B码同步技术的研究.docx
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B码同步技术的研究
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长春理工大学硕士学位论文B码同步技术的研究姓名:
杨明兴申请学位级别:
硕士专业:
物理电子学(工)指导教师:
王小曼20080401
摘
要
时间统一技术是由于导弹、航天试验的需要而发展起来的--I'-]新技术,随着现代武器装备、导航、通信、电力等科学技术的进步,越来越多的工程和科学领域需要时间同步。
国际标准的IRiG-B格式时间码(简称B码)作为时间同步标准,在靶场测量、控制、通信、气象等设备广泛采用。
本文主要论述了现代化靶场“时间统一系统"的理论与实现方法,研究了利用可编程逻辑器件技术设计靶场时间统一系统的关键技术,并从工程实施的焦度出发,详细阐述了IRIG-B码时统的软硬件设计。
此系统接收时统站发来的IRIG-B码信号,解调出IRIG,-B码的时间信息,完成与时统站送来IRIG-B码信息的同步,同时带有时间源发生器,并内部带有B码源发生器,将时统终端的时间信息进行调制,调制成AC码和DC码,通过传输信道发回B码时间分站,以供时间分站对终端设备进行修时和控制。
通过对(外部参考频率输入或内部石英晶体振荡器输出的)标准频率进行分频,产生本地1PPS信号;利用外部1PPS或者解调1PPS进行时间同步,’产生各种频率的同步时间信号,送给各种测试设备,从而实现整个测试系统的同步。
关键词:
时间统一系统时间同步lRlG-B码可编程逻辑器件ATmegal28
ABSTRACT
Timingsystemis
a
newtechnologyaccompanyingwithrequirementofmissile
and
spaceflight.With
thedevelopmentofmodemweapons,navigation,communicationand
electricpower,moreandmoreengineeringandscientificfieldsneedtimingunification.InternationalpopularIRIG.BcodeiSUSed私timesynchronizationstandard,which,iS
adoptedin
deviceoftestinginshootingrange,controlling,communicationandweather.
Thisthesismainlydealswiththetheory
and
Practiceofmodemshooting
rangetime
designed
system.We
investigatedsomePivotal
technique
aboutshooting
rangetime
system
withProgrammableDetails
on
logic
devicetechnique,whichisreferredtoIRIG—Bcodetimesystem.
thedesignofbothhardwareandsoftwareare
can
givenfrom
theengineeringaspect.
ThetimingequipmentBcode
receiveIRIG?
Bcode
signal
fromtheBcodestation.produce
IRIG—Bcode
time
information,finish
Synchronization
with
from
the
station,demodulateDCcode,ACcodeofIRIG—B,andthentransferserialtime
that
user
tothetype
needsand
alsothesynchronizationpulsethat
kl;印in
phasewiththe
time.The
timing
equipmenthas
thefunctiontogeneratetimeandgenerateIRIGcode,whichissentto
to
basestationofBcode
aajust
time.Generatelocal1PPSsignalbydividingstandard
frequencygeneratedbythestandardthetime
extemreferent
frequency
or
innerquartz
shake;Generate
synchronization
timesignalswhicharesent
1PPSsignal
toa11kinds
ofmeasuringterminalswith
1PPSsignal,thereby,
synchronizationtoextem
or
demodulated
Synchronizationofthewholemeasuring
Keywords:
UnitedTimeSystem
systemcomestrue.
TimeSynchronizationATmegal28
IRIG-BCode
ProgrammableLogicDevice
长春理工大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的硕士学位论文,《侈码l司步镑木自々研、荠.》
是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
…名;彬扣挈日
长春理工大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”,同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
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作者签名:
指导导师签名
啄年立月丑日扭4马芝!
