一種利用SDH通道傳輸航天測量船時間信息的方案?

黃國雄，馬云龍

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

一種利用SDH通道傳輸航天測量船時間信息的方案?

黃國雄，馬云龍

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

測量船通過IRIG-B（DC）碼來傳輸時間信息，針對傳統(tǒng)B碼時間信息傳輸中存在的不足，根據(jù)SDH傳輸時延的確定性特點，提出基于SDH的高精度時間信息傳輸方案，通過SDH反向通道環(huán)回時間信息，利用時延自適應補償算法來抵消SDH通道傳輸時延。設計制作的時延補償設備成功應用于測量船內(nèi)部時間信息傳輸，經(jīng)過測試表明，傳輸后的時間信息準確度由補償前的數(shù)百微秒提高到補償后的優(yōu)于10μs，遠遠高于系統(tǒng)對時間信息準確度的要求。

航天測量船；信息傳輸；SDH；傳輸時延；時間信息；時延補償

1 引言

航天遠洋測量船通過時統(tǒng)站為各系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間基準，采用IRIG-B（DC）碼（以下簡稱B碼）傳輸標準時間信息。傳統(tǒng)的時間信息傳輸方案是采用雙絞線專線進行傳輸，在傳輸距離較遠時信號衰減和畸變明顯，影響時間信息解碼的準確性。另外，采用專線傳輸時，時統(tǒng)解碼終端的配置受到布線的限制，一旦安裝完成就不方便更改，不能適應今后系統(tǒng)升級帶來的需求變化。在新一代航天遠洋測量船上，基于SDH體制的綜合信息傳輸平臺得到了廣泛應用，它是一種集圖像、語音、數(shù)據(jù)等多媒體信息的傳輸、交換于一體的綜合集成傳輸系統(tǒng)，通過綜合信息傳輸平臺的應用，在測量船上實現(xiàn)了電話、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、多媒體等多業(yè)務的分布式接入，大大簡化了系統(tǒng)布線，降低了信號畸變，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。通過SDH通道傳輸時間信息，可以充分利用現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡，實現(xiàn)時統(tǒng)解碼終端的分布式接入，不僅可以大大簡化系統(tǒng)布線，提高信號傳輸質(zhì)量，而且可以實現(xiàn)時統(tǒng)解碼終端的靈活配置，以適應未來的需求變化。

2 SDH時延組成和特點分析

SDH是由許多網(wǎng)元節(jié)點單元組成的，在光纖上進行同步信息傳輸、復用、分插和交叉連接的網(wǎng)絡［1］。SDH的基本傳輸通道是各網(wǎng)元節(jié)點間端到端的傳輸，SDH時延就是傳輸通道端到端的時延。SDH端到端的傳輸時延主要包括傳播時延、存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延和網(wǎng)元節(jié)點的處理時延。

2.1 傳播時延

SDH節(jié)點間采用單模光纖傳輸，光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，因此，光線在光纖中傳播的路程就是光纖的長度，傳播時延就是光在光纖中傳播所需的時間。光在纖芯內(nèi)的傳播速度為

光線在長度為l的單模光纖中傳播的時間為

式中，c為真空中光速（3×105km／s）；l為傳輸距離（km）；n1為光纖芯區(qū)折射率，典型值為1.48，于是光信號在光纖中的傳播時延約為4.93μs／km。傳播時延只與光纖的長度即傳輸距離有關，在固定的傳輸距離下，傳播時延是固定的。

2.2 存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延

SDH幀由許多個字節(jié)數(shù)據(jù)組成，這些數(shù)據(jù)存儲在幀緩沖區(qū)內(nèi)，存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延是將SDH幀的所有比特傳送到鏈路的時間。存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延與幀的長度和線路接口速率有關：

SDH基本幀長為9×270 byte，不同等級的SDH幀長與傳輸速率成比例增加，因此，對不同的SDH傳送等級，存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延為

式中，n為SDH傳送等級（1、4、16等）。由此可知，在不同的SDH傳送等級中，存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延是固定的，均為125μs。

2.3 節(jié)點處理時延

除了傳輸線路和存儲轉(zhuǎn)發(fā)會產(chǎn)生時延外，網(wǎng)元節(jié)點設備中還有緩存器、時隙交換單元和其它數(shù)字處理設備，數(shù)據(jù)在這些設備中進行處理時會產(chǎn)生處理時延。SDH設備產(chǎn)生處理時延的主要環(huán)節(jié)有指針調(diào)整處理、固定塞入處理、內(nèi)部接口處理、連接處理及映射和去映射處理等，不同的設備由于設計方法的不同會有不同的時延結(jié)果。

