一种基于北斗授时的B码终端设计与实现

戴群雄，霍海强，贾杰峰

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2．卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)



一种基于北斗授时的B码终端设计与实现

戴群雄1，2，霍海强1，2，贾杰峰1，2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2．卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

摘要针对众多领域的用户在组建时频网络时对高精度时间同步的需求，以从北斗卫星导航信号中解算的时间信息和授时秒脉冲为基准，基于B码编码原理，设计实现了一种高精度B码授时终端。通过实验验证，结果表明设计输出的直流B码具有优于100 ns的同步授时精度，交流B码具有微秒级的同步授时精度，能作为一个稳定的B码时间源，为用户提供高精度的B码授时服务。

关键词B码；授时终端；同步；时间源

0引言

随着科学技术的快速发展，对精密时间及时间的准确度要求越来越高。近年来，北斗卫星导航系统迅速崛起，基于北斗授时的时间统一系统(以下简称北斗授时时统)也应运而生，北斗授时时统相关产业和方向的研究也逐步成为热点，从而使得对时间的准确度和精度的应用提升到了一个新的高度。

北斗授时时统中，利用所接收导航信号解算的高精度时间信息综合实现NTP、B码、PTP和串口等的高精度授时服务。B码是其中一种应用最为广泛的专用时间码，其特点是速率适中、编码信息量丰富、通用规范及使用灵活方便[1]。基于北斗授时的B码终端在靶场测量、控制、计算、通信、气象和电力等领域得到了越来越广泛的应用。

本文从交/直流B码组成和同步产生原理出发，设计了一种能够溯源到北斗系统时间的B码授时终端，并对其B码授时精度进行了实验验证，结合测试结果，对其输出交流B码和直流B码授时精度进行了分析。

1B码组成与原理

B码是一种国际通用的靶场测量与时间统一系统专用时间码，主要用于保持被控对象与测量系统时间的高度统一，并提供高精度的时间信号[2]。

目前，国内通用的B码格式分2个版本，即GJB 2991-1997《B时间码接口终端通用规范》规定的97版B码和GJB 2991-2008《B时间码接口终端通用规范》规定的2008版B码。

B码的时间信息采用BCD码编码表示，其编码格式可参考GJB 2991-1997《B时间码接口终端通用规范》中B格式时间码图[3]。B码的时帧速率为1帧/s，1帧包含100个脉冲(码元)，码元周期为10 ms。每个码元序号由索引计数所确定，索引计数由准时点起，从0～99。码元脉宽分为5 ms、2 ms和8 ms，2 ms表征二进制“0”，5 ms表征二进制“1”，8 ms表征位置识别标志“P”[4]。帧格式中，Pr为帧参考点，其宽度为8 ms。每10个码元有一个位置识别标志：P1，P2，P3，…，P9，P0，它们均为8 ms宽度。一个时间格式帧从帧参考标志开始，连续2个8 ms宽脉冲表明时帧中秒的开始，从第2个8 ms开始对码元进行编码，分别为第0，1，2，…，99个码元[5]。97版B码其时间编码信息包含秒、分、时和天，如表1所示。

表1　97版B码时间编码

2008版B码相对于97版B码，增加了闰秒修正标志和年的编码。其中，年的个位和十位的BCD编码交替出现在索引计数的45～48位，闰秒标志用于控制B码终端进行闰秒调整，闰秒标志码元为索引计数为27、28所对应的2个码元[6]。用户在解调2008版B码时间时，需要严格参照GJB 2991-2008《B时间码接口终端通用规范》里关于闰秒的说明，即当B码传输的时间需要向后闰秒调整时，闰秒标志编码为01；当需要向前闰秒调整时，闰秒标志编码为10。

2系统设计与实现

基于北斗授时的B码终端主要由授时与时间信息提取模块、直流(DC)码生成模块和交流(AC)码生成模块这3个模块组成。其设计框图如图1所示。

图1　系统设计框图

2.1授时与时间信息提取模块

授时与时间信息提取模块主要由北斗授时模块、中心处理模块和高稳晶振3个模块组成。其中，北斗授时模块的主要功能是接收北斗卫星导航信号，经解调，输出高精度的代表北斗时的授时1 PPS和TOD信息(含北斗时间以及授时状态等信息)；中心处理模块的主要功能：① 接收北斗授时模块的TOD信息，提取年、月、日、时、分和秒时间信息，并将时间信息输出给DC码生成模块[7]；② 根据北斗授时1 PPS和TOD信息，对高稳晶振进行驯服，校准其10 MHz信号；③ 根据校准后的10 MHz，综合产生精度更高的系统10 MHz和1 PPS，提供频率和同步参考；④ 产生B码程控信息。

2.2DC码生成模块

DC码生成模块的主要功能是接收中心处理模块输出的时间信息、程控信息、10 MHz和1PPS，按照GJB 2991-1997或GJB 2991-2008B码编码格式，以10 MHz和1 PPS为参考，通过寄存器存储表示相应二进制0、1和位置识别标志的值，为了使DC-B码的帧头与1 PPS同步，需要在检测到1 PPS上升沿之后开始产生B码，然后将产生的B码与1 PPS进行同步处理，使得DC-B码与1 PPS同步输出[8]。DC-B码生成原理如图2所示。

