一种利用SDH通道传输航天测量船时间信息的方案✴

黄国雄，马云龙

（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）

一种利用SDH通道传输航天测量船时间信息的方案✴

黄国雄，马云龙

（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）

测量船通过IRIG-B（DC）码来传输时间信息，针对传统B码时间信息传输中存在的不足，根据SDH传输时延的确定性特点，提出基于SDH的高精度时间信息传输方案，通过SDH反向通道环回时间信息，利用时延自适应补偿算法来抵消SDH通道传输时延。设计制作的时延补偿设备成功应用于测量船内部时间信息传输，经过测试表明，传输后的时间信息准确度由补偿前的数百微秒提高到补偿后的优于10μs，远远高于系统对时间信息准确度的要求。

航天测量船；信息传输；SDH；传输时延；时间信息；时延补偿

1 引言

航天远洋测量船通过时统站为各系统提供统一的时间基准，采用IRIG-B（DC）码（以下简称B码）传输标准时间信息。传统的时间信息传输方案是采用双绞线专线进行传输，在传输距离较远时信号衰减和畸变明显，影响时间信息解码的准确性。另外，采用专线传输时，时统解码终端的配置受到布线的限制，一旦安装完成就不方便更改，不能适应今后系统升级带来的需求变化。在新一代航天远洋测量船上，基于SDH体制的综合信息传输平台得到了广泛应用，它是一种集图像、语音、数据等多媒体信息的传输、交换于一体的综合集成传输系统，通过综合信息传输平台的应用，在测量船上实现了电话、网络、数据、多媒体等多业务的分布式接入，大大简化了系统布线，降低了信号畸变，提高了系统工作的稳定性和可靠性。通过SDH通道传输时间信息，可以充分利用现有SDH网络，实现时统解码终端的分布式接入，不仅可以大大简化系统布线，提高信号传输质量，而且可以实现时统解码终端的灵活配置，以适应未来的需求变化。

2 SDH时延组成和特点分析

SDH是由许多网元节点单元组成的，在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络［1］。SDH的基本传输通道是各网元节点间端到端的传输，SDH时延就是传输通道端到端的时延。SDH端到端的传输时延主要包括传播时延、存储转发时延和网元节点的处理时延。

2.1 传播时延

SDH节点间采用单模光纤传输，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播，因此，光线在光纤中传播的路程就是光纤的长度，传播时延就是光在光纤中传播所需的时间。光在纤芯内的传播速度为

光线在长度为l的单模光纤中传播的时间为

式中，c为真空中光速（3×105km／s）；l为传输距离（km）；n1为光纤芯区折射率，典型值为1.48，于是光信号在光纤中的传播时延约为4.93μs／km。传播时延只与光纤的长度即传输距离有关，在固定的传输距离下，传播时延是固定的。

2.2 存储转发时延

SDH帧由许多个字节数据组成，这些数据存储在帧缓冲区内，存储转发时延是将SDH帧的所有比特传送到链路的时间。存储转发时延与帧的长度和线路接口速率有关：

SDH基本帧长为9×270 byte，不同等级的SDH帧长与传输速率成比例增加，因此，对不同的SDH传送等级，存储转发时延为

式中，n为SDH传送等级（1、4、16等）。由此可知，在不同的SDH传送等级中，存储转发时延是固定的，均为125μs。

2.3 节点处理时延

除了传输线路和存储转发会产生时延外，网元节点设备中还有缓存器、时隙交换单元和其它数字处理设备，数据在这些设备中进行处理时会产生处理时延。SDH设备产生处理时延的主要环节有指针调整处理、固定塞入处理、内部接口处理、连接处理及映射和去映射处理等，不同的设备由于设计方法的不同会有不同的时延结果。

2.4 时延测量

测量船综合信息传输平台提供的数据传输通道接口有RS、E1／V.35、以太网等，从这些接口输入的数据通过不同的方式复用成SDH信号。在我国的光同步传输网技术体制中，规定以2 048 kbit／s的PDH信号作为SDH的有效载荷，因此，以上各业务信号除速率为2 048 kbit／s的E1／V.35接口不需要变换外，其余业务均需要先复用成2 048 kbit／s的信号或由多个2 048 kbit／s的信号复用而成，在信号的复用过程中将产生较大的处理时延。不同数据业务的时延测试数据见表1。

以上测试数据为相邻网元节点间的时延数据，传输时延与链路经过的网元节点数有关，经过的网元节点越多，时延越大。由表1可知，E1业务时延最小，其余业务时延均高于E1业务，时延测试结果与前述理论分析是一致的。

