（通信与信息系统专业论文）基于公用电话网的时间校对系统数字化实现.pdf

摘要 本文论述的基于公用电话网的时间校对系统是在原有电话授时系统实现理论 基础上，结合数字化理论及数字信号处理( d s p ) 技术，提出的全数字化的全新的 时间校对终端系统，实现了高精度、高集成、低功耗、易便携的时间校对终端设备， 有利于在电子商务中得到应用 论文在整体系统设计过程中，以数字化系统实现理论为指导，充分利用了 1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 内丰富的片内资源，简化了系统硬件实现上的复杂性同时选取 高效的d s l ，b i o s 软件设计方法进行了整体系统软件设计，其将有效她缩短系统 软件的开发周期由于系统功能实时性要求不高，软件编程采用c 语言替代汇编语 言，其将增强软件的可移植性此外，本文在系统功能扩展上也进行了探索性的研 究目前，系统整体设计工作已经完成 关键字：公用交换电话网电话认证授时时间校对g o e r t z e l电子商务 a b s t r a c t n m e r e v i s i o ns y s t e mb a s e do np s t nt h i st h e s i sd i s c u s s e si san f f v vs y s t e mw i t h f u l l d i g i t a lc h a r a c t e r i s t i c , c o m b i n i n gd i g i t a lt h e o r y o fi n f o r m a t i o n s y s t e ma n d d i g i t a l - s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) t e c h n o l o g y , w h i c hi sr e a l i z e do nt h eb a s i so ft h e r e a l i z e do l ds y s t e m ，c o m p l e t e san e wt i m e r e v i s i o nt e r m i n a ld e “c ew i t h h i g h a c c u r a c y , h i g h - i n t e g r a t e d , l o w - c o n s u m p t i o na n dp o r t a b i l i t y , h e l p st og e ta p p l i c a t i o ni n e c o m m e r c e 1 1 托t h e s i si sd i r e c t e db yr e a l i z a t i o nt h e o r yo fd i g i t a ls y s t e md u r i n gt h ew h o l e p r o c e s so ft h es y s t e md e s i g n , o n - c h i pr e s o u r c e sa r em a d eg o o du s eo f 勰p o s s i b l ef o r d e c r e a s i n gc o m p l e x i t yo fh a r d w a r e - r e a l i z a t i o n d u r i n gd e s i g no ft h es o f t w a r es y s t e m ， d s p b l o s ，as o f t w a r ed e s i g nm e t h o di sc h o s e nt or e a l i z et h ew h o l es y s t e ms o f t w a r e , c o r r e s p o n d i n g l ys h o r t e nt h ep e r i o do fi t sd e v e l o p m e n t d u et ot h ef a c tt h a td e m a n df o r r e a l - t i m eo fs y s t e mi sn o th i g h ，cl a n g u a g ei sc h o s e nt os u b s t i t u t ef o rt h ea s s e m b l e l a n g u a g es oa st oi m p r o v et h et r a n s p l a n t a t i o no fs o f t w a r e i na d d i t i o n , h a sd o n et h e e x p l o r a t o r yd i s c u s s i o nt ot h ef u n c t i o n a le 】【t e n s i o no ft h i ss y s t e m a tp r e s e n t ，t h ed e s i g n w o r ko ft h ew h o l es y s t e mh a sb e e nf i n i s h c d k e y w o r d ：p s t n a u t h e n t i c a t i o nt h n es e r v i c e t i m e - r e v i s i o n g o e r t z e i e c o m m e r c e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本 煞幺韶掬 本人签名： 丝趔 本人承担一切相关责任。 