[發明專利]一種GPS同步的IRIG-B時間碼發生器

有效

• 申請號: 200910060557.3
• 申請日: 2009-01-16
• 公開（公告）號: CN101545965A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 魏豐;金波;魏力
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;湖北天瑞電子有限公司
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明涉及工業自動化對時技術領域，特別是涉及GPS同步的一種IRIG-B時間碼發生裝置。

背景技術

目前，在發電廠、變電站和無線通訊基站等工業自動化現場各種自動化設備需要與UTC時間保持精確的時間同步。GPS授時主設備從衛星上獲取UTC時間信息(包括1PPS脈沖信號和串口發出的時間數據)后，主要通過脈沖信號，RS-232/RS-485串行口，IRIG-B碼和網絡等方式給從設備授時。B碼是一種授時精度高，使用方便和信息量大的編碼方案，在工業現場獲得了廣泛的應用。

B碼最早是由美國靶場司令部委員會下屬的儀器組(IRIG，Inter-RangeInstrumentation?Group)制定的串行格式時間碼(以下簡稱B碼)。其主要特點是幀速率為1幀/秒，攜帶的信息量大，經譯碼后可獲得1，10，100/秒的脈沖信號和BCD編碼的日期和時間信息以及控制功能信息。

B碼分為IRIG-B(DC)直流碼和IRIG-B(AC)交流碼兩種。直流B碼幀格式如圖1所示，它是每秒一幀的串行時間碼，每個碼元(位)寬度為10ms，故一個幀周期包括100個碼元，每10個碼元為一個字。

碼元采用脈寬調制編碼如圖2所示。碼元均以高電平開始也就是說″準時″時刻的參考點是其脈沖前沿。占空比為20％的碼元(高電平2ms，低電平8ms)表示1位二進制數″0″；占空比為50％的碼元(高電平5ms，低電平5ms)表示1位二進制數″1″；占空比為80％的碼元(高電平8ms，低電平2ms)表示1個位置標識碼。

位置識別碼PR為幀的起始參考點，每10個碼元的結尾出插入一個位置識別碼：P1，P2，P3，…，P9，P0。圖1所示連續兩個8ms寬脈沖表明秒的開始，PR碼元的上升沿為一個整秒時刻的開始。如果從PR開始對碼元進行編號，則分別為第0，1，2，…，99個碼元。

B碼采用BCD碼方式對當前的：秒、分、時、一年中的第幾天等信息編碼。，所占信息位為秒7位、分7位、時6位、天10位，其位置在P0～P5之間。P6～P0包含其他控制信息。其中″秒″信息：第1，2，3，4，6，7，8碼元；″分″信息：第10，11，12，13，15，16，17碼元；″時″信息：第20，21，22，23，25，26，27碼元；第5，14，24碼元為索引標志，寬度為2ms。時、分、秒均用BCD碼表示，低位在前，高位在后；個位在前，十位在后(詳細編碼方案可參見有關標準)。

直流B碼碼元的邊沿對應的時刻是UTC時間的離散時間值，故其授時同步精度主要取決與時間碼發生器產生的碼元邊沿(前后沿)的精度。采用直流B碼對一個頻率和相位相關1kHz的正弦載波進行幅度調制(調制比為3∶1)可得到見圖3所示的交流B碼。由于交流B碼必須經過二次調制，其時間同步信息主要體現在正弦波的過零點處，故能獲得的同步精度略低。但由于不含直流分量，交流B碼更適合遠距離傳輸授時。

直流B碼的產生主要包括從GPS接收機串口輸出數據的的解碼，從中提取有用的UTC時間信息和直流B碼的編碼兩部分工作。根據完成這兩個任務的器件不同實現直流B碼的編碼主要有以下3種方案：

①全軟件方案

采用CPU程序完成GPS信號的解碼和B碼的編碼。這種方案簡單廉價，但由于CPU的運行速度，多任務和中斷響應速度等原因，只能滿足同步精度要求不高的需求。

②全硬件方案

采用CPLD或FPGA全硬件方式完成GPS信號的解碼和B碼的編碼。這種方案的優點是可獲得很高的精度，但設計難度太大(例如：UTC時間閏秒時就很難實現解碼和編碼)，成本高，缺乏靈活性，不能實用化。

③軟硬結合的方案

采用CPU完成GPS信號的解碼，采用CPLD或FPGA全硬件方式完成B碼的編碼。CPU只間接參與B碼碼元的產生，或硬件產生相對重要的碼元前沿而CPU產生后沿。這種方案仍然可獲得很高的精度，同時降低了設計的難度和成本高。

產生交流B碼的難題在于如何獲得一個與直流B碼頻率和相位完全同步(也即與GPS的1PPS信號同步)的1kHz正弦載波信號。頻率或相位不同步的載波會引起調制后的波形畸變，直接導致同步精度下降，波形畸變嚴重時還會導致接收端無法正確解碼。因此產生出高精度的交流B碼比產生直流B碼更加困難。目前關于交流B碼產生方法的報道只有采用直接數字頻率合成DDS技術這一種。這種方案的技術較為復雜，需要較大的邏輯資源，此外還需要DAC和LPF等模擬電路設計。

發明內容