3 时间信息传输方案

由以上SDH时延分析及时延测试数据可知，E1／V.35接口传输时延较小，考虑到接口电平匹配，采用2 048 kbit／s的V.35通道道作为B码时间信号的传输通道［2］。由B码帧格式可知，B码帧周期为1 s，每帧包含10个码段，每个码段又包含10个码元［3］，每个码元周期为10ms，采用2ms、5ms、8ms 3种宽度的脉冲表示不同信号，这3种脉冲可以分解为1 ms脉冲的组合，可以认为B码信号中包含的最小脉冲为1ms，因此，B码信号可以看作为速率为1 kbit／s的数据，只要采用大于1 kbit／s的传输通道即可传输，但B码中还包含重要的基准码元信息，在传输中对码元的采样会产生采样误差，对码元的最大采样误差为1 bit，因此，用来传输B码的传输通道速率越高，则码元的采样误差越小。通过2 048 kbit／s的V.35通道传输B码时，最大采样误差约0.49μs，相对于SDH的总体传输时延来讲可以忽略不计。

由SDH的时延组成和特点可知，在SDH的传输时延中传播时延、存储转发时延是固定的，节点处理时延与传输通道的时隙配置有关系，不同的时隙配置会产生不同的节点处理时延，一旦传输通道配置完毕，时隙配置就固定下来，此时，SDH的节点处理时延也是固定的。因此，在配置好的SDH传输通道中端到端的总体时延也是固定的，只要准确测量出传输通道端到端的传输时延，就可以采取时延补偿的办法来抵消传输过程中的时延，实现时间信息的精确传输。

SDH传输网络一般采取环形网络传输数据，这种传输方式不适合端到端时延的测量，用来传输B码的传输通道必须配制成双向通道，且确保正、反向通道传输路径相同。根据SDH数据处理的对称性特点可知，传输路径相同的正、反向通道的传输时延是基本相同的，将正向通道传输的信号通过反向通道进行环回，只需要测出环回信号的时延，就可以通过计算得到传输时延。

以节点1到节点3的传输为例，基于SDH的B码传输信号流程图见图1。时统站输出的B码经过时延补偿设备进行时延补偿后从节点1接入SDH的正向通道（图中的实线部分），经过节点2传输到节点3，从节点3引出到用户终端，在用户端将B码信号环回接入节点3反向通道（图中的虚线部分），经过节点2传输回到节点1，从节点1引出到时延补偿设备。时延补偿设备测量环回B码与输入B码的延时来计算传输时延，根据自适应算法对补偿值进行修正，实现对传输时延的完全补偿，最终到达用户终端的B码与时统站输出的B码准确对齐。

4 时延补偿电路设计

4.1 时延补偿自适应算法

由B码帧结构可知，B码的准时点为基准码元的上升沿，码元周期为10ms，每个码元的上升沿时刻是固定的，因此，在时延补偿算法中以码元上升沿作为延时的起始基准点。假设单向传输时延为x，则输出B码应比输入B码超前x。时延补偿算法如图2所示，以第i个输入码元为例，在码元脉冲的上升沿开始计时，延时y后产生第i+1个输出码元，此时，相对于第i+1个输入码元来讲输出码元超前了x，即实现了时延的补偿。

由图2可知，传输时延x加上输出延时y刚好是一个码元周期10ms，因此，输出延时为

初始状态下时延补偿设备的补偿量（即输出延时y）为0，根据测量得到时延x，通过公式（5）计算得到y，利用y对补偿量进行修正，在B码的每个周期均进行补偿量的修正，经过几个周期的迭代补偿量达到稳定状态不再变化时，即实现了传输时延的自适应补偿。

4.2 单片机电路设计

时延补偿设备采用Ateml公司的ATtiny2313单片机来设计，电路图如图3所示。时统站输出的B码经接口转换电路转换为TTL电平后接入单片机的输入捕获（ICP）引脚，从SDH反向通道环回的B码同样经接口转换电路转换为TTL电平后接入单片机的外部中断（INT0）引脚，通过单片机的比较匹配输出（OC1A）引脚输出经过时延补偿后的B码，经接口转换电路转换为RS-422电平后输出，通过SDH正向传输通道送给用户终端。单片机主要完成实时时延测量、时延补偿计算、B码解码、B码编码输出等任务，所有任务都由单片机的软件运算来实现，充分利用单片机的片内资源和高速运算能力，大大简化电路设计，提高设备工作可靠性。

4.3 单片机软件设计

时延补偿的关键是时延值的取得，一般的做法是将时延测量和时延补偿分开进行，首先进行时延的测量，将得到的时延值存入缓存，然后进行时延补偿运算，从缓存中读取预先测得的时延值作为补偿值，在这种模式下，每次工作前都要测量时延，在传输通道配置发生变化或者由于其它原因导致传输时延发生变化时，时延补偿值不能自动进行更新，会产生较大的传输误差。时延的测量必须有基准点作为参照，在B码帧结构中，每帧有一个唯一的参照点，那就是基准码元。因此，将基准码元作为参照点进行时延测量，可以实现时延的测量和时延补偿运算同时进行，实现时延的实时测量和时延补偿的自动修正。