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{
第一章绪论
时间统一系统是整个靶场协同工作的时间标准,各种测量设备都要接收时统信号,使自己的测量数据能与其它设备“同步”起来。
为了向国际标准靠拢,测量通信总体
所建议采用IRIG-B码用于我国靶场站问时间同步“”。
§1.1时间统一系统的概况及重要地位
时间是物理学的基本参量之一,时间也是物质存在的基本形式之一,即所谓四维时空坐标的第四维。
时间测量、时间信息的传递和应用,对于人民生活、国民经济发展,特别是国防建设不可或缺。
随着社会生产力和科学技术的飞速发展,人们对精密时间及时间的基本单位秒所导出的物理量~频率的准确度和稳定度提出了越来越高的
要求嘲。
在靶场,我们把为常规武器试验、导弹试验、航天器发射、测控系统提供标准时
间信号和标准频率信号的一整套电子设备称为时间统一系统,简称“时统”。
它的作用是在导弹和航天试验中,对导弹、航天器进行精密测量(测量其位置、速度、加速度和飞行姿态)和控制(控制其飞行状态)。
时间统一系统的概念也是在靶场最早提出的,也就是说由于导弹、航天器测控这一专业的特殊要求,人们才提出了时间统一系统的理念。
这是因为导弹和航天试验地域辽阔,甚至涉及全球和深空,不可能由单台设备完成测控任务,需要有多台设备和系统,甚至包括天基的系统来完成测控任务,要使所有参试设备协调的工作,得到准确可信的数据信息和资料,这就需要一个统一的时间参考系。
此外,由于导弹和航天器运动速度很快,因此对其进行测控就需要高精度时间信号和信息”1。
虽然时间统一系统是由于导弹、航天实验的需要而发展起来的一门新兴工程学科,但是随着科学技术的发展,越来越多的诸如现代通信、导航、电力调度、天文、大地测量、地震、交通等工程和科学研究领域也对高精度时间提出了需求。
时间统一系统是导弹、航天试验和常规武器试验靶场的重要保障系统,它的服务
对象是:
(1)指挥控制系统:
(2)发射测试系统;(3)测量控制系统和通信系统等。
时间统一系统的任务是:
(1)完成测控站之间、测控站与国家授时台之间的时间同步和频率校准任务,建立靶场统一的时间和频率标准。
(2)向测量控制设备、发射控制设备等提供标准时间、标准频率和各种控制信号。
时间统一系统是向国防科研试验提供标准时间和频率信号,以实现整个实验系统
时间和频率的统一,有各种电子设备组成的一套完整的系统。
完整的时间统一系统的
组成由图1.1所示“”。
用户
用户
卜授时部分+l}.———————一用户部分———————————一
图1.1时间统一系统的组成
其中,国家时间频率基准根据各国不同情况,大多数位于天文台,计量部门或时
间频率标准实验室。
对于某些工作地域较小的国防科研试验,可不需要与国家时间频率标准保持一致,可以根据实际的需要,确定该试验中心的时间频率标准作为本系统的时间频率的统一标准。
授时台可以通过无线电的方式传递时间频率量值,时间统一系统正是基于此,通过授时台送至各个时统设备所在地,以实现整个系统的时间同步。
对于某些工作地域较小的国防科研试验,可不需要与国家时间频率标准保持一致,可以根据实际的需要,采用有线或无线信道,将该系统中心的标准时间频率信号传送到个时统设备。
定时校频接收机用来接收授时台发布的标准时间频率信号,以实现本地时间与标准时间信号的同步和本地频率信号与标准频率信号的校准。
条件允许时,时统设备应配置2种精度相当的定时校频接收机。
频率标准是向时码产生器提供标准频率信号,以让时码产生器产生标准时间信号的源,其频率准确度和频率稳定度直接影响标准时间信号的质量。
时码产生器将频率标准送来的标准频率信号通过分频就可以得到秒、分、时、天等时间标志,但这时的时间并未和标准时间同步;与标准时间对时的过程称为定时,即用定时接收机送来的标准时间信号同步时码产生器的时间。
时统设备与用户设备的接口称为标准时码信号。
