摘 要： 通過對時(shí)統(tǒng)對時(shí)精度影響因素的分析，提出了時(shí)統(tǒng)對時(shí)精度測量設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過實(shí)測、分析，提出提高時(shí)統(tǒng)設(shè)備對時(shí)精度的方法。
關(guān)鍵詞：IRIG-B碼； 對時(shí)精度； VHDL
時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)（簡稱時(shí)統(tǒng)）是靶場時(shí)統(tǒng)通信系統(tǒng)的一部分，是靶場的時(shí)間基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)，為測量控制系統(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，靶場被測目標(biāo)速度、飛行距離不斷提高；測量站點(diǎn)分布更加分散，為了更好地完成被測目標(biāo)的測量任務(wù)，不僅對測量設(shè)備精度提出了要求，而且對時(shí)統(tǒng)對時(shí)精度也提出了更高要求。靶場目前時(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)備的對時(shí)精度上。
1 影響時(shí)統(tǒng)對時(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)備對時(shí)工作方式主要有接收上級IRIG-B碼對時(shí)、1 c/s對時(shí)、接收GPS或北斗時(shí)間信息對時(shí)、本機(jī)守時(shí)4種，前3種主要接收上級時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)完成本機(jī)對時(shí)，當(dāng)設(shè)備無法接收上級時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用第4種工作方式。目前靶場主要采用接收上級IRIG-B碼對時(shí)、接收GPS或北斗時(shí)間信息對時(shí)方式。
1.1.1 接收上級IRIG-B碼對時(shí)
時(shí)統(tǒng)中心站輸出IRIG-B（AC）碼，經(jīng)過通信信道傳輸?shù)较录墪r(shí)統(tǒng)站，時(shí)統(tǒng)端站接收IRIG-B（AC）碼，經(jīng)過放大、解調(diào)、對時(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)間信息對時(shí)
此類為單站工作方式，時(shí)統(tǒng)站不接收上級時(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)信號對時(shí)，實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步。
1.2 時(shí)統(tǒng)信號傳輸方法
靶場時(shí)統(tǒng)信號傳輸主要是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)過時(shí)延修正后同步誤差滿足時(shí)統(tǒng)國軍標(biāo)對時(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)模擬信號的音頻數(shù)字傳輸。
1.3 影響時(shí)統(tǒng)對時(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)制過程中要求時(shí)刻與相位對應(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。各脈沖的傅里葉級數(shù)表達(dá)式為。
目前IRIG-B(AC)碼傳輸主要通過數(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)制后信號特性與信道特性不匹配，經(jīng)過信道傳輸后脈寬信號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，即過零點(diǎn)位置(時(shí)刻位置)存在抖動，高電平信號調(diào)制后的第一個(gè)正弦前半周幅度相對較低，低電平信號調(diào)制后的第一個(gè)正弦前半周幅度相對較高，時(shí)統(tǒng)設(shè)備解碼時(shí)會產(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)備上下級傳輸2 Mb/s信號，信號結(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。工作時(shí)接收方向，本地PCM復(fù)用設(shè)備接收上級2 Mb/s信號。首先從2 Mb/s信號中提取位同步信號，同步本地時(shí)鐘，再提取幀同步信號，控制本地按幀存儲,向各用戶板轉(zhuǎn)發(fā)幀信息，本地幀同步信號由同步后的本地時(shí)鐘分頻產(chǎn)生，只用于在各用戶板定位轉(zhuǎn)發(fā)幀信號的時(shí)隙起始位置，進(jìn)行信息提取、插入，頻率與上級幀同步信號相同，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)對于數(shù)據(jù)、語音用戶工作正常，但對于IRIG-B(AC)碼時(shí)統(tǒng)信號的時(shí)刻信息存在影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上下級的幀同步相位一致時(shí)，下級設(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信號幀存儲轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，一般存儲一幀信號時(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)延相對固定；t4為上下級PCM復(fù)用設(shè)備幀同步信號相位差,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，即沒有考慮上級和本機(jī)幀同步信號相位差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)分頻鏈路均對時(shí)統(tǒng)同步帶來偏差[3]。
2 對時(shí)精度測量儀器設(shè)計(jì)
2.1 對時(shí)精度測量方法
對時(shí)精度測量儀由計(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，單片機(jī)接收中斷信號后從計(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 對時(shí)精度測量儀器設(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，可測量信號時(shí)間間隔最大為16.7 s，最小為0.2 μs，滿足目前時(shí)統(tǒng)對時(shí)精度測量需求。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，clkin為時(shí)鐘信號(仿真時(shí)鐘頻率為1 MHz)，a、b為被測輸入脈沖信號，en為計(jì)數(shù)器輸出信號,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,完成對計(jì)數(shù)器結(jié)果讀取和清零。圖3第1組輸入信號仿真輸出第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)，使用匯編語言編程[5]，通過軟件完成輸出字節(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語編寫進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序，自動實(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，自動記錄測量結(jié)果。
3 時(shí)統(tǒng)設(shè)備測量結(jié)果分析
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，采用時(shí)統(tǒng)精度測量儀器對目前使用的時(shí)統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行測量，經(jīng)過對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，影響時(shí)統(tǒng)設(shè)備對時(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300 s后，對時(shí)精度趨于穩(wěn)定。
3.1.2 晶振精度
如圖6所示，兩臺時(shí)統(tǒng)設(shè)備采用實(shí)纜連接，采用IRIG—B(AC)碼同步對時(shí)，對時(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，兩臺時(shí)統(tǒng)設(shè)備通過傳輸信道連接，采用IRIG—B(AC)碼同步對時(shí)，由于信道、修正量算法影響，對時(shí)精度明顯降低。
通過分析、測試，IRIG-B(AC)碼通過PCM信道傳輸對時(shí)統(tǒng)對時(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，在今后使用過程中通過采用設(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)對時(shí)精度。
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