时延测量主要由外部中断、输入捕捉中断完成，其中，外部中断完成环回B码基准码元的解码，输入捕捉中断除完成输入B码基准码元的解码外，还完成输入B码其它有效信息的解码。B码的解码主要是通过测量码元的脉冲宽度来实现，通过比较码元脉冲的上升沿、下降沿的计数值，就可以得到码元脉冲宽度，根据码元脉冲宽度找到基准码元，从基准码元开始对B码码元进行索引计数，根据索引值对照B码帧结构即可解码出码元信息。比较输入B码和环回B码基准码元下降沿时刻的计数值就可计算得到传输时延。

输出B码编码主要由输出比较A匹配、输出比较B匹配中断完成，其中，输出比较B匹配中断用于输出延时的计算，输出比较A匹配中断用于产生输出码元脉冲。在输入码元的上升沿，根据公式（5），由测量得到的时延值计算出输出B码的延时值y，设置输出比较B匹配计数值，在发生输出比较B匹配中断时，根据输出B码码元的脉冲宽度设置输出比较A匹配计数值，在一个码元周期内发生两次输出比较A匹配中断，分别产生输出B码码元的高电平和低电平。

5 时延补偿精度分析

影响时延补偿精度的因素主要有传输通道时延抖动、单片机中断延迟和指令执行时间、计数器计数周期、传输通道采样误差、双向传输通道时延不对称。其中传输通道时延抖动远远小于传输时延，一般为几十到几百纳秒，最大不超过1μs；单片机中断延迟和指令执行时间是固定值，可以在单片机程序中进行修正；计数器时钟为1 MHz，计数周期为1μs，由计数周期产生的最大误差约为1μs；传输通道采样误差与传输速率有关，在2 048 kbit／s的V.35通道中约0.5μs；由于SDH正反向传输通道的时隙不同，会导致时延不对称，通过将正反向传输通道的时隙配置为相邻时隙来减少SDH双向通道时延不对称。综合以上各种因素的影响，时延补偿的总误差不超过10μs。

6 结束语

高精度的时间信息传输在航天远洋测控系统中具有重要意义。本文通过理论分析和实际测试得出SDH传输通道具有时延确定性的特点，基于这一特点，提出通过SDH通道传输时间信息的方案，并采用自适应时延补偿的方法来抵消SDH通道的传输时延。设计的时延补偿设备成功应用于测量船内部的时间信息传输，经过测试表明，传输后的时间信息准确度由补偿前的数百微秒提高到补偿后的优于10μs，远远高于系统对时间信息准确度的要求。

该方案为测量船内部时间信息传输提供了一种新的高精度传输途径，实验表明，影响传输精度的最主要因素是SDH通道双向时延不对称性，如果能够准确测量SDH通道双向时延，将能够进一步提高传输精度。

［1］肖萍萍，毛谦.SDH原理和技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2002. XIAO Ping-ping，MAO Qian.SDH principles and techniques［M］.Beijing：Beijing Posts and Telecommunication University Press，2002.（in Chinese）

［2］张大元，谢毅.利用光纤数字同步传输网2.048Mbit／s支路传送高精度标准时间信号［J］.现代电信科技，2006（12）：17-21. ZHANG Da-yuan，XIE Yi.Using 2.048Mbit／s channel of fiber-optic digital synchronous transmission network to transmit high-precision standard time signal［J］.Modern Telecommunications Technology，2006（12）：17-21.（in Chinese）

［3］郭诠水.通信设备接口协议手册［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

GUO Quan-shui.Communication equipment interface protocolmanual［M］.Beijing：People′s Postsand Telecommunications Press，2005.（in Chinese）

HAUNGGuo-xiong was born in Tianmen，Hubei Province，in 1977.He received the B.S.degree from National University of Defense Technology and the M.S.degree from Shanghai Jiaotong University in 1998 and 2007，respectively.He is now an engineer.His research concerns communication system.

Email：h-gx＠163.com

马云龙（1983—），男，重庆合川人，2006年于四川大学获双学士学位，现为工程师，主要从事卫星通信工作。

MA Yun-long was born in Hechuan，Chongqing，in 1983.He received the dual B.S.degree from Sichuan University in 2006.His research concerns satellite communication.

A Scheme for Transm itting Time Code of Space TT＆C Ship through SDH Channel

HUANGGuo-xiong，MAYun-long
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

The space TT＆C ship transmits time information through IRIG-B（DC）code.In view of the disadvantage in traditional B code time information transmission，according to the certainty of SDH transmission delay，a novel time information transmission scheme is proposed based on SDH.In the scheme，the loopback time information by back channel SDH is utilized，and a delay compensation device is designed tomeasure the SDH transmission delay and correct delay compensation value automatically in real-time.Finally，the delay compensation device is deployed in TT＆C ship to transmit time information between systems.Test shows that the accuracy of transmission time information is better than 10μs，much higher than that of system requirement.

space TT＆C ship；information transmission；SDH；transmission delay；time code information；delay compensation

TN914.332

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.023

黄国雄（1977—），男，湖北天门人，1998年于国防科技大学获学士学位，2007年于上海交通大学获硕士学位，现为工程师，主要从事通信总体工作；

1001-893X（2011）11-0112-05

2011-05-26；

2011-09-02