)法接收上級(jí)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用第4種工作方式。目前靶場(chǎng)主要采用接收上級(jí)IRIG-B碼對(duì)時(shí),、接收GPS或北斗時(shí)間信息對(duì)時(shí)方式,。
1.1.1 接收上級(jí)IRIG-B碼對(duì)時(shí)
時(shí)統(tǒng)中心站輸出IRIG-B（AC）碼，經(jīng)過(guò)通信信道傳輸?shù)较录?jí)時(shí)統(tǒng)站,，時(shí)統(tǒng)端站接收IRIG-B（AC）碼,，經(jīng)過(guò)放大、解調(diào),、對(duì)時(shí),、同步、修正等步驟實(shí)現(xiàn)與時(shí)統(tǒng)中心站標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步,。
1.1.2接收GPS或北斗時(shí)間信息對(duì)時(shí)
此類為單站工作方式,，時(shí)統(tǒng)站不接收上級(jí)時(shí)統(tǒng)站輸出IRIG-B(AC)碼,，直接接收GPS或北斗時(shí)間信息和定時(shí)信號(hào)對(duì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步,。
1.2 時(shí)統(tǒng)信號(hào)傳輸方法
靶場(chǎng)時(shí)統(tǒng)信號(hào)傳輸主要是IRIG-B(AC)碼傳輸,，主要方法為實(shí)線傳輸和數(shù)字信道傳輸。實(shí)線傳輸主要用于短距離傳輸,，其傳輸時(shí)延小,，經(jīng)過(guò)時(shí)延修正后同步誤差滿足時(shí)統(tǒng)國(guó)軍標(biāo)對(duì)時(shí)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(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換,、調(diào)制,、解調(diào)、模數(shù)轉(zhuǎn)換,，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的音頻數(shù)字傳輸,。
1.3 影響時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)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(duì)1 kHz的正弦波進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制幅度比為10:3,，調(diào)制過(guò)程中要求時(shí)刻與相位對(duì)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(jí)數(shù)表達(dá)式為。
目前IRIG-B(AC)碼傳輸主要通過(guò)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(shí)延等,。由于調(diào)制后信號(hào)特性與信道特性不匹配，經(jīng)過(guò)信道傳輸后脈寬信號(hào)的各頻率分量的放大倍數(shù),、群時(shí)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(guò)零點(diǎn)位置(時(shí)刻位置)存在抖動(dòng),，高電平信號(hào)調(diào)制后的第一個(gè)正弦前半周幅度相對(duì)較低，低電平信號(hào)調(diào)制后的第一個(gè)正弦前半周幅度相對(duì)較高,，時(shí)統(tǒng)設(shè)備解碼時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種誤差[2],。
1.3.2 時(shí)延修正方法的影響
目前IRIG-B(AC)碼時(shí)統(tǒng)信號(hào)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(jí)傳輸2 Mb/s信號(hào)，信號(hào)結(jié)構(gòu)為復(fù)幀,、幀,、時(shí)隙，每個(gè)復(fù)幀包含16幀，每幀包含32個(gè)時(shí)隙,，復(fù)幀內(nèi)偶數(shù)幀0時(shí)隙包含幀同步信號(hào),。工作時(shí)接收方向，本地PCM復(fù)用設(shè)備接收上級(jí)2 Mb/s信號(hào),。首先從2 Mb/s信號(hào)中提取位同步信號(hào),，同步本地時(shí)鐘，再提取幀同步信號(hào),，控制本地按幀存儲(chǔ),向各用戶板轉(zhuǎn)發(fā)幀信息,，本地幀同步信號(hào)由同步后的本地時(shí)鐘分頻產(chǎn)生，只用于在各用戶板定位轉(zhuǎn)發(fā)幀信號(hào)的時(shí)隙起始位置,，進(jìn)行信息提取,、插入，頻率與上級(jí)幀同步信號(hào)相同,，但相位存在偏差,，每次開機(jī)相位均不同，但收發(fā)總時(shí)延相同,。此時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù),、語(yǔ)音用戶工作正常，但對(duì)于IRIG-B(AC)碼時(shí)統(tǒng)信號(hào)的時(shí)刻信息存在影響,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，當(dāng)上下級(jí)的幀同步相位一致時(shí)，下級(jí)設(shè)備信道接收方向和發(fā)送方向時(shí)延才相同,，但有時(shí)存在發(fā)送方向增加一個(gè)幀周期產(chǎn)生時(shí)延125 μs的現(xiàn)象,。
傳輸時(shí)延計(jì)算公式：
t=t1+t2+t3+t4
其中：t1為信道傳輸時(shí)延,，包含光端機(jī)設(shè)備,、光纖纜線傳輸時(shí)延；t2為PCM設(shè)備2 Mb/s信號(hào)幀存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延,，一般存儲(chǔ)一幀信號(hào)時(shí)延為125 μs,；t3為四線音頻信道PCM編解碼時(shí)延,采用TP3070接口芯片，編碼290 μs,，解碼190 μs,時(shí)延相對(duì)固定,；t4為上下級(jí)PCM復(fù)用設(shè)備幀同步信號(hào)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(jì)算時(shí)默認(rèn)傳輸信道收發(fā)時(shí)延相同,，即沒(méi)有考慮上級(jí)和本機(jī)幀同步信號(hào)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(tái)時(shí)統(tǒng)設(shè)備采用的晶振指標(biāo)不可能完全相同,，兩個(gè)時(shí)統(tǒng)設(shè)備運(yùn)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(tái)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(shí)由于使用環(huán)境不同，每臺(tái)時(shí)統(tǒng)設(shè)備采用晶振的差異,，以及時(shí)統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部定時(shí)分頻鏈路均對(duì)時(shí)統(tǒng)同步帶來(lái)偏差[3],。
2 對(duì)時(shí)精度測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)
2.1 對(duì)時(shí)精度測(cè)量方法
