戴群雄，霍海強，賈杰峰

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

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一種基于北斗授時的B碼終端設(shè)計與實現(xiàn)

戴群雄1，2，霍海強1，2，賈杰峰1，2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2．衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

摘要針對眾多領(lǐng)域的用戶在組建時頻網(wǎng)絡(luò)時對高精度時間同步的需求，以從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號中解算的時間信息和授時秒脈沖為基準，基于B碼編碼原理，設(shè)計實現(xiàn)了一種高精度B碼授時終端。通過實驗驗證，結(jié)果表明設(shè)計輸出的直流B碼具有優(yōu)于100 ns的同步授時精度，交流B碼具有微秒級的同步授時精度，能作為一個穩(wěn)定的B碼時間源，為用戶提供高精度的B碼授時服務(wù)。

關(guān)鍵詞B碼；授時終端；同步；時間源

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對精密時間及時間的準確度要求越來越高。近年來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迅速崛起，基于北斗授時的時間統(tǒng)一系統(tǒng)(以下簡稱北斗授時時統(tǒng))也應(yīng)運而生，北斗授時時統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和方向的研究也逐步成為熱點，從而使得對時間的準確度和精度的應(yīng)用提升到了一個新的高度。

北斗授時時統(tǒng)中，利用所接收導(dǎo)航信號解算的高精度時間信息綜合實現(xiàn)NTP、B碼、PTP和串口等的高精度授時服務(wù)。B碼是其中一種應(yīng)用最為廣泛的專用時間碼，其特點是速率適中、編碼信息量豐富、通用規(guī)范及使用靈活方便[1]?；诒倍肥跁r的B碼終端在靶場測量、控制、計算、通信、氣象和電力等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

本文從交/直流B碼組成和同步產(chǎn)生原理出發(fā)，設(shè)計了一種能夠溯源到北斗系統(tǒng)時間的B碼授時終端，并對其B碼授時精度進行了實驗驗證，結(jié)合測試結(jié)果，對其輸出交流B碼和直流B碼授時精度進行了分析。

1B碼組成與原理

B碼是一種國際通用的靶場測量與時間統(tǒng)一系統(tǒng)專用時間碼，主要用于保持被控對象與測量系統(tǒng)時間的高度統(tǒng)一，并提供高精度的時間信號[2]。

目前，國內(nèi)通用的B碼格式分2個版本，即GJB 2991-1997《B時間碼接口終端通用規(guī)范》規(guī)定的97版B碼和GJB 2991-2008《B時間碼接口終端通用規(guī)范》規(guī)定的2008版B碼。

B碼的時間信息采用BCD碼編碼表示，其編碼格式可參考GJB 2991-1997《B時間碼接口終端通用規(guī)范》中B格式時間碼圖[3]。B碼的時幀速率為1幀/s，1幀包含100個脈沖(碼元)，碼元周期為10 ms。每個碼元序號由索引計數(shù)所確定，索引計數(shù)由準時點起，從0～99。碼元脈寬分為5 ms、2 ms和8 ms，2 ms表征二進制“0”，5 ms表征二進制“1”，8 ms表征位置識別標志“P”[4]。幀格式中，Pr為幀參考點，其寬度為8 ms。每10個碼元有一個位置識別標志：P1，P2，P3，…，P9，P0，它們均為8 ms寬度。一個時間格式幀從幀參考標志開始，連續(xù)2個8 ms寬脈沖表明時幀中秒的開始，從第2個8 ms開始對碼元進行編碼，分別為第0，1，2，…，99個碼元[5]。97版B碼其時間編碼信息包含秒、分、時和天，如表1所示。

