（信息与通信工程专业论文）时统信号（b码）在数字信道上畸变问题研究与解决.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 航天试验靶场时间统系统是通信系统的一个分系统，它主要完成的功能可概括为通 过时统中心站接收陕西天文台的授时信号同步自身频标系统一通常为原子钟，形成商精度 时间信号和高稳定频率信号，时统中心站把这两种信号即时间信息、同步信息加上时统中 心站的地址信息、时延信息以特定调制方式通过时码( 以下简称b 码) 形式送给各种测量 设备终端作为整个测量系统的标准时基信号，因此它已成为影响测量结果精度的重要因索 之一。 在实际应用过程中由于靶场通信设备的更新，一些地处偏远的光学测量点号都己安 装了s d h 传输设备，实现传输信道数字化。而时统中心站送来的b 码信号如果经s d h 传输后 畸变严重以致于b 码终端不能稳定地解调时间信息和同步信息，从而使得在这些点号不得 不延用实线电缆传输b 码，而这又增加了线路维护困难，这和靶场通信规划发展相背离， 也没有充分发挥s d h 传输的优势。因此研究解决解调经数字信道传输畸变的b 码是十分必 要的。 本文首先简单介绍了时间统一系统主要组成部分和工作原理，着重论述了b 码信号形 成、b 码信号所包含的信息、性能指标、特征参数、传输机制详细分析了b 码经s d h 、p c m 设备传输畸变的原因。然后针对现有b 码终端存的不足提出了用单片机和大规模可编程电 路解调b 码并整形输出的实现方案，其中包括硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括了 包络解波部分、利用单片机粗解码部分、利用大规模集成电路设计b 码同步和再生的原理 图、电路图及相关知识，特别是a l t e r a 公司e p l k 3 0 t c l 4 4 芯片特征及性能参数；软件部分 包括：介绍时间解码和同步的原理、开发大规模集成电路m a x p l u s i i 工具的使用、f p g a 技 术及v h d l 语言的特点，并详细介绍如何使用以上两种软件实现解码、同步、再生过程及程 序框图、流程图及部分源代码。最后，给出了再生b 码性能指标及系统需做的改进。 主题词：时间统一同步精度i r i g - bv h d l 指标参数 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h eu n i t e dt i m es y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ec u r r e n ts p a c e f l i g h t e x p e r i m e n tc e n t e r i tm a i n l yc o m p l e t e sr e c e i v i n gt h ea p p r i s i n gs i g n a l s e n tf r o mt h es h a n x ia s t r o n o m i c a l o b s e r v a t o r yt h r o u g hat i m ec e n t e rd e v i c ea n d u s e st h i ss i g n a ls y n c h r o n i z ei t sa t o m i cc l o c ki no r d e rt og e n e r a t e t h eh i g h l ys t a b l et i m ea n df r e q u e n c ys i g n a l sw h i c ha r es e n tt oa l lk i n d so fr a d a rm e a s u r i n gt e r m i n a l s s oi tt a k e s a ni m p o r t a n tr o l et oa f f e c tt h ep r e c i s i o no f m e a s u r i n gr e s u l t s i n f a c ts o m ed i s t a n tm e a s u r es p o t sh a v eb e e ne q u i p p e dw i t hm o d e mt r a n s i t i o nd e v i c es u c ha ss d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) ，b m t h eb - c o d es i g n a lt r a n s m i t t e df r o mt h et i m ec e n t e rd e v i c eh a v e d e f o r m e ds os e r i o u s l yt h a tt h et e r m i n a lc a n n o td e c o d et h ec o r