摘 要： 通過對時統對時精度影響因素的分析，提出了時統對時精度測量設備的設計和實現。經過實測、分析，提出提高時統設備對時精度的方法。
關鍵詞：IRIG-B碼； 對時精度； VHDL
時間統一系統（簡稱時統）是靶場時統通信系統的一部分，是靶場的時間基準和頻率基準，為測量控制系統提供統一的時間尺度，目前時間信息傳輸采用國軍標規(guī)定的IRIG-B碼方式。隨著數字通信技術發(fā)展,通信傳輸手段更加多樣化；新武器系統不斷發(fā)展，靶場被測目標速度、飛行距離不斷提高；測量站點分布更加分散，為了更好地完成被測目標的測量任務，不僅對測量設備精度提出了要求，而且對時統對時精度也提出了更高要求。靶場目前時統設備的種類多，參與生產的廠家數量也多，這些時統設備同時在靶場時統通信系統中工作，設備適應傳輸信道的能力、工作性能如何均體現在設備的對時精度上。
1 影響時統對時精度的因素
1.1 時統設備工作方式
時統設備對時工作方式主要有接收上級IRIG-B碼對時、1 c/s對時、接收GPS或北斗時間信息對時、本機守時4種，前3種主要接收上級時間標準完成本機對時，當設備無法接收上級時間標準時采用第4種工作方式。目前靶場主要采用接收上級IRIG-B碼對時、接收GPS或北斗時間信息對時方式。
1.1.1 接收上級IRIG-B碼對時
時統中心站輸出IRIG-B（AC）碼，經過通信信道傳輸到下級時統站，時統端站接收IRIG-B（AC）碼，經過放大、解調、對時、同步、修正等步驟實現與時統中心站標準時間同步。
1.1.2接收GPS或北斗時間信息對時
此類為單站工作方式，時統站不接收上級時統站輸出IRIG-B(AC)碼，直接接收GPS或北斗時間信息和定時信號對時，實現與標準時間同步。
1.2 時統信號傳輸方法
靶場時統信號傳輸主要是IRIG-B(AC)碼傳輸，主要方法為實線傳輸和數字信道傳輸。實線傳輸主要用于短距離傳輸，其傳輸時延小，經過時延修正后同步誤差滿足時統國軍標對時精度≤10 ?滋s的要求[1]。數字信道傳輸的接口采用音頻接口,將IRIG-B(AC)碼通過數模轉換、調制、解調、模數轉換，實現模擬信號的音頻數字傳輸。
1.3 影響時統對時精度的因素
1.3.1 數字信道傳輸的影響
IRIG-B(AC)碼是調幅脈沖對1 kHz的正弦波進行幅度調制，調制幅度比為10:3，調制過程中要求時刻與相位對應,調幅脈沖由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表達式為。
目前IRIG-B(AC)碼傳輸主要通過數字光纖和數字微波的PCM信道傳輸，數字信道傳輸特性主要包括電平、增益頻率特性、失真、群時延等。由于調制后信號特性與信道特性不匹配，經過信道傳輸后脈寬信號的各頻率分量的放大倍數、群時延、失真與頻率分量有關，造成IRIG-B(AC)碼波形產生畸變，即過零點位置(時刻位置)存在抖動，高電平信號調制后的第一個正弦前半周幅度相對較低，低電平信號調制后的第一個正弦前半周幅度相對較高，時統設備解碼時會產生各種誤差[2]。
1.3.2 時延修正方法的影響
目前IRIG-B(AC)碼時統信號傳輸采用PCM復用設備4線音頻信道傳輸,PCM復用設備上下級傳輸2 Mb/s信號，信號結構為復幀、幀、時隙，每個復幀包含16幀，每幀包含32個時隙，復幀內偶數幀0時隙包含幀同步信號。工作時接收方向，本地PCM復用設備接收上級2 Mb/s信號。首先從2 Mb/s信號中提取位同步信號，同步本地時鐘，再提取幀同步信號，控制本地按幀存儲,向各用戶板轉發(fā)幀信息，本地幀同步信號由同步后的本地時鐘分頻產生，只用于在各用戶板定位轉發(fā)幀信號的時隙起始位置，進行信息提取、插入，頻率與上級幀同步信號相同，但相位存在偏差，每次開機相位均不同，但收發(fā)總時延相同。此時對于數據、語音用戶工作正常，但對于IRIG-B(AC)碼時統信號的時刻信息存在影響。通過實驗發(fā)現，當上下級的幀同步相位一致時，下級設備信道接收方向和發(fā)送方向時延才相同，但有時存在發(fā)送方向增加一個幀周期產生時延125 μs的現象。
傳輸時延計算公式：
t=t1+t2+t3+t4
其中：t1為信道傳輸時延，包含光端機設備、光纖纜線傳輸時延；t2為PCM設備2 Mb/s信號幀存儲轉發(fā)時延，一般存儲一幀信號時延為125 μs；t3為四線音頻信道PCM編解碼時延,采用TP3070接口芯片，編碼290 μs，解碼190 μs,時延相對固定；t4為上下級PCM復用設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算時默認傳輸信道收發(fā)時延相同，即沒有考慮上級和本機幀同步信號相位差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
