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i r i g b 码解码及网络校时的实现 核技术及应用专业 研究生谢仁祥指导老师李尚柏 本论文主要讨论了i r i g b 时间码的解码以及建立在其基础之上的网 络校时的实现。精确、可靠的时间在卫星、网络安全以及电力系统设备 校时等领域有着广泛的应用。结合i r i g b 时间精度高和网络校时方便、 成本低的特点提出了基于b 码的嵌入式网络校时服务器的实现，由于不 需要上位机的参与，提高了授时的可靠性，大大降低了成本，有着比较 强的现实意义。文章中比较详细的讨论了影响b 码解码精度的问题，并 提出了几种不同的方法，能够很好地满足各种应用。对于文中所有的实 现都给出了详细的算法、流程以及关键程序代码。 虽然本文讨论的工作主要是为局域网授时，但是文中所提及的内容具 有更加广泛的实际意义。嵌入式系统中数据对外发布以及软件硬化等问 题，是当前研究的一个热点。如何在现有的技术、设备条件下较好的解 决这些问题，受到了科技人员的广泛关注。希望本文所提出的实现方法 能对类似的研发工作有所帮助和启发。 关键词：i r i g b 声卡8 0 1 9 a s网络校时 0 t h ed e c o d eo fi r i g ba n dt h er e a l i z a t i o n o fn e tt i m es e r v i c e p o s t g r a d u a t e ：x i er e n x i a n g t u t o r ：l is h a n g b a i t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e sd e c o d i n gak i n do ft i m ec o d ec a l l e di r i g b a n d 恤er e a l i z a t i o no fn e t w o r kt i m es e r v i c eb a s e do nt h ed e c o d em e t h o d a c c u r a t e r e l i a b l et i m ei su s e dw i d e l yi ns a t e l l i t e 、n e t w o r ks e c u r i t ya n dt i m e s e r v i c ef o rp o w e rs y s t e m 硒ep a p e rc o m e su d ”i 曲t h er e a l i z a t i o no f e m b e d e d n e t w o r kt i m es e r v i c eb a s e do nbc o d ew h i c hc o m b i n e st h ec o n v e n i n e n c ea n d l o wc o s to fn e t w o r kt i m es e r v i c ea n dt h eh i g hp r e c i s i o no fi r i g bc o d e b e c a u s et h er e a l i z a t i o nd o e s n tn e e dt h ep a r t i c i p a t i o no fp ct h u sb o o s tt h e r e l i a b i l i t yo ft h et i m es e r v i c ea n dr e d u c et h ec o s tg r e a t l y , s oi ti sal i v ei d e a t h ep a p e rd i s c u s s e dt h er e s o l u t i o no fd e c o d i n gbc o d ei nd e t a i l a d v a n c e d s c v e r a ld i f f c r e n tm e t h o d st h a tc a nm e e td i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s n e e d t h e a l g o r i t h m s 、f l o w sa n dk e yc o d eo f t h er e a l i z a t i o n sa r eg a v ei ud e t a i l a l t h o u g ht h ei o bd i s c u s s e di nt h ep a f e rf o c u s e so nt h et i m es e r v i c ef o r l a n b u tt h ec o