2.4 時延測量

測量船綜合信息傳輸平臺提供的數(shù)據(jù)傳輸通道接口有RS、E1／V.35、以太網(wǎng)等，從這些接口輸入的數(shù)據(jù)通過不同的方式復用成SDH信號。在我國的光同步傳輸網(wǎng)技術體制中，規(guī)定以2 048 kbit／s的PDH信號作為SDH的有效載荷，因此，以上各業(yè)務信號除速率為2 048 kbit／s的E1／V.35接口不需要變換外，其余業(yè)務均需要先復用成2 048 kbit／s的信號或由多個2 048 kbit／s的信號復用而成，在信號的復用過程中將產(chǎn)生較大的處理時延。不同數(shù)據(jù)業(yè)務的時延測試數(shù)據(jù)見表1。

以上測試數(shù)據(jù)為相鄰網(wǎng)元節(jié)點間的時延數(shù)據(jù)，傳輸時延與鏈路經(jīng)過的網(wǎng)元節(jié)點數(shù)有關，經(jīng)過的網(wǎng)元節(jié)點越多，時延越大。由表1可知，E1業(yè)務時延最小，其余業(yè)務時延均高于E1業(yè)務，時延測試結(jié)果與前述理論分析是一致的。

3 時間信息傳輸方案

由以上SDH時延分析及時延測試數(shù)據(jù)可知，E1／V.35接口傳輸時延較小，考慮到接口電平匹配，采用2 048 kbit／s的V.35通道道作為B碼時間信號的傳輸通道［2］。由B碼幀格式可知，B碼幀周期為1 s，每幀包含10個碼段，每個碼段又包含10個碼元［3］，每個碼元周期為10ms，采用2ms、5ms、8ms 3種寬度的脈沖表示不同信號，這3種脈沖可以分解為1 ms脈沖的組合，可以認為B碼信號中包含的最小脈沖為1ms，因此，B碼信號可以看作為速率為1 kbit／s的數(shù)據(jù)，只要采用大于1 kbit／s的傳輸通道即可傳輸，但B碼中還包含重要的基準碼元信息，在傳輸中對碼元的采樣會產(chǎn)生采樣誤差，對碼元的最大采樣誤差為1 bit，因此，用來傳輸B碼的傳輸通道速率越高，則碼元的采樣誤差越小。通過2 048 kbit／s的V.35通道傳輸B碼時，最大采樣誤差約0.49μs，相對于SDH的總體傳輸時延來講可以忽略不計。

由SDH的時延組成和特點可知，在SDH的傳輸時延中傳播時延、存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延是固定的，節(jié)點處理時延與傳輸通道的時隙配置有關系，不同的時隙配置會產(chǎn)生不同的節(jié)點處理時延，一旦傳輸通道配置完畢，時隙配置就固定下來，此時，SDH的節(jié)點處理時延也是固定的。因此，在配置好的SDH傳輸通道中端到端的總體時延也是固定的，只要準確測量出傳輸通道端到端的傳輸時延，就可以采取時延補償?shù)霓k法來抵消傳輸過程中的時延，實現(xiàn)時間信息的精確傳輸。

SDH傳輸網(wǎng)絡一般采取環(huán)形網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，這種傳輸方式不適合端到端時延的測量，用來傳輸B碼的傳輸通道必須配制成雙向通道，且確保正、反向通道傳輸路徑相同。根據(jù)SDH數(shù)據(jù)處理的對稱性特點可知，傳輸路徑相同的正、反向通道的傳輸時延是基本相同的，將正向通道傳輸?shù)男盘柾ㄟ^反向通道進行環(huán)回，只需要測出環(huán)回信號的時延，就可以通過計算得到傳輸時延。

以節(jié)點1到節(jié)點3的傳輸為例，基于SDH的B碼傳輸信號流程圖見圖1。時統(tǒng)站輸出的B碼經(jīng)過時延補償設備進行時延補償后從節(jié)點1接入SDH的正向通道（圖中的實線部分），經(jīng)過節(jié)點2傳輸?shù)焦?jié)點3，從節(jié)點3引出到用戶終端，在用戶端將B碼信號環(huán)回接入節(jié)點3反向通道（圖中的虛線部分），經(jīng)過節(jié)點2傳輸回到節(jié)點1，從節(jié)點1引出到時延補償設備。時延補償設備測量環(huán)回B碼與輸入B碼的延時來計算傳輸時延，根據(jù)自適應算法對補償值進行修正，實現(xiàn)對傳輸時延的完全補償，最終到達用戶終端的B碼與時統(tǒng)站輸出的B碼準確對齊。