日期塑：么：乞 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍是西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公开论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人繇学确 导师签名 未盘釜 日期至塑：乞 日期鲨幺：! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当今社会正处于知识爆炸、科学技术突飞猛进的信息时代，社会生活的方方面 面都渗透着科学技术的痕迹，科学的发展推动着社会的进步。精密时间，作为科 学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量，不仅在基础研究领域有着重 要的作用，如地球自转变化等地球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和 人造卫星动力学测地等：而且在应用研究、国防和国民经济建设领域也有普遍的 应用，如航空航天、深空通讯、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导 航通信、电力传输和科学计量等；甚至已经深入到人们社会生活的方方面面，几 乎无所不及。 因此，正是由于时间对人类如此重要的现实，使得授时技术，作为与标准时间 校对的手段，已成为社会发展过程中的必生之物。当今，授时领域中已取得了令人 欣慰的佳绩。然而，社会仍在高速发展，致使对高精度时间频率也必将提出更高 的要求，特别是现代数字通信网的发展、信息高速公路建设，各种政治、文化、 科技和社会信息的协调都是建立在更加严格的时间同步基础上的，由此对授时技 术的不断改进以提高授时时间的精度已成为授时技术研究者们研究的必然。 1 1 1 授时与授时系统概述 守时是时间频率服务的基础，是整个时间工作中最重要的一环，其任务是产生 和保持高精度的准确时间，对于保持频率基准的高准确度和高稳定度具有重要意 义l l j 。在基础研究上，近十几年来有四个诺贝尔物理学奖与频率基准有关：1 9 8 9 年 d e h e l t 与p a u l i 的离子阱和r a m s e y 的分离场技术：1 9 9 3 年的t a y l o r 脉冲星稳定周 期；1 9 9 7 年朱橡文、c o h e n - t a n n o u d j i 和p h i l l i p s 的激光冷却与捕陷原子：2 0 0 1 年 三位美国物理学家实现的玻色一爱因斯坦凝聚。在技术上，近两年来利用飞秒锁模 激光脉冲实现光频的准确测量，使得光频标的实现成为可能，这将对时频邻域的发 展带来革命性的影响。授时是守时工作的延续和扩展，是频率基准与时频用户之间 的桥梁和纽带。授时工作，从标准时间、标准频率的产生、传递到高精度定时和 时间同步的实现，是主权独立国家重要的基础性系统工程。 授时系统是确定和发播精确时刻的工作系统，它将时间基准通过各种手段和 媒介以时间信号形式送达用户。国家授时中心( n t s c ) 作为我国标准时间产生、 保持和传递的中心，承担着为我国各行业和部门提供可靠的高精度授时服务的任 !基于公用电话网的时间校对系统数字化实现 授时和卫星授时【2 】o 授时系统示意图如图1 1 所示： 图1 1 授时系统示意图 长波( b p l ) 授时是利用长波( 低频) 进行时间频率的传递与校准的方法，其 时间校准精度较高，可达微秒( s ) 量级，信号覆盖我国整个陆地和近海海域，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。短波( b p m ) 授时是 由无线电台发播时间信号( 简称时号) ，用户用无线电接收机接收时号，然后进行 本地对时。利用短波时号进行时频传递与校准是一种廉价而方便的方法，对于要 求同步偏差在l m s 量级的用户特别有利。电话授时是利用现有p s t n ( 公用交换电 话网) 进行时间频率传递与校准的一种方法，电话授时系统工作可靠、成本低廉， 主要用来满足中等精度时间用户的需求。互联网授时是通过i n t e m e t 将计算机进 行时间同步和校准的一种方法。设在国家授时中心的时间服务器响应网络用户的 请求，将守时中心的标准时间信息以时码的形式发送给用户，使用户计算机与授 时中心的标准时间尺度u t c ( c s a 0 ) 保持同步。卫星授时是实现星基导航和定位 的基础，具有战略性地位，是具有准确、稳定和可靠的高精度授时方法。由于时 间用户的多样化，标准时间校准服务正在朝着多手段、全方位的方向发展 1 1 2 电话授时系统研究的意义 在多样化的时间用户当中，中等精度( ，坫量级) 时间用户在时间用户群体当 中占有一定的比重，为其提供权威、准确的时间服务已成为国家授时中心的重要职 责所在。 