n t e n t sm e n t i o n e dh a v em o r ep o p u l a ra c t u a lm e a n i n g s t h e d i s t r i b u t i o no ft h ee m b e d e ds y s t e m l sd a t aa n dt h eh a r d e n i n go fs o f t w a r ea r e h o ts p o t so fc u r r e n tr e s e a r c h h o wt or e a l i s et l l o s eq u e s t i o n su n d e rc u r r e n t e q u i p m e n t sa n dt e c h n o l o g i e si sp a i dg r e a ta t t e n t i o nb yr e s e a r c hs t a f f 1h o p e t h em e t h o d sa d v a n c e di nt h ep a p e rc a nb r i n gt h e ms o m eh e l pa n di n s p i r a t i o n k e yw o r d ：i r i g b s o u n dc a r d8 0 19 a sn e tt i m es e r v i c e 刖舌 随着科技的进步，各种设备、程序运行速度越来越快，精确的时日j 对 于各种应用有着越来越重要的意义，对于时间这样一个相对量来说精确 意味着精确的同步。当前用来同步的方法很多，从手表到原子钟，从短 波授时到长波授时。还可以用电话和网络，精度从分钟到秒到纳秒。但 各种方法都有其各自的局限性。比如在电力系统中，两个站之日j 的时日j 同步用以上任何一种方法都不能很好的解决，或是由于实现成本太高， 或是精度太差或是实现困难，本文提出了一种l r i g b 码与网络授时相结 合的方法，兼备了高精度与低成本的优势，有一定的现实意义。 本论文共分为五章。 第一章主要介绍精确授时的意义与方法。包括相关背景介绍、当前主 要的授时方法、各种授时方法的误差分析并对各种方法作了综合比较， 提出b 码作为一种授时方法在精确定时中的意义。 第二章介绍了b 码解码在单片机，声卡以及c p l d 中的实现。详细 介绍了三种方法的具体实现步骤，给出了程序的框图和关键代码，并指 出了实现过程中需要注意的事项。最后对三者进行了比较，并对其误差 产生的原因进行了分析。 第三章介绍了n t p 协议作为另外一种授时方式的优势，并详细论述 了其简化版本s n t p 协议的实现，讨论了其应用范围。 第四章介绍了以i r i g b 为时钟源的嵌入式s n t p 服务器的实现，给 出了原理框图、运行过程、硬件介绍以及具体的实现代码，并分析了其 优势和意义。 第五事介绍了开发环境和调试过程。在对本次科研工作进行总结的基 础上，就与本工作相关的其他问题进行了讨论。 本文所有讨论的内容，都在作者参与的软硬件设计过程中得到了验 证，对于使用b 码以及s n t p 协议作为校时手段的设计。有一定的参考 作用。 第一章统一时间的必要- 陛和现有的方法 1 1 相关背景介绍 精确、可靠的时阳1 在卫星、网络安全以及电力系统校时等领域有着广泛的 应用，对于其中某些应用来说，万分之一秒的误差也会造成严重的影响，例如 美国的“白云”系列海洋监视卫星采用了l 颗主星和3 颗副星的组网工作模式， 由4 颗卫星同时接收地面( 海上) 的各种电磁波，用时差法确定信号源的位置。 这种类型的航天器工作模式必须有一个时问同步信号，对接收到的信号源进行 处理和定位。对于该系统万分之一秒的时间差就会造成3 0 公里的定位误差，从 而成为系统性能的瓶颈。 对于采用n f s 分布式文件系统的程序开发而言，时问的不同步将造成机时 的浪费甚至导致编译的程序没有包含最新生成的代码。这是因为网络文件系统 ( n f s ) 是一个依赖时间的网络应用，它完全依赖各个工作站给服务器上的文件 提供时间戳。当一个文件被创建或者被修改了，终端工作站的时钟被作为时间 戳加在文件上因此，如果客户端的时钟不同于服务器的时钟，则文件的时间 戳将有不同。在这种情况下，当计算机程序员需要使用“m a k e ”程序来编译代 码生成软件应用程序时，由于“m a k e ”程序完全依赖各个文件的时间戳来确定 哪个文件最近被修改了，随后决定哪个文件需要重新生成。当两台终端的时问 不一致时，运行“m a k e ”就会发生严重的错误。对于有些“m a k e ”程序，允许 的时日j 偏差可以大一些，但是从典型意义上来说，与唯独一次编译差不多，这 段时日j 对于今天的计算机来说只不过是几秒钟而已。 当今计算机网络不断扩大，更多的部门依赖互联网上的资源的时候，我们 更需要关心资源的安全性。