r e c ti n f o r m a t i o n a sar e s u l t ，t h o s es i g n a l sh a v e b e e ns e n tb yu s i n go l dc a b l e sw h i c hb r i n gs o m ed i f f i c u l t i e si nm a i n t a i n i n gt h e ma n dt h i sg o e sw a yf r o mt h e c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t s oi ti se s s e n t i a lt h a tt h ed e f o r m e db c o d es i g n a lb es e a r c h e da n dr e s o l v e d i nt h i sa r t i c l e ，s o m ei m p o r t a n tc o n s i s t e dp a r t sa n dt h ef u n c t i o no f t h eu n i t e dt i m es y s t e mw i l lb ei n t r o d u c e d f i r s t l ya n d t h ef o r m i n g p r o c e s so f t h eb - c o d e a n di t si n c l u d i n gi n f o r m a t i o nw i l lb eg i v e nm o r ed e t a i l s ，a tt h e s a m et i m ew ea l s or e s e a r c ha n df i n do u tt h er e a s o no f t h ed e f o r m e db - c o d es i g n a l t h e nap r a c t i c a lp r o p o s a l f o rd e c o d i n gt h ed e f o r m e ds i g n a ld e s i g n e db yas c m ( s i n g l e c h i pm i c y o c o ) a n dl s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) w i l lc o m e u p t h i sp r o p o s a li n c l u d e st w op a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ec o n s i s tu pd e m o d u l a t i n g t h ec o n t o u r 、s c mr o u g h l yd e c o d i n g 、s y n c h r o n i z i n gt h r o u g hl s i 、g e n e r a t i n gb - c o d e 、t h ef u n c t i o ns c h e m a t i c a n ds oo n e s p e c i a l l ym o r ei n f o r m a t i o na b o u ta l t e r ac h i pe p l k 3 0 t c l 4 4i sg i v e no u t t h es o f t w a r ei n c l u d e s t h eu s a g eo f m a x p l u s l la n dh o wt ow o r kt h r o u g hi lw h i l es o m ei n f o r m a t i o na b o u tt h ep l d t e c h n o l o g ya n d t h e v h d l l a n g u a g ea r ea l s oi n t r o d u c e d l a s t l yt h ef u n c t i o n a lf e a t u r e sa r el i s t e da n ds o m ef u n c t i o n si m p r o v e di n t h ef u t u r e k e y w o r d ：u n i t e dt i m es y s t e m ，s y n c h r o n o u sp r e c i s i o n ，i r i g - b , v h d l ，f u n c t i o n a lf e a t u r e s 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：盟统焦量堕翌2 查熬室焦童土堕变间基甄究生鲤迭 学位论文作者签名：牟兰斗 日期： 阳舀 年。