目前国家授时中心采用长波( b p l ) 法、卫星双向( t w s t t ) 法为高精度时间用 户提供授时服务，此两种方法时间接收设备较为昂贵，且需要操作人员具备专门的 技术知识，因而对于中等精度时间用户而言不便选用。互联网授时因计算机网络 中数据传输延时的不确定性较大( 约l o o m s ) ，其时间校准精度较低，因而对于 中等精度时间用户而言，该方法不能保证时间精度的要求。因此，国家授时中心通 第一章绪论 3 中等精度时间用户而言，该方法不能保证时间精度的要求。因此，国家授时中心通 常选用短波( b p m ) 法和话路时间校对法来完成中等精度时间用户的授时需求。 从发展的角度而言，将短波法和话路时间校对法进行对比，可总结出将话路时 间校对法作为研究重点的意义： 1 短波法采用单工主动授时服务模式，话路时间校对法采用半双工主动授时 服务模式和半双工申请授时服务模式，因而话路时间校对法客户机使用灵活性比 短波法客户机使用灵活性好很多，对于系统功能扩展十分有利。 2 短波法采用无线信息传输方式，其受自然环境影响较大：受电离层变化和 太阳活动的影响，接收时要避开日出，日落时间，且在电离层扰动期间仅对载频较 高的短波时间信号有较好的接收效果，话路时间校对法采用p s t n 作为信息传输 媒介，p s t n 交换技术一次接续传输时延固定、信息传输效率较高、对数据信号的 编码方法和信息格式不受限制因而话路时间校对法信息传输路径比短波法信息 传输路径要稳定的多，对于时间校准精度提高提供了必要的客观基础条件 3 短波法时间信息传输需要占用特定的无线频带资源，在目前无线频带资源 十分紧张的情形之下，对于短波授时系统的研究，将面临无线资源方面的较大约束 话路时间校对法采用现有p s t n 进行信息传输，现有p s t i q 网络资源已发展健全， 通信区域覆盖全国，即使对网络进行拓展，也相当容易，因而对话路时间校对系统 的研究，其客观基础条件完备，只要对终端设备进行功能的提升即可 因此，以电话授时系统作为研究对象，研制高性能的授时终端设备及高效的数 据库管理软件，对中等精度时间用户而言，具有重要的现实意义。 1 2 课题研究的背景和意义 我们所处的世界正在逐步走向数字化，越来越多的文本、图像、音频和视频 等都以二进制序列的形式被存储和传播。文档的数字化使得存储它们需要比以往 少得多的空间，而且可以使用计算机来对它们进行快速高效的处理。但是以数字 形式存储的信息极易被复制、更改和伪造，这给数字文档知识产权的保护和电孑 商务的开展造成了很大的困难。如何保护数字文档的完整性，防止恶意的篡改是 当前研究的热点问题之一。其中一个重要的方面是如何确定数字文档产生或被更 新的时间，因为在生活中，要想改变计算机文件的时间标记是非常容易的。为了 解决这一问题，人们提出了数字时间认证的技术。数字时间认证包括两层含义： 1 对数字文档自身产生或更改的时间进行认证，如某人提交了一份电子文档 形式的申请专利报告，声称他是在某个特定时间完成了这一报告，则他必须能够 拿出在该时刻此电子文档被产生的证据： 2 对以数字化形式表示的时间的真实性进行认证，如甲乙两方在电子商务贸 一4 基于公用电话网的时间校对系统数字化实现 在电子合同上声明的当天确实发生过签署合同的行为【3 j o 以上两方面都是数字时间认证要解决的问题。目前实现数字时间认证的主要 方法是加盖数字时戳，时间戳( t i m e s t a m p ) 是一个经加密后形成的凭证文档，它包 括三个部分： 1 需加时间戳的文件摘要： 2 d ，r s 收到文件的日期和时间： 3 d ，r s 的数字签名。 用户首先将需要加时间戳的文件用h a s h 编码加密形成摘要，然后将该摘要发 送到d r r s ，d t s 在加入了收到文件摘要的日期和时间信息后再对该文件加密( 数字 签名) ，然后送回用户。当前完成数字时间戳服务的专门机构通常都要架设专用计 算机网络，用以保证系统完成功能所须的实时性要求以及安全性。 对于架设专用计算机网络而言，其所需费用很昂贵，而且若使系统功能覆盖 到较广的领域，其认证机构所付出的代价是非常巨大的。p s t n 作为公用通信网络 中的基础网，其交换技术条件可以满足数字时间戳服务的需要。与配置专用计算 机网络相比，利用p s t n 作为传输媒介，可以减少架设网络的费用，因而具有投资 少、见效快的特点。而且p s t n 通信区域覆盖全国，也足以满足用户使用范围的要 求。同时授权用户在有标准电话接口的地方就可完成时间认证需求，系统使用也 将非常灵活。在时间认证过程中，用户需要与标准时间频率源进行校准，用以在 得到时间戳后进行验证。由于网络授时具有延时不确定性，因而其时问校准精度 也不高。而采用电话授时其系统精度可达到腓量级，完全可以满足用户的需求， 因而在时间校准上也显示出了较强的优越性。 国家授时中心作为我国标准时间产生、保持和传递的中心，具有数字时间认 证的技术条件和权威性。国家授时中心正在积极建立我国的数字时间认证中心， 以满足日益发展的电子政务和电子商务的迫切需求。对于国家授时中心而言，在 原有电话认证授时系统功能上进行扩展，在完成身份认证、时间校准之后实现数 字时间戳服务这一构想具有较强的可行性和研究价值。 