每臺時統設備采用的晶振指標不可能完全相同，兩個時統設備運行速度不同導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1×10-6，兩臺設備在1 s的同步周期內產生的偏差為：
t偏差=1×10-6×2×1=2 μs
同時由于使用環(huán)境不同，每臺時統設備采用晶振的差異，以及時統設備內部定時分頻鏈路均對時統同步帶來偏差[3]。
2 對時精度測量儀器設計
2.1 對時精度測量方法
對時精度測量儀由計數器單元、單片機單元、串行接口單元和計算機軟件組成,工作原理如圖1所示。計數器由輸入信號控制計數器開始和結束，根據第一個接收到的信號判斷計數為加計數或減計數，輸出3 B計數數據，同時產生中斷信號，單片機接收中斷信號后從計數器讀取數據，數據讀取結束產生清零信號控制計數器清零，進入下一次計數，同時可根據實際測量需要，選擇輸出計數字節(jié)數。單片機讀取數據后通過串行接口輸出至計算機，計算機接收數據并將16進制數據轉換成10進制格式保存，供分析使用。
2.2 對時精度測量儀器設計
2.2.1 計數器設計
計數器設計采用MAX EPM7128SLC84-15大規(guī)?？删幊唐骷?，使用VHDL編程語言[4]進行硬件編程設計，工作流程圖如圖2所示。
計數器采用晶振頻率為10 MHz，經過整形、分頻供計數器單元使用。計數頻率為10 MHz，計數精度為0.2 μs，采用3 B計數數據輸出，可測量信號時間間隔最大為16.7 s，最小為0.2 μs，滿足目前時統對時精度測量需求。計數器仿真結果如圖3、圖4所示。圖中resetin為開機復位信號，clkin為時鐘信號(仿真時鐘頻率為1 MHz)，a、b為被測輸入脈沖信號，en為計數器輸出信號,用于觸發(fā)單片機中斷程序，rd為單片機輸出控制信號,完成對計數器結果讀取和清零。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，結果為3 μs。
2.2.2 輸出接口設計
輸出接口包括單片機數據讀取控制和串口輸出兩部分組成，單片機數據讀取控制采用AT89C2051-24PU單片機設計，使用匯編語言編程[5]，通過軟件完成輸出字節(jié)選擇、計數結果輸出、計數器清零等控制。串口輸出采用標準的MAX232CPE 串口電平轉換芯片設計，完成TTL電平與RS232電平轉換，滿足與計算機串行接口連接要求。采用C語編寫進制轉換程序，自動實現接收數據16進制到10進制轉換和數據存儲，自動記錄測量結果。
3 時統設備測量結果分析
經過實驗，采用時統精度測量儀器對目前使用的時統設備進行測量，經過對數據分析發(fā)現，影響時統設備對時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 預熱階段
如圖5所示，設備開機后至少需要經過300 s后，對時精度趨于穩(wěn)定。
3.1.2 晶振精度
如圖6所示，兩臺時統設備采用實纜連接，采用IRIG—B(AC)碼同步對時，對時精度在10 μs，由于兩個時統設備運行速度不同,從而導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，兩臺時統設備通過傳輸信道連接，采用IRIG—B(AC)碼同步對時，由于信道、修正量算法影響，對時精度明顯降低。
通過分析、測試，IRIG-B(AC)碼通過PCM信道傳輸對時統對時精度影響主要由IRIG-B(AC)碼本身特性、傳輸信道特性、時延修正方法、時統設備本身晶振、輸入輸出接口等方面產生，在今后使用過程中通過采用設備預熱、保持使用環(huán)境穩(wěn)定，根據傳輸信道特性，合理調整時統設備接口參數、完善時統修正量計算等方法，不斷提高時統對時精度。
參考文獻
[1] 國防科學技術委員會.GJB2991-97 B時間碼接口終端 [S]. 北京：中國標準出版社，1997.
[2] 董天齊. 時統信號數字信道傳輸誤差分析與研究[J]. 飛行器測控學報，2004(12):66-74.
[3] 桂本烜,劉錦華.IEEE 1588的高精度時間同步算法的分 析與實現[J]. 電光與控制, 2006(4):90-94.
[4] 邊計年,薛宏熙.數字邏輯與VHLD設計[M]. 北京： 清華大學出版社,2005.
[5] 張毅剛,彭喜源.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997.