k e r b e r o s 是m i t 开发的一个协议，用来在一个不安 全的网络内，比如说一个大学网，发送加密的口令信息。k e r b p r n s 允许在互联 网上安全通信而不需要防火墙，并且支持很多通用的t c p i p 应用程序例如 t e l n e t ，f t p 以及很多远程过程调用r p c 程序。 k e r b e r o s 允许用户向k e r b e r o s 密钥分发中心( k i ) c ) 服务器申请一个“加 密票”，“加密票”包括用户的口令和时问戳，两者用计算机上常用的d e s 算法 加密。时日】戳用来防止网络信息拦截机把拦截到的“加密票”伪装成刚刚授权 的。加密票”不断的重复发送。“加密票”在一段时日j 内有效，这就要求客户端 机器时钟和k e r b e r o s 服务器时钟在这一段时间内同步。有代衰性的，时日】范围 是5 分钟，时划范围越小网络越安全。如果时钟漂移出允许的时问范围，网络 上的用户就不能使用k e r b e r o s 并且不能使用网络。如果扩大时间范围，则这个 网络对于网络上的监听者来说足很容易攻破的。 与具有k e r b e r o s 的网络一样，安全的n f s 和r p c 程序允许使用d e s 密钥来 访问文件服务器和做客户端接入，虽然他们和k e r b e r o s 系统不同，但是他们使 用的方法是很相似的，即在数据包上加上时日】戳。与具有k e r b e r o s 的网络一样， 如果客户端和服务器超出密钥的时间范围链接将被中断，用户就不能使用请 求的资源。如果没有精确的时间源，这种安全措施就不能被广泛地支持。 电力网中的故障录波设备同样需要精确的时日j 同步“。大型电力系统中功角 稳定性、电压稳定性、频率动态变化及其稳定性都不是一个孤立的现象，而是 相互诱发、相互关联的统一物理现象的不同侧面，其间的关联又会受到网络结 构及运行状态的影响。其中母线电压相量和功角状况是系统运行的主要状念变 量。是系统能否稳定运行的标志，必须进行精确监测。由于电力系统地域广阔、 设备众多，其运行变量变化也十分迅速，获取系统关键点的运行状态信息必须 依赖于统一的、高精度的时间基准 虽然时问同步如此之重要但是掘统计在i n t e r n e t 上，有5 0 的主机其时日j 误差超过2 m i n ，1 0 超过4 h ，有的甚至超过2 个星期。主机的内部时钟大都使 用电池供电的晶振，误差为i s 天，时问的调整主要通过人工来完成，管理人 员很少检查。但是对于许多应用而言，需要更高精度和更可靠的时钟。针对这 种需求，人们提出了很多解决方法。 1 2 目前主要的解决方法 在介绍授时解决方法之前有几个概念需要说明，目前世界各国都采用原 子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间基准”，然后，通过各种手段和媒 6 介将时日j 信号送达用户，这些手段包括：短波、长波、电话网、互联网、卫星 等。这一整个工序称为“授时”。 几种世界时的概念1 ： ( 1 ) u t o ：零类世界时 由于地球绕自身轴周期旋转( 自转) ，地球上的人们看到太阳在东升西落。 像一个飞轮，其周期相当于地球绕轴自转的周期。日晷指示该周期的一个分数 值，规定这个周期为2 4 小时，秒是日长的1 8 6 4 0 0 ，把它细分和扩大，便得到 时、分、秒和年、月、日。由于地球自转外还绕着太阳公转，公转的轨道又不 是圆的，因此上述太阳飞轮的周期并不严格等于地球自转的周期，其差值称为 时差，随地球与太阳之间的距离改变而变化。早期的天文学家和数学家认识到 这些规律，并对其做了校正。时差数值每天不同，一年中最大最小变化约3 0 分钟。经过这种时差修正的太阳时称为“平均太阳时”。根据国际协定，将英国 格林威治所在子午圈( 又称本初子午线) 的平太阳时，定义为零类世界时( u t o ) 。 ( 2 ) u t l ：一类世界时 如果用一颗远离我们太阳系的星星( 恒星) 代替太阳作飞轮，则地球绕太 阳的公转轨道是不是一个理想的圆轨道就变得不重要了，由此得到的时杯 铲恒 星时”。恒星时的速率略比太阳时速率快，其差约l 天年，即有 3 6 5 2 4 2 2 平均太阳日= 3 6 6 2 4 2 2 恒星日 或 。 l 平均太阳日l 恒星臼= 1 0 0 2 7 4 这样一个恒星日比一个太阳日约短4 分钟。由于太阳亮度大，测准其圆视 面中心的误差大，而恒星离我们很远，在观测仪器上呈现为一个点，测量误差 小，因此，天文观测中部是通过恒星时导出平均太阳时。随着质量较好的钟被 研制出来，天文学家注意到，根据地球上不同地方测得的太阳时归算出得零类 世界时u t o 存在差异。该差异最后证明源于地球自转轴的摆动，摆动星约1 5 米。