时码产生器完成将标准时间编码成标准时码信号,为了保证
其工作的可靠性均进行冗余设计。
时码分配放大器将时码产生器送来的标准时码信号,根据接口标准的规定,变换为与用户设备接口的标准化的时码信号并经分路、放大后送给用户设备。
用户部分采用国际通用的标准时码信号作为时统设备和用户间的标准接口信号,用户所需的各类时间信号不是由时统设备直接提供,而是由用户内的时码接口终端将标准时码信号作为同步信号来产生自己所需的各类时间信号。
时统设备提供给用户设备的应该是标准时间和标准同步信号“”。
时统与用户设备
2
+◆l
§1.2国内外时间统一技术的发展状况
时统设备是向导弹、航天试验各个参试设备提供标准时间信号和标准频率信号的设备,只有各站的参试设备实现了时间同步,才能使整个导弹、航天试验任务得以顺利实施,因此,靶场时统设备是实施对导弹和航天器发射、测量和控制的重要设备之
一O我国的时统设备经历了一个从引进到国产化、从非标准到标准化的过程。
五十年
代末,由于我国第一代战略武器试验的需要,从前苏联引进了第一套时统设备。
从六
十年代到八十年代初期,为满足各种型号试验任务的需要,先后自行研制了多种不同型号的时统设备,并装备到导弹、航天试验靶场和常规武器试验靶场,形成了一个型号工程研制一种时统设备的局面,各型号设备从设计到输出信号种类和参数都不同,加之发射、测控设备的增多,输出信号种类很多,有的台站输出信号达上百路,虽采
用了小规模集成电路,但体积仍很大,设备原理也比较复杂”1。
随着我国武器试验和载人航天工程的实施,对时统设备体制标准化的需求越来越迫切,要实现时统设备标准化,首先要求时统设备向用户设备发送的时间信号标准化。
根据第一、二套靶场标准化时统在靶场应用情况,结合武器试验和载人航天工程的需
求,标准化的时间信号应满足如下条件:
(1)应有丰富的时间信息,对导弹、航天试验应包含有天、时、分、秒等信息;(2)应有使用户接口终端能与时统设备保持高精度时间同步的时间信号,如秒脉冲信号;(3)为简化用户接口终端与时统设备的接口,应选用串行码;(4)为满足远离时统设备的用户设备的使用,应适合远距离输送:
(5)能为国外众多用户设备所接受。
综上可见,标准化的时间信号应是含有时间编码信息;含有与标准时间精确同步的时间信号:
适合于信道传输;其码位最好留有适当空位,以便于特殊情况的需要和为今后发展留有余地。
所谓“时码”就是将时间信息按照一定的顺序和格式进行编码。
例如IRIG—B码就
是隶属于时码范畴,是一种串行BCD调制码。
IRIG(Inter—range靶场仪器组)是美国RCC(Range
CommandersInstrumentationGroup
Council靶场司令委员会)下属机构,成立
于1951年8月,其常设机构在美国白沙导弹靶场。
它是一个非官方机构,但因其成员是由美国各靶场司令及代表等组成,因此,他们的工作得到了国防部有关部门的承认和尊重,特别是其所制定的IRIG标准,有些已经成为国际上的通用标准,在西方国家得到了广泛的应用“”。
1977年原国防科工委将IRIG—B时间码列入我国的国军标进行宣传贯彻,我国靶场也开始正式采用通用的美国IRIG时间码体制,并制定了相应的国军
标。
’
在靶场试验中随着设备所需信息量的增加,对标准化时统设备要求也就越来越高,其中关键的问题之一就是选用什么样的时间码。
IRIG—B(美国靶场仪器组一B型格式)时间码以其实际优越性能,成为靶场时统设备的首选标准码型。
§1.3时间统一系统关键技术指标的要求
(1)时间同步误差
时间同步误差可以说是对时间统一系统最基本的,也是最关键的要求。
时间同步误差可分为绝对时间同步误差(即时间统一系统的时间与时间基准之差)和相对时间同步误差(即时间统一系统内部各站同步时间误差)2种。
从国防科研试验测量的机理来看,对测量误差其主要影响的是相对时间同步误差。
(2)测量准确度和频率误差当测量设备的本振频率需要用时统设备的频率标准来校准时,就会对频率标准的频率准确度提出要求。