月1 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阒；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用彩印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：吐统焦量堡塑2 查熬主焦道上堕变回基受茳童缝迭 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：枷，年i l 月1 日 臼期：切) 年if 月日 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 ：时统组成图2 图2 1 ：b ( d c ) 码组成图9 图2 2 ：b ( a c ) 码形成图1 1 图2 3 ；b 码信号号传输组成图1 2 图2 4 ：b ( a c ) 码传输前波形1 2 图2 5 ：b ( a c ) 码传输后波形一1 2 图2 6 ：s d h 基本帧结构图1 3 图2 7 ：字节间插示意图1 4 图2 8 ：低速信号装箱定位图1 5 图2 9 ：我国低速信号复用线路图15 图2 1 0 ：2 m 信号复用过程图1 6 图2 1 l ：b ( a c ) 码频谱示意图1 8 图2 1 2 ：仿真器模拟测试方框图1 9 图2 1 3 ：p c m 6 4 k b p s 信道的衰减频率失真特性指标l9 图2 1 4 ：p c m 6 4 k b p s 信道的群时延失真特性指标2 0 图2 1 5 ：p c m 6 4 k b p s 信道总失真特性指标2 0 图2 1 6 ：微波+ p c m 系统测试连接图2 1 图3 1 ：旧b 码终端解码组成框图及各点波形图2 5 图3 2 ：应用系统设计框图及各点波形一2 6 图3 3 ：包络解波电路原理图2 8 图3 4 ：包络解波各点波形2 9 图3 5 ：解码流程图31 图3 6 ：单片机解码图3 2 图3 7 ：同步再生原理图3 2 图3 8 ：再生过程程序流程图3 3 图3 9 ：单片机组成图3 4 图3 1 0 ：a c e x1 k 器件的结构示意图3 8 图3 11 ：m a x p l u s i i 软件开发过程图4 1 图4 1 ：应用系统电路原理图4 3 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 2 ：应用系统电路板图4 3 图4 3 ：应用系统功能仿真图4 4 图4 4 ：配置数据时序图4 5 图4 5 ：e p c 2 l c 2 0 配置e p l k 3 0 引脚电路图4 6 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表卜l ：六种i r i g 串行时间码格式的主要参数 表3 1 ：编码信息表 表3 2 ：e p i k 3 0 t c l 4 4 3 引脚名称及序号 表4 1 ：e p c 器件的常用引脚及功能 6 2 9 3 8 4 5 第i v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 1 时间和频率 第一章绪论 1 1 时间统一系统概述 时问是物质存在的基本形式之一，它表示物质运动的连续性。物质运动的先后和久暂， 就构成了时间的概念。时间与长度、质量、温度等物理量相比，最大的不同在于“时间不 可能保持恒定不变”，它永流不息，决无终止。时间计量、时间信息的传递和应用，对于 人们生活和社会发展的重要性是不言而喻的。 时间包含两种含义：时间间隔和时刻。前者回答物质动动的久暂，表示时间的长短： 后者回答物质运动在某一瞬间到时间坐标原点的( 历元) 之间的时间间隔，以分别先后之 序。时刻与时间间隔，二者既相互联系，又有差别。 为了计量时间，必需选定具有周期性和均匀的某一物体的运动。到目前为止，人们选 取用以计量时间的周期运动。大致有两类。一类是转动：地球绕轴自转，星斗移动，昼夜 更替，导出了“日”；地球绕太阳公转，寒暑交替，四季变迁，导出了“年”。另一类是以 振荡运动为根据的谐振运动：摆钟、音叉钟、电钟、石英钟、各种原子钟，以周期性谐振 导出了“秒”。 频率与周期互为倒数。知道了周期的长短，也就知道了频率。时间间隔是由周期运动 计量的，因此知道了时间，就可以推算出周期和相应的频率。为叙述方便起见，我们一般 只介绍时间、时间的传递和时间信息的应用，用户需用频率信息，只需略加转换，即可得 到。况且，在大多数情况下。标准频率和标准时间信息是同时传递的。 1 1 2 时间统一系统在靶场中的作用 时间统一系统是靶场测量、控制及武器装备试验重要组成部分，它作为靶场测量的统一 时间频率标准，负责向雷达测量设备、光学测量设备及相关控制设备提供标准时间和标准 频率信号，使整个测控系统在统一时间尺度下工作。 时统设备随着我国时间技术的发展和广泛应用，应用面在不断扩大。已逐步深入到航 天、航空、气象、大地测绘、自动化控制、通讯、地震预报等许多高技术领域和工业部门。 