根据世界各地观测所的细心测量，可以修正此摆动带来的影响，与之相应， 产生了命名为一类世界时u t l 的新杯时：u t l 是对地球自转轴微小移动( 极移) 效应进行修正后的u t o 。 ( 3 ) t a i 原子时 以原子震荡周期为基础，并由世界度量衡局以世界各国家实验室原子钟群 加权平均产生之时间尺度称为国际原子时( t m ) 。 7 ( 4 )u t gc o o r d i h a t e du n i v e r s a lt i m e ，协调世界时 综合一类世界时与国际原子时所发布的生活使用时时| 日j 标准，办为世界标 准时刻，1 9 7 2 年后的定义为：u t c - t a i = ns e c o n d s i u t c - u t i i 0 9s e c o n d 即u t c 与u t l 差值必须保持在0 9 秒以内，若大于0 9 秒则应发知闺秒， 使u t c 与地球自转周期一致。规定1 9 5 8 年u t c t a i = o ，现今u t c - t a i = 3 1 秒。 原子钟是现有的最精确、可靠的时钟，在此对其作简单介绍。 原子钟介绍 根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差( 也 就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差) 来吸收或释放电磁能量的。这里 电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迂至低的“能量念”时，它 便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振 频率。同一种原子的共振频率是一定的一例如铯1 3 3 的共振频率为每秒 9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 周。因此铯原子便被用作一种节拍器来保持高度精确的时问。 普通钟表在测定时间时须依靠固定的振动频率，机械表的摆频率每秒5 次或6 次，音叉钟的频率每秒几百至几千次。石英钟衷( 石英振荡式) 的振动频 率是由微小的石英片的振动产生的，其固定振动频率每秒3 2 0 0 0 次。铯原子钟 振动频率高达9 1 9 x1 0 9 次。振动频率越高。计时越精确，铯原子钟是目前最 精确的计时仪器。通常每天可准确到l 1 0 1 1 秒或3 0 万年差一秒。铷原子钟的 造价比铯原子钟低廉( 目前位于n i s t 实验室中的n i s t - f i 原子钟价值6 5 美 元) ，而且体积较小，但精确度不够高，通常每天可准确到l l o 。1 秒。 ( 1 ) 晶振授时2 目前高稳晶振的老化率最好的巳达1 0 1 2 秒天，已经接近铷原子钟的水 平。但与铯原子钟和氢原子钟相比，大约还相差两个数量级。至今原子钟还不 能取代晶体振荡器。原因之一是晶振的价格较低，且寿命较长。好的晶振其寿 命可长达2 0 年一3 0 年，而且运行时日j 愈长，其老化率愈低。原子钟的寿命 一般在3 年左右，3 年以后，其中的物理系统必须更换，否则其老化率会变差， 甚至不能使用。另一原因是原子钟的短稳比晶振的短稳差。如果将高稳定晶振 以“基准时间”校正，那么就可以将该晶振用来授时。 8 ( 2 ) 短波授时 利用短波信号进行时频传递与校准是一种廉价而方便的方法，对f 要求同 t h eh o u h yb m d o 瞳s c h e d u l eo fb p m 一诉“善一一4 弱u t 销c a r r i e r 一钒_ 村o n l d 2 50 7 ：3 0 - 0 1 ：0 01 5 ：3 0 - 0 9 ：0 0 鬈黝爨霪溺缀瞩獯鹣鳞鬟瀚礁黼鳓 o 00 0 ：0 0 - - 2 4 ：0 0 0 0 ：0 0 - 2 4 ：0 0 蓊嵫鹾黧黎嘲鳎黝鞫懿黧黧麟鳓嘲 步偏差在l m s 量级的用户特别有利。同时对于某些高准确度同步要求的用户， 作为粗( 初) 同步方法也是必不可少的。短波授时的基本方法是由无线电台发 播时日j 信号( 简称时号) ，用户用无线电接收机接收时号，然后进行本地授时。 我国目前有国家授时中心的b p m ( 短波专用无线电标准时b j 标准频率发播台) ， 上海天文台的x s c ( 电台呼号) ，每天世界时3 h ，9 h 前后发播几分钟，主要为附 近航海者服务以及台北的b s f ( 电台呼号) ，每天世界时l h 至9 h 发播。 陕西b p m 的发射台位置位于蒲城。如上图所示，发射频率为2 5 m h z ，5 o m h z ， l o 哪z ，1 5 m h z 交替全天发播。发播的足世界时u t l 和协调时u t c ，全天2 4 h 连 续发播。