表1　97版B碼時間編碼

2008版B碼相對于97版B碼，增加了閏秒修正標志和年的編碼。其中，年的個位和十位的BCD編碼交替出現(xiàn)在索引計數(shù)的45～48位，閏秒標志用于控制B碼終端進行閏秒調(diào)整，閏秒標志碼元為索引計數(shù)為27、28所對應(yīng)的2個碼元[6]。用戶在解調(diào)2008版B碼時間時，需要嚴格參照GJB 2991-2008《B時間碼接口終端通用規(guī)范》里關(guān)于閏秒的說明，即當B碼傳輸?shù)臅r間需要向后閏秒調(diào)整時，閏秒標志編碼為01；當需要向前閏秒調(diào)整時，閏秒標志編碼為10。

2系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于北斗授時的B碼終端主要由授時與時間信息提取模塊、直流(DC)碼生成模塊和交流(AC)碼生成模塊這3個模塊組成。其設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計框圖

2.1授時與時間信息提取模塊

授時與時間信息提取模塊主要由北斗授時模塊、中心處理模塊和高穩(wěn)晶振3個模塊組成。其中，北斗授時模塊的主要功能是接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，經(jīng)解調(diào)，輸出高精度的代表北斗時的授時1 PPS和TOD信息(含北斗時間以及授時狀態(tài)等信息)；中心處理模塊的主要功能：① 接收北斗授時模塊的TOD信息，提取年、月、日、時、分和秒時間信息，并將時間信息輸出給DC碼生成模塊[7]；② 根據(jù)北斗授時1 PPS和TOD信息，對高穩(wěn)晶振進行馴服，校準其10 MHz信號；③ 根據(jù)校準后的10 MHz，綜合產(chǎn)生精度更高的系統(tǒng)10 MHz和1 PPS，提供頻率和同步參考；④ 產(chǎn)生B碼程控信息。

2.2DC碼生成模塊

DC碼生成模塊的主要功能是接收中心處理模塊輸出的時間信息、程控信息、10 MHz和1PPS，按照GJB 2991-1997或GJB 2991-2008B碼編碼格式，以10 MHz和1 PPS為參考，通過寄存器存儲表示相應(yīng)二進制0、1和位置識別標志的值，為了使DC-B碼的幀頭與1 PPS同步，需要在檢測到1 PPS上升沿之后開始產(chǎn)生B碼，然后將產(chǎn)生的B碼與1 PPS進行同步處理，使得DC-B碼與1 PPS同步輸出[8]。DC-B碼生成原理如圖2所示。

圖2　DC-B碼生成原理

2.3AC碼生成模塊

AC碼生成模塊主要由數(shù)字調(diào)制器、DA轉(zhuǎn)換模塊和濾波模塊組成，其主要功能是以10 MHz和1 PPS為參考，采用1 kHz正弦波對DC-B碼進行幅度調(diào)制，綜合、同步輸出AC-B碼，AC-B碼的幅度和調(diào)制比可控。AC-B碼產(chǎn)生的技術(shù)原理：以輸入的DC-B碼為基礎(chǔ)，接收中心處理模塊給出的程控信息，控制數(shù)字調(diào)制器按照指定的幅度和調(diào)制比輸出對應(yīng)的數(shù)控地址，通過數(shù)控地址線控制DA轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號，最后經(jīng)過濾波處理后得到相應(yīng)幅度和調(diào)制比的AC-B碼。AC-B碼生成原理如圖3所示。

圖3　AC-B碼生成原理

由于AC-B碼是由1 kHz正弦波對DC-B碼進行幅度調(diào)制得到，二者的相位關(guān)系保持一致，調(diào)制關(guān)系如圖4所示。AC-B碼低幅到高幅的正弦信號的過零點(圖4中的A點)與DC-B碼的準時點嚴格保持一致。圖4中，N代表調(diào)制比，NX代表幅度。

圖4　AC-B碼與DC-B碼調(diào)制關(guān)系示意

3實驗驗證與分析

B碼高精度授時能解決靶場測量、通信等行業(yè)應(yīng)用中的時間同步問題。B碼授時一般采用主從結(jié)構(gòu)，B碼授時終端為主機，位于各個用戶端的解碼終端為從機。主機輸出B碼，并分發(fā)給各用戶端；用戶端按照B碼幀結(jié)構(gòu)進行解碼，可以恢復(fù)出時間，從而實現(xiàn)B碼授時。為了驗證基于北斗授時的B碼終端其B碼授時性能，按照圖5所示框圖搭建驗證平臺。