4 時延補償電路設計

4.1 時延補償自適應算法

由B碼幀結(jié)構(gòu)可知，B碼的準時點為基準碼元的上升沿，碼元周期為10ms，每個碼元的上升沿時刻是固定的，因此，在時延補償算法中以碼元上升沿作為延時的起始基準點。假設單向傳輸時延為x，則輸出B碼應比輸入B碼超前x。時延補償算法如圖2所示，以第i個輸入碼元為例，在碼元脈沖的上升沿開始計時，延時y后產(chǎn)生第i+1個輸出碼元，此時，相對于第i+1個輸入碼元來講輸出碼元超前了x，即實現(xiàn)了時延的補償。

由圖2可知，傳輸時延x加上輸出延時y剛好是一個碼元周期10ms，因此，輸出延時為

初始狀態(tài)下時延補償設備的補償量（即輸出延時y）為0，根據(jù)測量得到時延x，通過公式（5）計算得到y(tǒng)，利用y對補償量進行修正，在B碼的每個周期均進行補償量的修正，經(jīng)過幾個周期的迭代補償量達到穩(wěn)定狀態(tài)不再變化時，即實現(xiàn)了傳輸時延的自適應補償。

4.2 單片機電路設計

時延補償設備采用Ateml公司的ATtiny2313單片機來設計，電路圖如圖3所示。時統(tǒng)站輸出的B碼經(jīng)接口轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為TTL電平后接入單片機的輸入捕獲（ICP）引腳，從SDH反向通道環(huán)回的B碼同樣經(jīng)接口轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為TTL電平后接入單片機的外部中斷（INT0）引腳，通過單片機的比較匹配輸出（OC1A）引腳輸出經(jīng)過時延補償后的B碼，經(jīng)接口轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為RS-422電平后輸出，通過SDH正向傳輸通道送給用戶終端。單片機主要完成實時時延測量、時延補償計算、B碼解碼、B碼編碼輸出等任務，所有任務都由單片機的軟件運算來實現(xiàn)，充分利用單片機的片內(nèi)資源和高速運算能力，大大簡化電路設計，提高設備工作可靠性。

4.3 單片機軟件設計

時延補償?shù)年P鍵是時延值的取得，一般的做法是將時延測量和時延補償分開進行，首先進行時延的測量，將得到的時延值存入緩存，然后進行時延補償運算，從緩存中讀取預先測得的時延值作為補償值，在這種模式下，每次工作前都要測量時延，在傳輸通道配置發(fā)生變化或者由于其它原因?qū)е聜鬏敃r延發(fā)生變化時，時延補償值不能自動進行更新，會產(chǎn)生較大的傳輸誤差。時延的測量必須有基準點作為參照，在B碼幀結(jié)構(gòu)中，每幀有一個唯一的參照點，那就是基準碼元。因此，將基準碼元作為參照點進行時延測量，可以實現(xiàn)時延的測量和時延補償運算同時進行，實現(xiàn)時延的實時測量和時延補償?shù)淖詣有拚?/p>

時延測量主要由外部中斷、輸入捕捉中斷完成，其中，外部中斷完成環(huán)回B碼基準碼元的解碼，輸入捕捉中斷除完成輸入B碼基準碼元的解碼外，還完成輸入B碼其它有效信息的解碼。B碼的解碼主要是通過測量碼元的脈沖寬度來實現(xiàn)，通過比較碼元脈沖的上升沿、下降沿的計數(shù)值，就可以得到碼元脈沖寬度，根據(jù)碼元脈沖寬度找到基準碼元，從基準碼元開始對B碼碼元進行索引計數(shù)，根據(jù)索引值對照B碼幀結(jié)構(gòu)即可解碼出碼元信息。比較輸入B碼和環(huán)回B碼基準碼元下降沿時刻的計數(shù)值就可計算得到傳輸時延。

輸出B碼編碼主要由輸出比較A匹配、輸出比較B匹配中斷完成，其中，輸出比較B匹配中斷用于輸出延時的計算，輸出比較A匹配中斷用于產(chǎn)生輸出碼元脈沖。在輸入碼元的上升沿，根據(jù)公式（5），由測量得到的時延值計算出輸出B碼的延時值y，設置輸出比較B匹配計數(shù)值，在發(fā)生輸出比較B匹配中斷時，根據(jù)輸出B碼碼元的脈沖寬度設置輸出比較A匹配計數(shù)值，在一個碼元周期內(nèi)發(fā)生兩次輸出比較A匹配中斷，分別產(chǎn)生輸出B碼碼元的高電平和低電平。