b p m 从1 9 8 1 年7 月1 日开始发播时号，1 9 8 3 年3 月lf 1 以后的发播程 序如下图：o l o m i n ，1 5 2 5 m i n ，3 0 4 0 m i n ，4 5 5 5 m i n 发播u t c 时号。秒信号 ， 9 为正弦波l k h z 调制的l o 个周波，即秒信号长l o m s ，整分信号为l k h z 调制的 3 0 0 个周波，即分信号长3 0 0 m s 。2 5 、2 9 m i n ，5 5 5 9 m i n 发播u t l 时号。秒信号 为正弦波t k h z 调制的1 0 0 个周波，即秒信号长l o o m s ，整分信号为l k h z 调制 的3 0 0 个周波，即分信号长3 0 0 m s 。1 0 1 5 m i n ，4 0 4 5 m i n 发播无调制载波。 2 9 3 0 m i n ，5 9 6 0 m i n 发播b p m 台站呼号。呼号前4 0 秒为莫尔斯电码，后2 0 秒 为女声汉语语音通告。 利用短波时号进行远距离时频校准，主要设备是短波接收机，原则上讲， 市场上出售的短波接收机都可以用f 接收短波时号。如果离短波发射台较远， 接收信号较弱，专门用于对时或校频的用户则应使用高性能的短波接收机，并 且要正规的架设接收天线。目前，国家授时中心已研制成专门用于短波对时和 校频的自动测量接收设备。需注意的是b p m 的u t c 与8 i p u ( 国际计量局) 的u t c 相比超前2 0 m s 。 ( 3 ) 长波授时 利用长波( 低频) 进行时间频率传递与校准，是一种覆盖能力比短波强， 校准的准确度更高的授时方法。我国在2 0 世纪7 0 年代仞丌始建设自己的专门 用于时频传递的罗兰- c 体制长波授时台，呼号为b p l ( 长波专用无线电标准时且j 标准频率发播台) ，其载频信号由国家授时中心铯原子钟组产生。b p l 从1 9 7 8 年开始小功率发播，1 9 8 3 年起大功率发播。 b p l 长波授时台是我国目前惟一微秒量级的高精度授时系统，信号覆盖我 国整个陆地和近海海域。系统运行二十多年来，为我国国民经济诸多行业和部 门提供了可靠的高精度授时服务，发挥着极为重要的、不可替代的作用。发播 信号时刻准确度：1 微秒。信号采用罗兰- - c 发播格式主台发射一组 九个脉冲，前八个脉冲间隔l m s ，第九个与第八个脉冲日j 隔2 m s ，为主台识别脉 冲。经过一定延迟后，再发射副台一组八个脉冲，间隔l m s 。各脉冲中只有主 台脉冲组的第一个脉冲在规定的时刻与标准时间u t c ( u s n o ) 对齐。几个副台 发射完后，经过一段时间，主台又重新发射。不同的“链”采用不同的重复周 期加以区分，用g r p 表示脉冲组的重复周期称为组重复周期，共设计了四种 基本g r p ，我国的g r p 为6 0 0 0 0 u s 。 为了使b p l 信号频谱集中应用效果好，减少无线电于扰，采取如下技术措 施：脉冲调制包络采用指数形式。为了便于自动搜索，提高抗干扰能力，有利 于抑制连续波干扰和天线干扰，每台的脉冲组均采用相位编码排列。 利用长波授时台进行时日】频率比对的设备主要是长波接收机。这是专门设 计的用于长波授时信号接收，并给出标准频率和标准时自j 信息的定时校频设备。 在我国主要使用的是美国生产的2 0 0 0 - c 型、2 0 0 4 型罗兰一c 接收机和我国研制 生产的p 0 2 0 型长波接收机及其改进型的全自动p 0 2 1 长波接收机。 ( 4 ) g p s 授时 全球定位系统( g p s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国从2 0 世纪7 0 年代开始研制的，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全部建成。g p s 系 统包括空间( g p s 卫星) 、地面控制一地面监控系统和用户设备( g p s 信号接收机) 三大部分。g p s 信号接收机可接收用于授时、准确至纳秒( n s ) 级的时日j 信息。 尽管在g p s 测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等 误差，以及在定位计算时会受到卫星广播星历误差的影响等，但在相对定位时 大部分公共误差都会被抵消或削弱，定位的精度也会大大提高。 授时型接收机主要利用g p s 卫星提供的高精时间标准进行授时，常用于天 文台及无线电通讯的时8 j 同步。按接收机的载波频率分类，有单频接收机和双 频接收机两种采用g p s 授时型接收机提供的高精度时间一般被用作时日j 源。 ( 5 ) i r i g - b 码授时 i r i g ( i n t e r r a n g ei n s t r u m e n t a t i o ng r o u p ) 是荚国靶场司令部委员会 的下属机构，称为靶场时间组i r i g 时间标准有两大类：一类是并行时间码 格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行 格式广泛；另一类是串行时自j 码，共有六种格式，即a 、b 、d 、e 、g 、h 。