圖5　B碼終端授時性能驗證原理

圖5中，1PPS是北斗授時1PPS對高穩(wěn)晶振進行馴服之后輸出的1PPS，其保持了真實北斗授時1PPS的長穩(wěn)特性和高穩(wěn)晶振好的短穩(wěn)特性，以其作為同步參考來驗證DC-B碼和AC-B碼的授時性能。示波器采集到的DC-B碼和AC-B碼與1PPS的整體相位關(guān)系如圖6所示，提高示波器分辨率后，采集到DC-B碼與1PPS的相位關(guān)系圖以及AC-B碼與1PPS的相位關(guān)系如圖7和圖8所示。

圖6　DC-B碼和AC-B碼與1PPS的整體相位關(guān)系

圖7　DC-B碼與1PPS的相位關(guān)系

圖8　AC-B碼與1PPS的相位關(guān)系

圖7中，DC-B碼幀頭與1PPS同步誤差為84 ns，控制在100 ns以內(nèi)，由于B碼產(chǎn)生的頻率參考為10 MHz，其周期為100 ns，故同步精度理論上會控制在100 ns以內(nèi)。如果需要使輸出B碼達到更高的同步精度，可以采用10 MHz倍頻法來實現(xiàn)。DC-B碼采用脈寬調(diào)制的方式產(chǎn)生，由于脈沖信號的頻譜豐富，不易于長距離傳輸。因此，只適用于用電纜傳輸至近距離的用戶[9]。

圖8中，AC-B碼幀頭與1PPS同步誤差為800 ns，控制在1 μs以內(nèi)。AC-B碼的幅度和調(diào)制比可以進行調(diào)整，以滿足用戶的不同需求，同時AC-B碼相比DC-B碼具有較強的長距離傳輸能力，為距離較遠的分布式用戶提供了實現(xiàn)遠程組網(wǎng)時間同步的可行手段，具有很好的工程應(yīng)用價值[10]。

4結(jié)束語

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，北斗授時能力會不斷提升，同時隨著各類授時手段的不斷豐富，基于北斗系統(tǒng)的授時應(yīng)用會逐步得到擴展。本文結(jié)合高精度北斗授時原理和B碼產(chǎn)生原理，設(shè)計了一種基于北斗授時的B碼終端，其在溯源到北斗系統(tǒng)時間的基礎(chǔ)上，同步輸出DC-B碼和AC-B碼，可作為北斗授時的一種典型應(yīng)用，裝備于衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)、通信與指揮系統(tǒng)、智能景區(qū)等多個領(lǐng)域，為各行業(yè)用戶提供高精度授時服務(wù)。

參考文獻

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戴群雄男，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：時間頻率技術(shù)。

霍海強男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：時間頻率技術(shù)。

引用格式：戴群雄,霍海強,賈杰峰.一種基于北斗授時的B碼終端設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2016,46(1):53-56.

Design and Implementation of a B-code Terminal Based on

Beidou Timing Service

DAI Qun-xiong1,2,HUO Hai-qiang1,2,JIA Jie-feng1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn view of the requirements of users in multiple domains for high-precision time synchronization in time and frequency network constitution,using timing information and timing second pulse as a reference,a kind of high-precision B-code timing terminal is designed based on B-code coding principle.The experiment results show that the synchronous timing precision of B code(DC)of this terminal is better than 100 ns,and that of B code(AC)is of millisecond level,so this terminal can serve as a stable B-code source,providing users with high-precision B code timing service.

Key wordsB code;timing service terminal;synchronization;B-code source

作者簡介

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2012AA121801；2015AA124001)。

收稿日期：2015-10-13

中圖分類號TN965.3

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0053-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.13