特别是在靶场试验时，时间统一系统为各个系统提供统一时基的时间信号，在这些系统中 有的系统只是简单利用时统信号的显示时间信息，如指挥显示系统等；而有些系统则对时 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 统信号要求比较严格，例如雷达测量系统和光学测量系统，时统信号的好坏对这些系统来 说直接影响测量数据的精度，因此为这些系统提供高精度的时间信号是时统设备的主要任 务。 靶场时统一般采用b 码体制。即时统中心站把标准时间和标准频率信号用b 码的形式传送 给b 码终端，再由b 码终端形成各设备所需的各种频率信号和时间信号，系统组成如图 图1 1 ：时统组成图 靶场测量设备形式多样，千变万化，各种测量设备所需的b 码输出信号也各不相同，包 括信号的频率、脉冲宽度、正负极性、周期抖动、时间准确度等。为适应不同测量设备的 接口要求，对不同的测量设备配置了不同的b 码终端。 1 1 3 时统信号的应用种类 根据b 码终端所服务设备完成功能的不同，b 码信号主要可分为雷达测量( 以下简称 雷测) b 码信号和光学测量( 以下简称光测) b 码信号。雷测设备对b 码精度要求高，要 求b 码同步精度小于1 0 8 u s ，而光测设备对b 码精度要求低，只要达到毫秒级即可，一般要 求同步精度几个毫秒。雷达测量主要完成测量飞行目标的速度、方位和距离等功能，特别 是在测距过程中过程中，是根据无线电信号从发射到反射所经过时间间隔来确定目标的距 离，如果有l u s 误差，则会造成测距1 5 0 米的误差，所以雷测对b 码信号的精度要求非常高。 在实际应用过程中，为保障雷达测量信号的精度，在每一套主要雷达测量设备的终端都配 有一套时统中心站，以b - d c 码形式向雷达终端设备提供时间信号，规定b d c 码传输距 离最远不超过2 0 0 米，并规定以屏蔽的铜轴电缆进行传输。光测设备主要功能是完成目标 在可视范围内，对其飞行轨迹进行高速摄影，光测b 码信号主要功能是在给高速摄影过程 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 中，给每一张摄影提供一个时间坐标值，以判断目标飞行状态是否正常。通常光学测量作 为靶场测量的辅助手段，光测对b 码信号的精度要求低。 1 2 时间统一系统的组成及工作原理 1 2 1 系统的组成 时间统一系统一般由授时系统、定时校频接收系统( 包括长波、短波接收机、g p s 定时仪、高精度计数器) 、传输信道、频率基准系统( 包括原子钟、分频钟、频标区分放 大器) 、时间基准系统( 包括时码产生器、时码切换器、时码区分放大器、控制器) 、b 码 终端和阵地起飞信号控制台几个部分组成，如图1 _ 2 。靶场内b 码的传输信道主要包括实线 电缆、微波、光缆三种信道传输，后两种为p c m 体制下的数字信道。 授时系统主要包括陕西天文台长短波发射系统和时统站的接收设备，陕西天文台负责 向全国范围内发播作为时间基准的长波和短波信号：此外为了定时方便，在没有任务时， 有时也用g p s 做为时源信号。定时校频接收系统主要是完成与陕西天文台的时间同步，以 及利用长波把自己的频率源校准：频率基准系统，提供给测量设备以及时间基准系统标准 的5 m h z 频率；时间基准系统，利用频率基准系统提供的频率基准以及定时校频系统提供 的时间基准形成标准的i r i g b 码信号：b 码终端，接收并解调由时统中心站送来的b 码信 号，解调出测量设备所需的各种频率信号和时间信号；传输信道用来传输b 码信号。 图l ，2 时统设备工作流程图 1 2 2 时间统一系统简要工作原理 靶场各时统中心站利用长波、短波时号与陕西天文台同步，用铷原子标准频率产生的 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 标准时间，通过守时钟进行守时。每个时统站由b 码产生器将标准时间和标准频率形成 r i g - b 格式码，然后以a c 码( 或d c 码) 的方式送给各测量点b 码终端。如此即可保证各 测量点的同步精度。下面从定时、守时、校频、同步、传输来说明靶场时间统一系统的工 作过程。 1 ) 定时 定时就是时间同步，使本地时间与标准时间一致。每个时统站都以陕西天文台b p l 为 基准定时。步骤为先接收陕西天文台的短波时号，利用短波秒为长波的粗同步信号再用 长波进行精确定时，同步分频钟。同时以g p s 为参考定时手段进行比对。 2 ) 守时 定时完成后要守时。守时就是将正确的定时的结果保持在需要的范围内。每个时统站 都必须在发射前两周给原子钟和分频钟加电并与陕西天文台定时后进行守时，在长波发播 期用计数器观察比对守时钟与长波的同步误差，绘出频偏曲线。如果发现本地钟与长波的 标准频率存在相位偏差，应立即进行校频。 3 ) 校频 校频就是对频率源的准确度进行校准，使其准确度的指标提高。校频的一般原理为： 用测时差的方法测出相对频率偏差，相对频率偏差在数值上和频率准确度基本相同。 