它们 的毛要差别是时间码的帧速率不同。b 码的主要特点是时帧速率为l 帧s ：携 带信息量大，经译码_ i 舌可获得l 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0c s 的脉冲信弓和b c d 编码的 时b j 信息及控制功能信息；高分辨率；调制后的b 码带宽，适用f 远距离传输； 分直流、交流两种；具有接u 标准化，国际通用。 i r i g b 常与g p s 系统配合使用，一般是将破g p s 校一得到的准时钟编码后 输出，传输介质可用双绞线和同轴电缆，精确度为l ous 1 0 0us 。 b i ) c l s ： 是t r i g b 的一种特殊形式，通过6 4 k b i t s 的数字数据网( d d n ：d i g i t a ld a t a n e t w o r k s ) 的线路进行传输，无传输距离的限制，精确度为1 0 “s 1 0 0 0 us 。 ( 6 ) 网络授时 网络校时的实现就是建立若干授时网站，为用户提供授时软件，并提供与 时间服务器的连接，只要用户电脑定时访问这些时间服务器就能保证时间的同 步。由于通用的网络时间协议n t p 的存在，在网上传递的时问信息具有统一的 格式，合格的授时软件应该能与世界上任何一个授时网站的服务器相连，并完 成时间的传递，美国国家标准技术研究院从9 0 年代开始，至今已建立8 个时间 服务网站。现在全球的时f a i n 务网站已有1 0 0 多个。网络授时非常依赖于客户 端和服务端网络的情况。在广域网，一般可以达到l o l o o m s 。在局域网内部 则可以达到0 5 - 2 m s 的精度。 1 3 主要授时方法的误差分析 1 ) 高稳定晶振误差分析2 1 石英本身就会老化，虽然水晶是一种物理化学都十分稳定的材料，但由于石 英振荡器频率老化率极低，所以当石英材料发生非常微小的变化时都会引起町 观的频率漂移。 2 力驰豫效应，加在石英上的应力变化会导致石英振荡频率的漂移，石英片上 的机械应力来自于支持石英的支架和附着在石英上的会属电机，当应力随时间 的推移而松弛时，石英频率会根据应力性质的不同而改变。 3 金属电极与石英反应导致石英质量增大，频率降低。 4 质量迁移效应。无论是石英表面还是封装盒内的污染，都会增大石英的质量， 导致频率降低，石英在振动时将污染或其本身碎片抖出来，会减少其质量，导 致频率增大 解决办法，只能靠谐振器生产时严格控制污染源和高温排气来改善第四个 影响因素通过减慢晶体生长速度来改善第一个影响因素。 2 ) 短波授时误差分析 1 通信距离，短波的地波传播方式由于损耗很大不能传输很远，即使使用l k w 的发射机，陆地上传播距离也只育l o o k m 左右。 1 2 2 电离层的变化，短波的天波传播方式足利用电离层的反射来传播的，其接收 受时b j 、地点、季节、频率等因素的影响，有时甚至会造成信号的中断。 3 多径效应，衰落、多普勒频移等 4 各种1 二扰，如大气噪声，工业干扰，电台干扰 总的来说，由于短波传输受电离层变化的影响和太阳活动的影响较大。接收时 应避丌日出、日落时日j ，电离层扰动期间应尽量接收载频较高的时号。采用定 向天线或自适应调零天线，选好接受地点，以保证接收时号的清晰可辩和稳定。 3 ) 长波授时误差分析5 1 有效时间不是全天覆盖，每天只发播8 小时，时间为1 3 ：3 0 2 1 ：3 0 2 通信距离，覆盖范围天地波结合为3 0 0 0 公哩，不能覆盖全国 3 地波识别和周期判定的系统性影响因素，传播时延变动的随机性影响因素会 造成测量数据的不一致。 4 ) g p s 授时误差分析 1 卫星虽然装备的是铷、铯原子钟但这些钟之间也有误差，大概在i o n s 这个 量级上。 2 大气传播延迟，卫星信号以行波传输( 9 8 光速) ，但从2 万米的高空到接收机 还是有一定的延时。 3 多路径效应等误差。 总的来说，g p s 的授时可达l o n s 级，在绝大多数场合下可以当“时钟基准”使 用。 5 ) i r i g b 授时误差分析 解码误差，解码得到的信号莳沿与信号本柬的前沿不能完全对齐，其误差 在0 i m s 量级( 软件) 。 6 ) 网络授时误差分析： 单向传播的时延构成： 1 传导时延：传导时延是网上信息通过长距离通信电缆造成的时延。这是一 个只要知道信息通过的路径就可以算出的时延。并且这种时延很小。 1 交换时延：交换时延是信息到达沿途某站点时，站点路由调度这一信息时 的时延。 