5 時延補償精度分析

影響時延補償精度的因素主要有傳輸通道時延抖動、單片機中斷延遲和指令執(zhí)行時間、計數(shù)器計數(shù)周期、傳輸通道采樣誤差、雙向傳輸通道時延不對稱。其中傳輸通道時延抖動遠遠小于傳輸時延，一般為幾十到幾百納秒，最大不超過1μs；單片機中斷延遲和指令執(zhí)行時間是固定值，可以在單片機程序中進行修正；計數(shù)器時鐘為1 MHz，計數(shù)周期為1μs，由計數(shù)周期產(chǎn)生的最大誤差約為1μs；傳輸通道采樣誤差與傳輸速率有關，在2 048 kbit／s的V.35通道中約0.5μs；由于SDH正反向傳輸通道的時隙不同，會導致時延不對稱，通過將正反向傳輸通道的時隙配置為相鄰時隙來減少SDH雙向通道時延不對稱。綜合以上各種因素的影響，時延補償?shù)目傉`差不超過10μs。

6 結(jié)束語

高精度的時間信息傳輸在航天遠洋測控系統(tǒng)中具有重要意義。本文通過理論分析和實際測試得出SDH傳輸通道具有時延確定性的特點，基于這一特點，提出通過SDH通道傳輸時間信息的方案，并采用自適應時延補償?shù)姆椒▉淼窒鸖DH通道的傳輸時延。設計的時延補償設備成功應用于測量船內(nèi)部的時間信息傳輸，經(jīng)過測試表明，傳輸后的時間信息準確度由補償前的數(shù)百微秒提高到補償后的優(yōu)于10μs，遠遠高于系統(tǒng)對時間信息準確度的要求。

該方案為測量船內(nèi)部時間信息傳輸提供了一種新的高精度傳輸途徑，實驗表明，影響傳輸精度的最主要因素是SDH通道雙向時延不對稱性，如果能夠準確測量SDH通道雙向時延，將能夠進一步提高傳輸精度。

［1］肖萍萍，毛謙.SDH原理和技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2002. XIAO Ping-ping，MAO Qian.SDH principles and techniques［M］.Beijing：Beijing Posts and Telecommunication University Press，2002.（in Chinese）

［2］張大元，謝毅.利用光纖數(shù)字同步傳輸網(wǎng)2.048Mbit／s支路傳送高精度標準時間信號［J］.現(xiàn)代電信科技，2006（12）：17-21. ZHANG Da-yuan，XIE Yi.Using 2.048Mbit／s channel of fiber-optic digital synchronous transmission network to transmit high-precision standard time signal［J］.Modern Telecommunications Technology，2006（12）：17-21.（in Chinese）

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GUO Quan-shui.Communication equipment interface protocolmanual［M］.Beijing：People′s Postsand Telecommunications Press，2005.（in Chinese）

HAUNGGuo-xiong was born in Tianmen，Hubei Province，in 1977.He received the B.S.degree from National University of Defense Technology and the M.S.degree from Shanghai Jiaotong University in 1998 and 2007，respectively.He is now an engineer.His research concerns communication system.

Email：h-gx＠163.com

馬云龍（1983—），男，重慶合川人，2006年于四川大學獲雙學士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事衛(wèi)星通信工作。

MA Yun-long was born in Hechuan，Chongqing，in 1983.He received the dual B.S.degree from Sichuan University in 2006.His research concerns satellite communication.

A Scheme for Transm itting Time Code of Space TT＆C Ship through SDH Channel

HUANGGuo-xiong，MAYun-long
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

The space TT＆C ship transmits time information through IRIG-B（DC）code.In view of the disadvantage in traditional B code time information transmission，according to the certainty of SDH transmission delay，a novel time information transmission scheme is proposed based on SDH.In the scheme，the loopback time information by back channel SDH is utilized，and a delay compensation device is designed tomeasure the SDH transmission delay and correct delay compensation value automatically in real-time.Finally，the delay compensation device is deployed in TT＆C ship to transmit time information between systems.Test shows that the accuracy of transmission time information is better than 10μs，much higher than that of system requirement.

space TT＆C ship；information transmission；SDH；transmission delay；time code information；delay compensation

TN914.332

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.023

黃國雄（1977—），男，湖北天門人，1998年于國防科技大學獲學士學位，2007年于上海交通大學獲碩士學位，現(xiàn)為工程師，主要從事通信總體工作；

1001-893X（2011）11-0112-05

2011-05-26；

2011-09-02