4 ) 同步 在靶场各时统站均配备b p l 定时仪、p 0 2 1 全自动b p l 长波接收机、g p s 接收机( 备用) 和原子频标。 各时统站用长波移相秒作为基准秒去同步原子分频钟，用分频钟秒即守时钟的秒作为 时间基准系统的基准秒并作为h 3 0 5 设备或简易时统设备的同步源，对h 3 0 5 设备或简易时 统设备进行同步。同步后直到任务结束。随时用计数器观察其同步情况。时统站定期对h 3 0 5 设备的b ( d c ) 码、b ( a c ) 码同步误差进行测试。如测试发现指标超差，应查找原因，重 新同步，直到符合指标要求。如此即可保证每个时统站输出的b 码信号同步精度。长波的 定时精度为i p s 、h 3 0 5 设备的同步误差b ( d c ) 码为小于0 4 p s ，b ( a c ) 码为小于l o p s 。如 此可得每个时统站与陕西天文台的同步精度如下： 5 ) 传输 b ( d c ) 码同步精度为( 1 2 + o 4 2 ) “2 = 1 0 8 p s b ( a c ) 码同步精度为( i 1 0 2 ) = 1 0 0 5 p s 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 时统信号一般以b ( d c ) 码或b ( a c ) 码的方式进行传输。 对于传输b ( d c ) 码一般传输信道为三芯双绞线采用v 1 1 接口，传输距离不超过2 0 0 米。由于使用b ( d c ) 码时，b 码终端同步误差小于o 4 微秒，时统站h 3 0 5 设备同步误差 b ( d c ) 码为1 0 8 微秒，信道误差可忽略不计。 对于传输b ( a c ) 码有三种信道：实线电缆、光纤p c m 、微波p c m 。时统站h 3 0 5 设备 同步误差b ( a c ) 码为1 0 0 5 微秒，实线电缆信道传输抖动( 含b 码终端) 小于3 微秒。光纤 p c m 和微波p c m 信道传输抖动( 含b 码终端) 在1 0 0 微秒左右。 对于在传输过程引起的固定时延是这样处理的，在每次任务前对每一个时统用户的时 延值进行一次测试，对其时延进行扣除。一般情况对传输b ( d c ) 码的信道及b 码终端的 时延值在h 3 0 5 设各上扣除。对传输b ( a c ) 码的信道及b 码终端的时延值在b 码终端设备 上扣除。对不能扣除时延的b 码终端记下其时延值供事后处理时扣除。时延测量后不得随 意改变b 码终端入口处以及h 3 0 5 设备输出口处的信号幅度。如因特殊原因改变了信道或 设备的状况，应对其时延进行重新测量。 1 3i r i g - b 格式时间码简介 以上多次提到了i r i g - b 码，它是时间统一系统传输主要信号，下面就对这种时间码做 一介绍。 1 3 1i r i g 简介 i r i g 是英文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 ( 靶场时间仪器组) 的缩写。它是美 国靶场司令委员会的下属机构。它的执行委员会是由美国各靶场的代表，三军代表、国防 部、国家航空航天局和国家标准局的代表团组成。它的职责是负责靶场间的信息交换，制 定标准、协调设备和协调靶场间的相互配合。它所制定的i r i g 标准，已成为国际上通用标 准，在西欧、日本、澳大利亚等处得到了广泛的应用。 1 3 2 i r i g 串行时间码格式简介 i r i g 时间码标准有二大类。一类是并行时间码格式，这类码由于是并行形式，传输距 离较近，且是二进制，因此应用远不如串行格式广泛。另类是串行时间码，共有六种格 式，即i r i g - a 、b 、c 、d 、e 、g 、h 。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，从最慢的每 小时一帧的d 格式到最快的每十毫秒的g 格式。各种格式的主要参数如表卜1 所示。由于 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 i r i g b 格式时间码( 以后简称b 码) 是每秒一帧的时间码，最适合使用习惯，而且传输使 用比较容易。因此，在i r i g 六种串行时间码格式中，应用最为广泛的是b 码。当前在我国 的航天武器试验靶场中，主要使用b 码传输时间信息和同步信息。b 码结构、组成及当前靶 场传输b 码存在的问题将在第二章详细介绍。 表卜1 ：六种i r i g 串行时间码格式的主要参数 格式时帧周期码元速率 二一十进制信息位数表示时间的信息 i r i g 一01 小时1 个分1 6 天、时 i r i g h1 分1 个秒2 3 天、时、分 i r i g e 1 0 秒1 0 个秒2 6天、时、分、i 0 秒 i r i g b1 秒i 0 0 个秒3 0 天、时、分、秒 i r i g a01 秒1 0 0 0 个秒3 4 天、时、分、秒、0 1 秒 i r i g - g0 0 1 秒1 0 0 0 0 个秒3 8 天、时、分、秒0 1 秒0 0 1 秒 1 4 课题立项背景及其实现的意义与价值 1 4 i 课题的立项背景 随着靶场通信事业的发展，新的通信装备不断更新与换代，特别是传输信道的建设，正 朝着从模拟到数字、从电缆到光纤的转变，原有的电缆被光纤所代替，特别是近期所安装 s d h 传输设备，使一些偏远的光学测量点号也能使用数字信道传输各种信息了，而对于时统 信号则只能通实线电缆进行传输。