图2　DC-B码生成原理

2.3AC码生成模块

AC码生成模块主要由数字调制器、DA转换模块和滤波模块组成，其主要功能是以10 MHz和1 PPS为参考，采用1 kHz正弦波对DC-B码进行幅度调制，综合、同步输出AC-B码，AC-B码的幅度和调制比可控。AC-B码产生的技术原理：以输入的DC-B码为基础，接收中心处理模块给出的程控信息，控制数字调制器按照指定的幅度和调制比输出对应的数控地址，通过数控地址线控制DA转换模块产生相应的模拟信号，最后经过滤波处理后得到相应幅度和调制比的AC-B码。AC-B码生成原理如图3所示。

图3　AC-B码生成原理

由于AC-B码是由1 kHz正弦波对DC-B码进行幅度调制得到，二者的相位关系保持一致，调制关系如图4所示。AC-B码低幅到高幅的正弦信号的过零点(图4中的A点)与DC-B码的准时点严格保持一致。图4中，N代表调制比，NX代表幅度。

图4　AC-B码与DC-B码调制关系示意

3实验验证与分析

B码高精度授时能解决靶场测量、通信等行业应用中的时间同步问题。B码授时一般采用主从结构，B码授时终端为主机，位于各个用户端的解码终端为从机。主机输出B码，并分发给各用户端；用户端按照B码帧结构进行解码，可以恢复出时间，从而实现B码授时。为了验证基于北斗授时的B码终端其B码授时性能，按照图5所示框图搭建验证平台。

图5　B码终端授时性能验证原理

图5中，1PPS是北斗授时1PPS对高稳晶振进行驯服之后输出的1PPS，其保持了真实北斗授时1PPS的长稳特性和高稳晶振好的短稳特性，以其作为同步参考来验证DC-B码和AC-B码的授时性能。示波器采集到的DC-B码和AC-B码与1PPS的整体相位关系如图6所示，提高示波器分辨率后，采集到DC-B码与1PPS的相位关系图以及AC-B码与1PPS的相位关系如图7和图8所示。

图6　DC-B码和AC-B码与1PPS的整体相位关系

图7　DC-B码与1PPS的相位关系

图8　AC-B码与1PPS的相位关系

图7中，DC-B码帧头与1PPS同步误差为84 ns，控制在100 ns以内，由于B码产生的频率参考为10 MHz，其周期为100 ns，故同步精度理论上会控制在100 ns以内。如果需要使输出B码达到更高的同步精度，可以采用10 MHz倍频法来实现。DC-B码采用脉宽调制的方式产生，由于脉冲信号的频谱丰富，不易于长距离传输。因此，只适用于用电缆传输至近距离的用户[9]。

图8中，AC-B码帧头与1PPS同步误差为800 ns，控制在1 μs以内。AC-B码的幅度和调制比可以进行调整，以满足用户的不同需求，同时AC-B码相比DC-B码具有较强的长距离传输能力，为距离较远的分布式用户提供了实现远程组网时间同步的可行手段，具有很好的工程应用价值[10]。

4结束语

随着北斗卫星导航系统的不断完善，北斗授时能力会不断提升，同时随着各类授时手段的不断丰富，基于北斗系统的授时应用会逐步得到扩展。本文结合高精度北斗授时原理和B码产生原理，设计了一种基于北斗授时的B码终端，其在溯源到北斗系统时间的基础上，同步输出DC-B码和AC-B码，可作为北斗授时的一种典型应用，装备于卫星地面应用系统、通信与指挥系统、智能景区等多个领域，为各行业用户提供高精度授时服务。

参考文献

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[2]冯强，赵帅，李焱.基于DSP和FPGA的GPS-B码时统终端系统设计[J].微计算机信息，2010，26(2-2)：139-141.

[3]GJB2991A-1997.B时间码接口终端通用规范[S]，1997.

[4]马红皎，胡永辉.GPS&IRIG-B码时间系统分析[J].电子科技，2005(7)：21-25.

[5]陈永胜.基于FPGA的IRIG-B(DC)解码器的设计与实现[J].无线电通信技术，2014，40(1)：93-96.

[6]GJB2991A-2008.B时间码接口终端通用规范[S]，2008.

[7]卢韦明.基于FPGA的B码设计[J].今日电子,2012(10):57-58.

[8]吴炜，周烨，黄子强.FPGA实现IRIG-B(DC)码编码和解码的设计[J].电子设计工程，2010，18(12)：162-164.

[9]高林，胡永辉，侯雷.基于ARM+FPGA的IRIG-B码产生器的研制[J].时间频率学报，2012，35(4)：218-227.

[10]戎强，王铮，韩华.一种用于网络同步的授时时统设计与实现[J].计算机与网络，2014，40(14)：55-58.

戴群雄男，(1983—)，硕士，工程师。主要研究方向：时间频率技术。

霍海强男，(1986—)，硕士，工程师。主要研究方向：时间频率技术。

引用格式：戴群雄,霍海强,贾杰峰.一种基于北斗授时的B码终端设计与实现[J].无线电工程,2016,46(1):53-56.

Design and Implementation of a B-code Terminal Based on

Beidou Timing Service

DAI Qun-xiong1,2,HUO Hai-qiang1,2,JIA Jie-feng1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn view of the requirements of users in multiple domains for high-precision time synchronization in time and frequency network constitution,using timing information and timing second pulse as a reference,a kind of high-precision B-code timing terminal is designed based on B-code coding principle.The experiment results show that the synchronous timing precision of B code(DC)of this terminal is better than 100 ns,and that of B code(AC)is of millisecond level,so this terminal can serve as a stable B-code source,providing users with high-precision B code timing service.

Key wordsB code;timing service terminal;synchronization;B-code source

作者简介

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2012AA121801；2015AA124001)。

收稿日期：2015-10-13

中图分类号TN965.3

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)01-0053-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.13