时统对时精度测量设备的设计与研究

摘   要： 通过对时统对时精度影响因素的分析，提出了时统对时精度测量设备的设计和实现。经过实测、分析，提出提高时统设备对时精度的方法。
关键词：IRIG-B码； 对时精度； VHDL

　　时间统一系统（简称时统）是靶场时统通信系统的一部分，是靶场的时间基准和频率基准，为测量控制系统提供统一的时间尺度，目前时间信息传输采用国军标规定的IRIG-B码方式。随着数字通信技术发展,通信传输手段更加多样化；新武器系统不断发展，靶场被测目标速度、飞行距离不断提高；测量站点分布更加分散，为了更好地完成被测目标的测量任务，不仅对测量设备精度提出了要求，而且对时统对时精度也提出了更高要求。靶场目前时统设备的种类多，参与生产的厂家数量也多，这些时统设备同时在靶场时统通信系统中工作，设备适应传输信道的能力、工作性能如何均体现在设备的对时精度上。
1 影响时统对时精度的因素
1.1 时统设备工作方式
　　时统设备对时工作方式主要有接收上级IRIG-B码对时、1 c/s对时、接收GPS或北斗时间信息对时、本机守时4种，前3种主要接收上级时间标准完成本机对时，当设备无法接收上级时间标准时采用第4种工作方式。目前靶场主要采用接收上级IRIG-B码对时、接收GPS或北斗时间信息对时方式。
1.1.1 接收上级IRIG-B码对时
　　时统中心站输出IRIG-B（AC）码，经过通信信道传输到下级时统站，时统端站接收IRIG-B（AC）码，经过放大、解调、对时、同步、修正等步骤实现与时统中心站标准时间同步。
1.1.2接收GPS或北斗时间信息对时
　　此类为单站工作方式，时统站不接收上级时统站输出IRIG-B(AC)码，直接接收GPS或北斗时间信息和定时信号对时，实现与标准时间同步。
1.2 时统信号传输方法
　　靶场时统信号传输主要是IRIG-B(AC)码传输，主要方法为实线传输和数字信道传输。实线传输主要用于短距离传输，其传输时延小，经过时延修正后同步误差满足时统国军标对时精度≤10 滋s的要求[1]。数字信道传输的接口采用音频接口,将IRIG-B(AC)码通过数模转换、调制、解调、模数转换，实现模拟信号的音频数字传输。
1.3 影响时统对时精度的因素
1.3.1 数字信道传输的影响
　　IRIG-B(AC)码是调幅脉冲对1 kHz的正弦波进行幅度调制，调制幅度比为10:3，调制过程中要求时刻与相位对应,调幅脉冲由2 ms、5 ms、8 ms脉宽三种脉冲组成，脉冲周期10 ms。各脉冲的傅里叶级数表达式为。

　　目前IRIG-B(AC)码传输主要通过数字光纤和数字微波的PCM信道传输，数字信道传输特性主要包括电平、增益频率特性、失真、群时延等。由于调制后信号特性与信道特性不匹配，经过信道传输后脉宽信号的各频率分量的放大倍数、群时延、失真与频率分量有关，造成IRIG-B(AC)码波形产生畸变，即过零点位置(时刻位置)存在抖动，高电平信号调制后的第一个正弦前半周幅度相对较低，低电平信号调制后的第一个正弦前半周幅度相对较高，时统设备解码时会产生各种误差[2]。
1.3.2 时延修正方法的影响
　　目前IRIG-B(AC)码时统信号传输采用PCM复用设备4线音频信道传输,PCM复用设备上下级传输2 Mb/s信号，信号结构为复帧、帧、时隙，每个复帧包含16帧，每帧包含32个时隙，复帧内偶数帧0时隙包含帧同步信号。工作时接收方向，本地PCM复用设备接收上级2 Mb/s信号。首先从2 Mb/s信号中提取位同步信号，同步本地时钟，再提取帧同步信号，控制本地按帧存储,向各用户板转发帧信息，本地帧同步信号由同步后的本地时钟分频产生，只用于在各用户板定位转发帧信号的时隙起始位置，进行信息提取、插入，频率与上级帧同步信号相同，但相位存在偏差，每次开机相位均不同，但收发总时延相同。此时对于数据、语音用户工作正常，但对于IRIG-B(AC)码时统信号的时刻信息存在影响。通过实验发现，当上下级的帧同步相位一致时，下级设备信道接收方向和发送方向时延才相同，但有时存在发送方向增加一个帧周期产生时延125 μs的现象。
　　传输时延计算公式：
　　t=t₁+t₂+t₃+t₄
其中：t₁为信道传输时延，包含光端机设备、光纤缆线传输时延；t2为PCM设备2 Mb/s信号帧存储转发时延，一般存储一帧信号时延为125 μs；t3为四线音频信道PCM编解码时延,采用TP3070接口芯片，编码290 μs，解码190 μs,时延相对固定；t4为上下级PCM复用设备帧同步信号相位差,最大相差一帧,即在0～125 μs范围变化。
    而目前同步修正量计算时默认传输信道收发时延相同，即没有考虑上级和本机帧同步信号相位差t4，因此也引入0～62.5 μs的同步修正误差。
1.3.3 晶振频率漂移的影响
　　每台时统设备采用的晶振指标不可能完全相同，两个时统设备运行速度不同导致在同步间隙中偏差呈一定斜率变化。目前使用晶振精度为1×10^-6，两台设备在1 s的同步周期内产生的偏差为：
　　t_偏差=1×10^-6×2×1=2 μs
　　同时由于使用环境不同，每台时统设备采用晶振的差异，以及时统设备内部定时分频链路均对时统同步带来偏差[3]。
2 对时精度测量仪器设计
2.1 对时精度测量方法
　　对时精度测量仪由计数器单元、单片机单元、串行接口单元和计算机软件组成,工作原理如图1所示。计数器由输入信号控制计数器开始和结束，根据第一个接收到的信号判断计数为加计数或减计数，输出3 B计数数据，同时产生中断信号，单片机接收中断信号后从计数器读取数据，数据读取结束产生清零信号控制计数器清零，进入下一次计数，同时可根据实际测量需要，选择输出计数字节数。单片机读取数据后通过串行接口输出至计算机，计算机接收数据并将16进制数据转换成10进制格式保存，供分析使用。