这是因为旧的b 码终端还是针对解调通过专用信道即实 线电缆传输b a c 码进行设计的，但随着时间的推移，实线电缆传输信道的老化，已造成了 当b 码经过这些信道时畸变情况严重，造成了部分b 码终端工作不正常。 l 、 维持通过实线信道传输b - a c 码的实用价值不大 虽然通过实线电缆传输b a c 码可以保证l o u s 的同步精度，但由于光测设备对于b - a c 码的同步精度要求在毫秒级，l o u s 的同步精度已没有必要了而在实际应用中，由于实线信 道的老化，虽然光学测量点号不多，但这些点号分布在多个不同偏远地域，为了保证任务时 每个点号一主一备两个实线电缆信道正常使用，还得继续延用这些老的电缆信道，特别是维 护这些信道，在实施过程中有一定困难，更没有充分利用数字信道，浪费了通信资源。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 、接口指标要求不统一 虽然各种终端设备在设计时，都严格按照军标进行设计的，但随着时间推移而老化， 部分设备性能变得十分不稳定，各个点号的b 码终端接口性能参数都是一线人员根据长期 使用经验进行调整，不适合部队特别是边远点号人员流动快这一特点；也不便于设备长期 维护管理。 3 、性能参数不确定 b 码在实际传输过程中，对每种终端，由于传输信道的不同、距离远近不同实际解 调出来的时间和时统中心站送来的信号都有一定的时延，为了在全试验场区有统一时间标 准，各个b 码终端在实际应用时都要进行时延测量，最后在终端扣除时延值，理想的情况是 对于每一个终端时延值相对比较固定，而实际的时延值稳定性很差，这都和b a c 码波形准 确性有关。 为了保障航天武器试验过程中测量数据的准确性，提高整个时间统一系统的保障能力， 研究解决经数字信道传输b 码畸变问题已是十分必要的。针对此问题，向靶场中心申请了 高精度b 码解调研究与实现这一课题，并已获总装备部批准。 1 4 2 研究该课题的目的和作用 本项目的研究的目标是，研究出一种即能保证光测设备对解调b ( a o 码的同步精度 要求，又能克服b a c 码在数字信道畸变的技术，使采用该技术的b 码终端即能解调经数字 信道传输畸变的b 码，又能满足光测设备对b 码同步精度的要求且引入的精度误差小于 l u s ，使通信系统的时间保证精度保障能力有明显的改善。 研究本课题的主要目的有以下几个方面： 1 、充分利用数字信道，减少维护信道的难度 通过本课题的研究，解决偏远光测点号不能利用s d h 数字信道进行b a c 码的传输的缺 陷，减少对实线电缆信道的依赖，使这些点号能利用s d h 系统进行所有信息的传输，提高这 些点号b 码终端工作稳定性，在满足光测数据精度的前提下，使其时延抖动受b 码波形的影 响减至最低程度。 2 、 统一接口标准，锁定b 码终端的固有时延 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 因为b 码波形幅度波动会影响时延值的测定，以前在测量时延时，为了和经验值相比较， 不断调整b 码波形的幅度，这绘和数字信道接口的匹配带来了不便，有时波形幅度超出接 口所要求的标准值，这会严重损坏传输设备的使用寿命。而该系统设计输出了b d c 码波形 完全符合军标，无须不断调整波形幅度。 3 、保证时统信号源的独立性和完整性 现在靶场的时间统一系统中，仍用g p s 做为时源信号的备份，特别对于那些不能稳定 解调靶场时统中心站送来的b 码信号的终端设备。为了保证在任务过程当中，能正确获得 时间信号，常用g p s + b 码作为备份手段，如果畸变的b 码信号不能纠正，就会增大对g p s 的依赖性，这不符合靶场通信发展的方向。如果使用该系统，就可保证时统信号源同步于 陕西天文台长短波信号。 第8 页 里堕型主鏊查奎兰塑塑兰堕兰垡笙壅 第二章时统信号在数字信道畸变原因及分析 2 1b 码结构与组成 在靶场任务试验过程中，从时统中心站出来b 码信号有两种：b d c 码( 即直流码) 和b - a c 码( 交流码) ；d c 码为直流码型，适合近距离传输，精度高，时延小，主要通过 同轴电缆传送；a c 码为交流码适合远距离传输，精度低、时延大，主要通过双绞线或p c m 数字信道传输。 2 1 1d c 码的组成 d c 码是每秒一帧的时间码，它主要是由一些宽度不同的矩形脉冲组成，b ( d c ) 的波 形如图2 1 所示。 一 z j2 81 0 2 d 痂i248l o 4 、r 再膏而 p op ll 几00 0l0 nn 10n0n00 0 厂 n00 010n00 厂1 9 h h shps 长孰刊i , 一- - 2 m s 。 “索；黼斗k s 参考码元二j 圭削0 兰自鳓1 位置识辩际志， 特殊控制吗元( 分) 口08 80 000 86 厂 0 且j u i8 0i0inn r 5 p g p op l 当前时间d d d ：i i i i ：哪：s s = 1 7 3 ：2 1 ：1 8 ：4 2 1 图2 1 ：b ( d c ) 码组成图 为了更好描述d e 码的特性这里用以下几个参数对其进行描述，码元、索引计数、位 罨识别标志、码字、及索引标志。在d c 码波形图中，每个脉冲称为码元。码元的“准时” 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 参考点是其脉冲前沿，码元的重复速率为码元速率，b 码的码元速率为l o o p p s 。索引计数 为每个码元定义一个整数标识，两个相邻码元前沿之间的时间间隔为索引计数间隔：b 码 的索引计数间隔为l o m s ，索引计数在帧参考点处以”o ”开始，以后每隔一个索引计数间隔 增加1 ，直至这帧结束，b 码每帧的索引计数间隔为l 0 0 个，索引计数数字从o 一9 9 。位置识 别标志是定位一帧时间信息的参考标志，它的宽度是对应时码索引计数间隔的0 8 倍，即 8m s ，位置识别标志p 。的前沿在帧参考点( 即p 。) 前一个索引计数间隔，以后每十个码 元有一个位置识别标志，分别为pl 、p2 位置识别标志的重复速率为码元速率 的十分之一，b 码为1 0p p s 。码字是指代表绝对时间信息的脉宽码，二进制的“o ”和“l ” 的脉宽分别为索引计数间隔的0 5 和0 2 ，b 码的二进制“1 ”和“0 ”的脉宽分别为5 m s 和 2 m s 。参考标志用于定位“时帧”准时参考点，它是由位置识别标志r 和相邻的参考码元 p 。组成的：参考码元的脉冲宽度为8 m s ，参考码元的下一个码元前沿对应于该时该秒秒前 沿。在没有分配给参考码元、位置识别标志和码字的索引计数位雹上都有索引标志，其宽 度为对应时码索引标间隔的0 2 。即2 m s 。 d c 码的时帧周期为1 秒，一帧包括p ，到下一个p ，之间所有码元，p r 脉冲的前沿对应该 时刻的秒前沿。时间编码采用二一十制码( b c d ) 码，b 码为3 0 位，其中天1 0 位( 从0 0 1 到3 6 5 或3 6 6 ) ，时6 位，分7 位，秒7 位，时序为秒一分一时一天，分别位于p o p 5 之间。 在靶场的实际应用中，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，包括特标控制码和分站时延修正码元，分别位于p 5 和p 。之间，由于这 些码元在实际的应用中没有采用，这里不进行详细的介绍。 2 1 28 ( a c ) 码构成及特点 为了便于传递标准格式码。用标准正弦波载频进行幅度调制。标准正弦波载频的相位与 码元严格相关- 即所有码元的脉宽必须是正弦波周期的整数倍，上升沿和正弦波相位2 n “对齐，通常一般取码元速率的十倍，其正交过零点与所调制格式码元的前沿相符合如图 2 2 所示，标准调制比为l o ：3 ，实际通常取2 5 ：i - 3 ：1 ：b 码的标准正弦波载频为i k h z ， 经过幅度调制的波形称为i r i 卜b ( a c ) 码，未经幅度调制叫i r i g - b ( d c ) 码。调制后的 信号直流分量减少，适合远距离传输。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 b - w 卜 c 弋小 小 图2 ，2 ：b ( a c ) 码形成图 2 2b a c 码的数字传输过程 经过“9 9 5 ”工程的建设。靶场传输系统已全部数字化。特剔对偏远测量点号的改造， 使得这些测量点号都用了数字信道传输各种信号，但b 码信号经过数字信道时有畸变现象， 使得部分测量点号的b 码终端不能正确解调，因此研究解决经数字信道传输b 码畸变问题 已是十分必要的。 2 2 1 b - a c 码数字传输过程的组成 b a c 码是载频为i k h z 正弦波调幅信号，它的幅度为l v l o v ，它的幅频特性基本类似于 话音信号的幅频特性，所以可以用传输话音的p c m 系统进行b - a c 码的传输。首先它由时统 中心站送出，在发端经过p c m 话路盘，对它进行抽样、量化、编码后，变成6 4 k b p s 的数 字信号再经过d m 2 设备进行复接，形成一个纵基群信号蕊基群信号经过s i ) 8 、数字微 波传输设备进行传输，在接收端，经过解复用、重建滤波和抽样保持等步骤恢复信号，最 后通过接收端p c m 话音盘输出b - a c 码，送给b 码终端进行解调。整个传输过程如图2 3 所示： 第l l 页 里堕型兰垫查查兰堕塞生堕兰垡笙苎 a c + a c pcm设备pcm设备 话d d话 路m 2 m 2路 数字微波 盘路 n 盘 a c + a c - 图2 3 ：b 码信号号传输组成图 由上图可见，传输b a c 码的数字传输系统主要包括两部分：终端部分一p c m 设备、传 输部分- s d h 和数字微波：由于现有靶场传输骨干网为s d l 5 ，而s d b 和数字微波完成功能类 似，所以主要分析p c m 和s d h 对b a c 码的影响，数字微波和s d h 类似。