此时对频率准确度的要求是应比欲校准的频率准确度高1个数
量级。
(3)频率稳定度频率稳定度表征标准频率信号噪声的大小。
现在趋向于测速设备自配稳定度满足
4
要求的本振源,其频率准确度可用时统设备的频率设备来校准。
时统设备本出于对保证频率准确度和所提供时间信号稳定性要求等的考虑,也会
提出相应的对频率稳定度的要求“”。
(4)取样信号周期抖动取样信号的周期应该准确、均匀,而且必须与秒信号保持严格的同步关系。
大多数情况下,测量系统仅关心取样信号的时刻是否准确,即前面提到的时间同步误差。
但对于测速设备来说,对取样信号周期的一致性提出了很高的要求。
以上四项是国防科研测量系统对时间统一系统关键技术指标的要求,它们是时间统一系统设计、验收最基本的依据。
时间统一系统要根据这些要求,将总误差合理分
配到图1.1的各个环节,再根据分项误差和对时间统一系统的其他要求来设计。
§1.4论文研究的目的和内容
在靶场的许多设备中,其监控系统需要实时记录各种数据,同时要打上正确的时间标记。
实现的方法是在监控系统中配置适当规模的B码时统终端,它接收时统主站输出的IRIG—B码,产生出适合计算机采集的时间信号。
这样的终端设备,往往具备以下3种技术要求:
1)能够对交流B码和直流B码进行处理,最终将时、分、秒、毫秒等时间信息以串行BCD码的形式送入计算机;2)能够准确提取出和主站同步的帧参考点;3)在无B码的情况下,通过键盘预置时间,最终仍将时、分、秒、毫秒信息及同步脉冲输入计机和其它靶场设备。
本论文出于此目的,设计了基于ATmegal28和CPLD技术的新型B码解调终端和接口电路。
在本设计中,采用高速的单片机,超大规模可编程集成电路和少量模拟解调电
路相配合的方法,不仅大大减小了B码终端设备的体积,而且增强了系统稳定性。
本课题的任务是设计高度集成化的靶场时间统一系统,利用目前电子设计自动化中应用较广泛的CPLD技术实现靶场时统设备的高度集成。
在工程实施中,我们选用Atmel公司的ATFl508和Atmel公司的ATmegal28单片机设计了靶场时统设备的几个主要组成部分:
IRIG—B码产生器,IRIG-B码解调器和接口电路,采用数字解调技术,并进行了软,硬件抗干扰设计,在方案设计的基础上进行了软硬件的设计,电路调试,系统联调与测试。
第二章IRIG时间码及其在时间统一系统中的应用
§2.1
IRIG时间码
美国靶场定时系统(timingsystem)时间码的标准化工作是由IRIG(Inter—Range
Instrumentation
Group)所属的通信组负责的。
它所制订的标准时间码格式有二大类,
一类是并行时间码格式,另一类是串行时间码格式。
IRIG文件128—77“IRIG标准并行二进制时间码格式”中规定了四种并行时间码格式,即PBl、PB2、PB3、PB4。
这类时间码主要用于需近距离传输时间信息的场合,它所采用的是分段二进制编码体制,而
不是常用的二一十进制““。
在导弹、航天发射试验中,为了有效地交换不同的试验靶场、承包商、大学和政
府实验室的试验数据,要求使用标准化的时间格式。
这类格式必须用于磁带、记录示波器和胶卷的记录,并能适合于实时传输,以满足人工和自动数据处理的需要。
IRIG通信组考察了导弹、航天等试验以及政府和军事活动的需要,于1960年发表了能满足上述需要的串行时间码标准,即IRIG文件104—60。
该文件规定了A、B、c、D、E五种时间码。
随着导弹和航天试验的不断发展,1970年IRIG对此标准作了修改,即IRIG文件104—70“IRIG标准测量时间格式”。
与1960年的文件相比,新标准增加了G和H两种新格式,取消了c格式。
G格式为速率最高的时间码,而H格式的码元速率为每秒一个,取代码元速率标准(每秒两个)的c格式“…。
六种串行时间码格式的主要参数如
表2.1所示。
表2.1串行时间格式
格式