對(duì)時(shí)精度測(cè)量?jī)x由計(jì)數(shù)器單元、單片機(jī)單元,、串行接口單元和計(jì)算機(jī)軟件組成,工作原理如圖1所示,。計(jì)數(shù)器由輸入信號(hào)控制計(jì)數(shù)器開始和結(jié)束，根據(jù)第一個(gè)接收到的信號(hào)判斷計(jì)數(shù)為加計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù),，輸出3 B計(jì)數(shù)數(shù)據(jù),，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，單片機(jī)接收中斷信號(hào)后從計(jì)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(hào)控制計(jì)數(shù)器清零,，進(jìn)入下一次計(jì)數(shù)，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要,，選擇輸出計(jì)數(shù)字節(jié)數(shù),。單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后通過(guò)串行接口輸出至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)并將16進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制格式保存,，供分析使用,。
2.2 對(duì)時(shí)精度測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)
2.2.1 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)
計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)采用MAX EPM7128SLC84-15大規(guī)模可編程器件,，使用VHDL編程語(yǔ)言[4]進(jìn)行硬件編程設(shè)計(jì),，工作流程圖如圖2所示。
計(jì)數(shù)器采用晶振頻率為10 MHz,，經(jīng)過(guò)整形,、分頻供計(jì)數(shù)器單元使用。計(jì)數(shù)頻率為10 MHz,，計(jì)數(shù)精度為0.2 μs,，采用3 B計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)輸出，可測(cè)量信號(hào)時(shí)間間隔最大為16.7 s,，最小為0.2 μs,，滿足目前時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)精度測(cè)量需求。計(jì)數(shù)器仿真結(jié)果如圖3,、圖4所示,。圖中resetin為開機(jī)復(fù)位信號(hào)，clkin為時(shí)鐘信號(hào)(仿真時(shí)鐘頻率為1 MHz),，a,、b為被測(cè)輸入脈沖信號(hào)，en為計(jì)數(shù)器輸出信號(hào),用于觸發(fā)單片機(jī)中斷程序,，rd為單片機(jī)輸出控制信號(hào),完成對(duì)計(jì)數(shù)器結(jié)果讀取和清零,。圖3第1組輸入信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(jì)
輸出接口包括單片機(jī)數(shù)據(jù)讀取控制和串口輸出兩部分組成，單片機(jī)數(shù)據(jù)讀取控制采用AT89C2051-24PU單片機(jī)設(shè)計(jì),，使用匯編語(yǔ)言編程[5],，通過(guò)軟件完成輸出字節(jié)選擇、計(jì)數(shù)結(jié)果輸出,、計(jì)數(shù)器清零等控制,。串口輸出采用標(biāo)準(zhǔn)的MAX232CPE 串口電平轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)，完成TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換,，滿足與計(jì)算機(jī)串行接口連接要求,。采用C語(yǔ)編寫進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)16進(jìn)制到10進(jìn)制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),，自動(dòng)記錄測(cè)量結(jié)果,。
3 時(shí)統(tǒng)設(shè)備測(cè)量結(jié)果分析
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，采用時(shí)統(tǒng)精度測(cè)量?jī)x器對(duì)目前使用的時(shí)統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量,，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),，影響時(shí)統(tǒng)設(shè)備對(duì)時(shí)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(jī)后至少需要經(jīng)過(guò)300 s后，對(duì)時(shí)精度趨于穩(wěn)定,。
3.1.2 晶振精度
如圖6所示,，兩臺(tái)時(shí)統(tǒng)設(shè)備采用實(shí)纜連接，采用IRIG—B(AC)碼同步對(duì)時(shí),，對(duì)時(shí)精度在10 μs,，由于兩個(gè)時(shí)統(tǒng)設(shè)備運(yùn)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(tái)時(shí)統(tǒng)設(shè)備通過(guò)傳輸信道連接,，采用IRIG—B(AC)碼同步對(duì)時(shí),，由于信道、修正量算法影響,，對(duì)時(shí)精度明顯降低,。
通過(guò)分析、測(cè)試,，IRIG-B(AC)碼通過(guò)PCM信道傳輸對(duì)時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)精度影響主要由IRIG-B(AC)碼本身特性,、傳輸信道特性、時(shí)延修正方法,、時(shí)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(guò)程中通過(guò)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(shí)統(tǒng)設(shè)備接口參數(shù),、完善時(shí)統(tǒng)修正量計(jì)算等方法,，不斷提高時(shí)統(tǒng)對(duì)時(shí)精度。
參考文獻(xiàn)
[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)委員會(huì).GJB2991-97 B時(shí)間碼接口終端 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,，1997.
[2] 董天齊. 時(shí)統(tǒng)信號(hào)數(shù)字信道傳輸誤差分析與研究[J]. 飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),，2004(12):66-74.
[3] 桂本烜,劉錦華.IEEE 1588的高精度時(shí)間同步算法的分 析與實(shí)現(xiàn)[J]. 電光與控制, 2006(4):90-94.
[4] 邊計(jì)年,薛宏熙.數(shù)字邏輯與VHLD設(shè)計(jì)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社,2005.
[5] 張毅剛,彭喜源.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997.