2 列队时延：列队时延是由于网站信息拥挤，信息列队等待通行的时延 3 介质访问时延：信息到达网卡到实际接收的时延，很短，小于0 1 m s 。 其中，2 ，3 统称为网站滞留时延。当某一预经网站信息过于拥挤时。网络路由 会安排信息包改变路径绕道送达。当网络拥挤严重，很多网站部信息拥挤时， 各地方站点会不断的改变信息送达路径。这一方面，使得信息不得不经过更多 的网站，而不断地积累新的时延。另一方面，由于信息路径彼改变的随机性， 就使得信息路径有着不可预知的不确定性。这对于精确确定路径时延带来了困 难。此外，甚至因为网路过于拥塞，信息送达路径的多次被改变而使信息包 丢失，不能被送达目的机。 n t p 实现时默认客户端数据包到服务端所用的时恻与服务端返回数据包到 客户端的时日】相同，而实际在广域网瞿，由于网站滞留时延的具有不确定性， 这两者的区别常达一秒之久，虽然n t p 会通过算法来剔除完全不合格的服务端， 但这种延时还是使得网络授时的误差有时候变得不可接受。 1 4 各种方法的综合比较 授时方式授时精度s系统町扩展性工作町靠性实现成本 短波1 m s差一股高 长波 1 u s 差低高 i r i g b 码 l o u s - l o o u s好 高低 g p s l o o n s一般较高很高 网络 0 0 1 m s 一非常好一般 高 0 1 s 铷原子钟 l n s差高非常商 1 - 就授时精度上讲原子钟最好，因为它本身就是一个“基准时问”，在1 s 内的 授时精度小于l n s ，原子钟的输出实际上是被它锁定的高稳晶振的输出，它的 短稳( 通常在取样i j l x j l m s - - l s 的时间f b j 隔内测得) 1 0 - 1 3 s ，可以说绝大多 数实际应用对短稳的要求低于这一水平：g p s 其次，因为需要传输，解调，所 以需要一定的时间，军品一般在3 0 n s p l 下；长波再次，这是由我i 雪b p l 授时信 1 4 号a 组第一个脉冲的起点与u t c ( c s a o ) 的时差小于lp 决定的，i r i g b 在g p s 的基 础上工作，由于要编解码，所以精度受到一定影响，短波授时的精度由短波授 时台授时精度决定的，网络授时受网络延时的影响巨大，是方差最大的。 2 系统可扩展性是指该实现与其他模块接口的方便程度，网络已成为计算机、 嵌入式系统通信的主要方法之一，其软硬件实现都非常方便，而且网络遍白各 地，不需要另外增加成本，可以说其可扩展性是最好的；i r i g b 码使用同轴电 缆传输，其本质就是两根数据线，其物理连接、软硬件实现方便；其它几种系 统耦合性强，一般都是与显示屏、记录设备相连，所以不利于扩展。 3 工作可靠性通常是指系统完成授时工作的时间可靠性和空间可靠性，原子钟 基本不受空间的限制，每部钟町靠工作时间大概在3 年左右，而且也不容易受到 电磁干扰，所以说原子种可靠性很高。i r i g b 采用同轴或双绞线传输信号，不 受时日j 、空间的限制，但受其时间来源可靠性的影响：g p s 接收器在任意时刻 能同时接收其视野范围内4 8 颗卫星信号，虽然接受其中任意一颗的信号即可较 时，但有可能所有视野中的卫星部被云遮住，所以其可靠性不是最高的：短波 受空间影响很大，当处于山区电磁场污染严重的地方，信号很难接收到，受电 离层变化的影响和太阳活动的影响也很大。长波受时日j 的影响较大，b p l ( 短波 专用无线电标准时间标准频率发播台) 每天只有8 个小时的授时时间，长河二号4 不保持其导航信号的测量参考点由天线发出的时刻与u t c 的时日j 差值小于某个 范围( 例如5 i is ) ，所以长波的时间可靠性很低；网络现在分钿广泛，接入方便， 基本不受限制，可靠性很好。 4 实现成本，原子钟最贵，在两万以上；g p s 、短波，长波都在几于元，ir i g b 根据传输距离的不同在几十到上千不等，网络在几百元以下最经济。 结论 总的来说，b 码作为一种授时方式具有实现简单，工作稳定，成本低廉的授 时方式且精确性很高等特点，有着j 常广阔的应用前景。在下一章中将对该码 的格式及解码方式作详细的讨论。 参考文献： 【l 】n t p 网络时间服务器时码频标寰泰电子公司 2 0 0 5 1 【2 】赵卢衡石英晶体振荡器湖南大学出版社 1 9 7 7 6 【3 1 李德河计算机网络授时中时延问题的讨论 电子测晕与仪器学报2 0 0 5 4 【4 1 张尔扬短波通信技术国防【业出版社2 0 0 2 7 5 】陈洪卿等长河_ 二号信号的准t o c 及其时筹改正宇航计测技术2 0 0 2 2 6 】苗l i i = 洪等基f - - g p s 的电网状态监测系统的设计与实现电力系统白动化2 0 0 5 6 2 5 7 黄小耘n t p 在电力自动化设备时钟同步中的应用探讨电力系统白动化2 0 0 5 8 1 0 1 6 2 1b 码简介 第二章b 码解码的实现 i r i g ( i n t e r r a n g ei n s t r u m e n t a t i o ng r o u p ) 是荚国靶场司令部委员会的 下属机构，称为靶场时间组。