Ⅱ己IG.AⅡUG.BⅡ己IG—DⅡUG—EⅡUG—GⅡUG—H
时帧周期(秒)
O.11360010O.0160
码元速率(个/秒)
1000100110100001
二十进制信息位数
343016263823
所表示的时间信息天,时,分,秒,0.1秒天,时,分,秒天,时天,时,分,秒
天,时,分,秒,0.1秒
天,时,分
IRIG串行时间码中,时帧周期大于1秒的有D、E、F三种格式,这些码元速率较慢的码主要用于纸带记录等,因此应用不普遍。
A、G二种格式码元速率较高,直接使用可获得较高的分辨率,尤其是G格式是一种较有发展前途的时间码。
而B格式时间
码,由于时帧周期是1秒,最适合靶场及其他用户的需要,因此得到了最为广泛的应
用,可以说绝大多数使用IRIG时间码的场合都是采用B格式时间码。
6
§2.2IRIG-B格式时间码IRIG-B格式时间码(以下简称B码)的波形大致见图2.1所示。
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§2.2.1码格式
B码中每个脉冲称为码元,每个码元的准时参考点是该脉冲的前沿。
码元出现的重复速率称为码元速率,B码码元速率为lOOb/s。
B码中码元的不同宽度代表不同的信息,即B码的信息采用脉宽调制的方法。
B码的码元宽度有3种,即2ms、5ms和8ms。
为了便于获取B码中的信息,每10个码元中的有1个为位置识别标
志,其宽度为8ms,位置识别分别称为P1,P2,…,P9,P0,位置识别标志的速率为
lOpps,需注意其时刻较准时lOpps超前lOms。
参考标志是由位置识别标志PO和相邻的参考码元PR组成的,参考码元PR的宽度也为8ms,而且PR的前沿既为该帧B码的准秒时刻,因此可以说参考码元PR是B码中
最重要的码元。
从参考码元PR开始到位置识别标志P0共100个码元组成了1帧B码,称为1时
帧。
B码的时帧速率为1帧/s。
所有未携带信息的码元其宽度为2ms。
B码每个码元都对应一个索引计数数字,从PR为0开始到PO为99,共100个,索引计数仅为便于表述B码的每一个码元“…。
§2.2.2时间编码
B码中表示时间信息的码元共有30个,如图2.2所示,这些码元称为码字。
表示二进制“l”的码字宽度为5ms,表示二进制“0”的码字宽度为2ms。
B码的时间信息采用二一十进制编码,即十进制时间信息的每一个十进制位中是二
进制编码,它的次序由低到高,它所表达的时间如下:
秒:
从oo到59,共7个码元,即7位;分:
从oo到59,共7位;时:
从00到23,共6位;天:
从001到365或366,共10位,即将每年的1月1日编为第001天,而将12月31日编为第365天或第366天(闰年)。
需注意时间信息所表示的是该帧B码的参考码元PR前沿所在的时刻。
由于B码是串行码,待用户解读出该时间信息时(约需400多毫秒后),它所表示的是已过去的准秒时刻,但这并不妨碍用户获取准确的时间信息。
1。
§2.2.3特标控制信息
在工作中有时需要时统设备向各用户设备发出统一的启动信号,或者向用户设备
送出特殊标志信号,以备事后查找某些特殊事件的发生时刻等,因此在B码中安排有特标控制码元。
对主站工作或独立站工作的时统设备,其特标控制码元为索引计数76、
77、78所对应的3个码元。
对于处于副站工作位置的时统设备,由于要求其在接收到主站时统设备送来的特标控制信息后,即在本时帧向其用户送出特标控制信息(这是为
了保证主副站时统设备的用户同时产生特标信号),因此副站的特标控制码元为索引计数96、97、98所对应的3个码元。
这里所谓的控制功能就是除上述参考标志、位置识别标志、时间编码码元和特标
控制码元外,利用B码中其他的码元传输约定的信息而实现的控制功能。
对于独立站
时统设备这些码元都可用作实现控制功能,但对主、副
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