a c 码传输时最初 以6 4 k b p s 接入数字系统中，以下就以6 4 k b p s 数字信道代表a c 码的数字信道。 2 2 2 数字系统传输b ( a c ) 时间码存在问题 目前在靶场试验任务中对l r l g b 时问信息码的传输采用两种方式：短距离采用实线 电缆传输i r i g - - b ( d c ) 或( a c ) 码，长距离通过基于p c m 的四线音频信道加s d h 或 数字微波传输i r l g 一( a c ) 码。在实际应用中，出现下列情况：b ( a c ) 码经数字信道 传输后波形有失真，b ( a c ) 码传输前波形如图2 4 所示，传输后p c m 信道输出波形如 图2 5 所示。 图2 4 ：b ( a c ) 码传输前波形 图2 5 ：b ( a c ) 码传输后波形 所以下面从s d h 及p c m 两种设备入手，分析它们壮b ( a c ) 时间码传输的影响。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3s d h 对b a c 码的畸变的影响 2 3 1s d h 的主要工作原理 s d h 的主要工作原理通过一按套可进行同步数字传输、复用和交叉连接的标准化设备 构成数字信号的等级结构，以非常高的比特率在光纤网上传送数据信息。s h d 的主要功能 完成低速信号到高速信号的复接s d h 的复用包括两种情况：一种是低阶的s d h 信号复用 成高阶s d h 信号：另一种是低速支路信号( 例如2 m b i t s 、3 4 m b i t s 、1 4 0 m b i f s ) 复用成 s d h 信号s t m - n 。要想了解各种信号的复用过程必须了解s d h 的帧结构 2 3 1s d h 基本帧结构 1 ) 基相的帧结构：在s d h 传输信号过程中，信号是以固定的帧结构进行传输的，它是 9 x 2 7 0 的块状结构，它包括净业务数据块、通道开销、指针、段开销等内容。它结构示意图 如图2 6 所示： 图2 6 ：s d h 基本帧结构图 它的帧频率为8 0 0 0 帧s ，传输时依照先行后列、先上后下的顺序，所以它的速率为 8 0 0 0 9 2 7 0 8 = 1 5 5 2 m s ，该速率为s d h 中第一等级s t m 一1 基本速率。高阶s d h 信号是通 地低阶s d h 信号通过字节间插复用而成的。 2 ) 字节间插：s d h 是一个按照严格等级进行数据传输的s t m 一1 是s d h 的第一个等级， 相应的速率1 5 5 2 m b i t s 。高等级的数字信号系列例如：6 2 2 m b i t s ( s t m 4 ) 、2 5 g b i t s ( s t m - 1 6 ) 等可通过将低速率等级的信息模块( 例如s t m 1 ) 通过字节间插同步复接 而成，复接的个数是4 的倍数，例如：s t m 4 = 4 x s t m 1 ，s t m 1 6 = 4 x s t m - 4 。字节间 插可通过下面例子说明，有三个信号a 、b 、c ，帧结构各为每帧3 个字节，若将这三个信 第1 3 页 圆圆囤舅囝囤囝囝 p 插 圆圆如画窭丑盈 图2 7 ：字节间插示意图 由于低速s d h 信号是以字节闻插方式复用进高速s d h 信号的帧结构中的，这样就 使低速s d h 信号在高速s d h 信号的帧中的位置是固定的、有规律性的，也就是说是可预 见的。这样就能从高速s d h 信号例如2 5 g b i f f s ( s t m 1 6 ) 中直接分插出低阶s d h 信号 例如1 5 5 m b i t j s ( s t m - 1 ) ，这样就简化了信号的复接和分接，使s d h 体制特别适合于高速 大容量的光纤通信系统。 2 ) 在帧结构用到的相关概念： 开销：由于s 叫要实现对多种接入信号进行监视和管理，所以除了传输必要的业务数据 还必须加入额外的开销字节对业务数据的进行监视和管理开销字节包括段开销和通道开 销段开销包括再生段开销( m s o h ) 和复用段开销( m s o h ) ：再生段开销主要完成对s t m n 信号 进行整体性能监控，复用段开销主要对s t 妒n 中某一个s t m _ 1 信号进行监控通道开销 ( p o h ) 包括低阶通道开销、高阶通道开销；主要负责对接入s d h 的某个低速支路信号进 行监控和定位：高阶通道开销主要对接入1 4 0 m s 的低速支路信号进行监控，低阶通道开 销主要负责对接入到s d h 中多个3 4 m 或2 缸低速信号的进行监控。由于3 4 m s 和2 m s 速率 太低，在接入s d h 高速信号过程中，需要二次定位，此时通道开销除完成对它们的监控， 还要对他们进行定位。整个过程如图2 8 所示： 第1 4 页 里堕型堂垫