2.2 对时精度测量仪器设计
2.2.1 计数器设计
　　计数器设计采用MAX EPM7128SLC84-15大规模可编程器件，使用VHDL编程语言[4]进行硬件编程设计，工作流程图如图2所示。

　　计数器采用晶振频率为10 MHz，经过整形、分频供计数器单元使用。计数频率为10 MHz，计数精度为0.2 μs，采用3 B计数数据输出，可测量信号时间间隔最大为16.7 s，最小为0.2 μs，满足目前时统对时精度测量需求。计数器仿真结果如图3、图4所示。图中resetin为开机复位信号，clkin为时钟信号(仿真时钟频率为1 MHz)，a、b为被测输入脉冲信号，en为计数器输出信号,用于触发单片机中断程序，rd为单片机输出控制信号,完成对计数器结果读取和清零。图3第1组输入信号仿真输出第1字节为10 H， 第2、3字节为00H，结果为16 μs； 第2组输入信号仿真输出第1字节为 03H，第2、3字节为00H，结果为3 μs；图4第1组输入信号仿真输出第1字节为 F0H，第2、3字节为FFH，结果为16 滋s；第2组输入信号仿真输出第1字节为FEH，第2、3字节为FFH，结果为3 μs。

2.2.2 输出接口设计
　　输出接口包括单片机数据读取控制和串口输出两部分组成，单片机数据读取控制采用AT89C2051-24PU单片机设计，使用汇编语言编程[5]，通过软件完成输出字节选择、计数结果输出、计数器清零等控制。串口输出采用标准的MAX232CPE 串口电平转换芯片设计，完成TTL电平与RS232电平转换，满足与计算机串行接口连接要求。采用C语编写进制转换程序，自动实现接收数据16进制到10进制转换和数据存储，自动记录测量结果。
3 时统设备测量结果分析
　　经过实验，采用时统精度测量仪器对目前使用的时统设备进行测量，经过对数据分析发现，影响时统设备对时精度因素主要有晶振频率漂移的影响和传输信道的影响。
3.1 晶振影响
3.1.1 预热阶段
　　如图5所示，设备开机后至少需要经过300 s后，对时精度趋于稳定。

3.1.2 晶振精度
　　如图6所示，两台时统设备采用实缆连接，采用IRIG—B(AC)码同步对时，对时精度在10 μs，由于两个时统设备运行速度不同,从而导致在同步间隙中偏差呈一定斜率变化。
3.2 传输信道影响
　　如图7所示，两台时统设备通过传输信道连接，采用IRIG—B(AC)码同步对时，由于信道、修正量算法影响，对时精度明显降低。

　　通过分析、测试，IRIG-B(AC)码通过PCM信道传输对时统对时精度影响主要由IRIG-B(AC)码本身特性、传输信道特性、时延修正方法、时统设备本身晶振、输入输出接口等方面产生，在今后使用过程中通过采用设备预热、保持使用环境稳定，根据传输信道特性，合理调整时统设备接口参数、完善时统修正量计算等方法，不断提高时统对时精度。
参考文献
[1]     国防科学技术委员会.GJB2991-97 B时间码接口终端 [S]. 北京：中国标准出版社，1997.
[2]     董天齐. 时统信号数字信道传输误差分析与研究[J].  飞行器测控学报，2004(12):66-74.
[3]     桂本烜,刘锦华.IEEE 1588的高精度时间同步算法的分 析与实现[J]. 电光与控制, 2006(4):90-94.
[4]     边计年,薛宏熙.数字逻辑与VHLD设计[M]. 北京： 清华大学出版社,2005.
[5]     张毅刚,彭喜源.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,1997.