i r i g 时间标准有两大类：一类是并行时间码格 式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制格式，因此远不如串 行格式广泛：另一类是串行时闻码，共有六种格式，即a 、b 、d 、e 、g 、h 。它 们的主要差别是时日】码的帧速率不同。b 码的主要特点是帧速率为l 帧s ；携 带信息量大，经译码后可获得l 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0c s 的脉冲信号和b c d 编码的 时间信息及控制功能信息，分辨率高。调制后的b 码便于远距离传输，分直流、 交流两种，具有接口标准化，国际通用。 2 2i r i g - b 格式码的格式与规范 图2 1 为b ( o c ) 码示意图。它是每秒一帧的时间码，每个码元的宽度为 l o m s ，一个时帧周期包括1 0 0 个码元，为脉宽编码。码元的准时参考点足其脉 冲前沿，时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成，其宽度 为8 m s ：每l o 个码元有一个位置识别标志：p 1 ，p 2 ，p 3 ，p 9 ，p o ，它们均为8 m s 宽度；p r 为帧参考点：二进制l 和0 ”的脉宽为5 m s 和2 m s 。 一个时间格式帧从帧参考杯志开始。因此连续两个8 m s 宽脉冲表明秒的开 始，如果从第二个8 m s 开始对码元进行编码，分别编为第0 ，l ，2 ，9 9 个 码元。在b 码时间格式中含有天、时、分、秒，时序为秒一分一时一天，所占信息 位分别为秒7 位、分7 位、时6 位、天1 0 位，其位冒在p o p 5 之日j 。p 6 p o 包含其他控制信息。其中”秒信息：第l ，2 ，3 ，4 ，6 ，7 ，8 码元：分信息： 第1 0 ，l i ，1 2 ，1 3 ，1 5 ，1 6 ，1 7 码元；时”信息：第2 0 ，2 l ，2 2 ，2 3 2 5 ， 2 6 码元；第5 ，1 4 ，2 4 码元为索引杯志，宽度为2 m s 。时、分、秒均用8 c d 码 表示，低位在莳高位在后：个位在前，十位在后。需要注意的是1 7 码元与 p 2 之间有一个2 m s 的索引标志，2 6 码元与p 3 之间有2 个2 m s 的索引标志。在 一般的实际应用中，只对时、分、秒进行编码。标准的b 码体制规定在一帧里还 包括用于控制功能的码元，包括特杯控制码和分站时延修正码元，分别位于p 5 和p 8 之间，由于这些码元在实际的应用中没有采用，这咀不进行详细的介绍。 刊 l2 4 e 1 0 d oizq8 i o2 0 4 0 1 24 8l o l 一 i 几00 8in nr 0l 4nn 几08 ln n0 0 4 l0f 1i u ln p 6p ip i p l k 蕊s n il r o 艇叫卜翟 。章；i 埒岩一卜氟5 i 控丰铒谎 i l 厂。、叫 站址i 寸i 蘑僖穹位铸杯栓制吗兄羞 位鲎鲷j 标老3 馋黪| 耋毒嘲元f 升 ，。、 n0l l 0 5ll i ir i 且心n1 lnn 几几 r 5 p p op 1 图2 1b 码的格式 2 3 单片机实现解码 对b 码进行解码就是将b 码中包含的时、分、秒信息提取出来，转换成计 算机能够识别的格式。解码的关键在于检测b 码中各个码元高电平的宽度，然 ， l 扭脯瞵黜螂黼燃烯块 由；3 拟4 - 酣7 莹喇尉曾。f 陷勖荆蹬镗腩b 佃十 2 8 8 5 2 2 2 羽 上一h a i 苎目 e ；# 翻 o 学- 址飙i 1 2 ：4 0 ：2 磷檬舔西融 j = 1 1 晷2 2 2 2 5 1 1 i d 扣厌 图2 - 2 单片机解码的步骤 后再检测两个连续8 m s 高电平码元出现的位置，并得到其后的4 1 个码元脉冲 宽度，以确定天，时、分、秒。其中的天是从当年的一月一日开始计算的年积 日，示意图如图2 2 。 由图2 2 可知，首先需要确定脉冲的上升沿和f 降沿，当上升沿到束时开 始计时，下降沿到来时停止计时。并将测量的时间写入内存，当所有码元接收 完成后，分析i i 导码后的码元得到时日】。最后将得到的时日j 从串口上发送出去。 下面将对这几个步骤作详细的讨论。 2 3 1 信号的转换 实现中，我们将b 码信号连接到单片机的外部中断。但由于单片机中断足 下降沿触发的，不能识别b 码的上升沿，所以需要将上升沿转换成下降沿。转 换是由计数器和门电路实现的，其原理图如图2 3 ： 1 9 图2 3 信号的转换 簖 c b d 4 2 是一个2 位计数器，d o ，d 1 为计数初值，都拉高，