基于上述分析，本文在原有电话认证授时系统之上，对话路时间校对终端设备 进行了全新的设计，实现了全数字化完成身份认证和时间校对功能的时间校对终 端设备。其重要意义在于在硬件设计上充分考虑了数字时间认证终端设备的硬件 需求，为数字时间认证终端设备的设计与实现打下了一定的基础，具有一定的现实 意义。 1 3 论文主要研究内容 本课题在原有电话认证授时系统基础上提出了更高精度、更具灵活性的新的 第一章绪论 1 3 论文主要研究内容 本课题在原有电话认证授时系统基础上提出了更高精度、更具灵活性的新的 电话认证授时系统。系统在功能实现上分成两大部分：其一是话路时间校对终端 设备的设计与实现，其二是认证授时数据库管理软件的设计与实现本论文主要完 成第一部分的工作，包括： 1 制定了话路时间校对终端系统的全数字化实现方案： 2 对系统软、硬件模块进行了细致的分析与划分，完成了系统软、硬件模块 具体实现方案的设计： 3 绘制了系统原理图，学习了高速p c b 制板要求，完成了器件选型，绘制了 系统四层p c b 印刷电路板： 4 为后续系统软件开发工作建立了软件开发平台： 5 完成了系统算法中d t m f 信号检测g o e r t z e l 算法的理论分析工作： 6 依据数字时间认证理论，初步探讨了本系统在电子商务领域中的应用模 式 本论文各章内容的具体安排如下： 第一章：介绍了有关授时的知识与发展，说明了开发电话认证授时系统的目的 及意义。 第二章：介绍了电话认证授时系统的组成、原理及模块划分，详细分析了系统 提高时间校准精度的客观基础性条件 。 从第三章到第六章介绍本论文工作的主要内容。 第三章：介绍了话路时间校对终端系统数字化实现方案及系统硬件模块划分。 第四章：介绍了话路时间校对终端系统软件设计方案 第五章：介绍了系统算法( 来电显示识别2 f s k 解调算法、d t m f 信号检测 g o e r t z e l 算法和a e s 加密算法) 中d t m f 信号检测g o e r t z e l 算法的实现理论 第六章：对本文工作进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 5 第二章电话认证授时系统介绍 第二章电话认证授时系统介绍 本章简要介绍电话认证授时系统概况，包括：系统功能组成，电话认证授时系 统工作原理以及系统功能实现时的一些关键技术。 2 1电话认证授时系统概述 电话认证授时系统是利用p s t n ( 公用交换电话网) 进行有身份认证的标准时 间信息传递的授时管理系统。 根据用户地域分布以及授时服务精度要求的不同可将系统按类分为三级子系 统：一级为授时中心予系统，二级为局域网授时子系统，三级为客户机终端子系统。 授时功能利用p s t n 完成。按实现的功能不同又可将系统分为话路时间校对终端 设备和应用程序服务器两部分。话路时间校对终端设备主要完成时间校准工作， 应用程序服务器负责完成系统用户身份资料的保存以及授时过程数据的记录。电 话认证授时系统框图如图2 1 所示。 图2 1 电话认证授时系统框图 图中，授时中心子系统是唯一的一级子系统，由话路时间校对终端设备和应 用程序服务器组成。一级子系统终端设备中有一个频率为1 0 m h z 、精度1 0 4 天 的高精度频率源，经校准后与授时中心原子钟频率、u t c 时间保持同步。子系统 应用程序服务器通过串行口与话路时间校对终端设备实现连接，并可通过计算机 局域网提供局域网内的时间同步。一级设备作为服务机向二、三级设备授时，二、 7 !基于公用电话网的时间校对系统数字化实现 三级设备作为一级设备的客户机。二级局域网授时子系统与一级子系统在硬件配 置上基本相同，只是设置守时频率源的时间基准不同，一级设备为国家授时中心 时频基准实验室的原子时间基准u t c ，而二级设备的时间基准来自于一级系统的 时间服务信息。二级设备既为一级设备的客户机，同时又是三级客户机的服务机。 三级客户机只配置话路时间校对终端设备，可以向一、二级设备申请授时【4 】。 本系统的时间基准来自于国家授时中心时频基准实验室的原子时间基准 u t c 。所谓时间基准，就是在当代被人们确认为是最精确的时间尺度。国家授时 中心时频基准实验室是国家授时系统( 3 n n es e r v i c es y s t e m ) 的重要组成部分，承 担着国家时间标准的产生和保持，以及与国际时间比对的重要任务。目前其稳定 度可达到1 0 。1 4 ，准确度可达到1 0 。1 5 ，已经处于国际先进水平( 2 l o 2 2 电话认证授时系统工作原理介绍 利用国家原子时标的1 0 m h z 频率信号和秒脉冲同步信号建立一个准确度优 于o 1 s 的标准数字钟。根据钟读数建立的包含有标准时间信息( 年、月、日、 星期、时、分、秒) 的格式化传输时间码，经话路时间校对终端设备送到p s t n 上，经程控交换机传送给用户。 2 2 1 授时服务模式 电话认证授时系统授时服务模式包括：服务机主动授时服务模式和客户机申 请授时服务模式。 2 2 1 1 服务机主动授时服务模式 服务机主动授时服务模式可分为服务机定时主动授时服务模式和服务机手动 主动授时服务模式服务机定时主动授时服务模式需要时间用户在注册入网时申 请该项服务申请完成后服务机方将此用户身份认证信息记录在应用程序服务器 的数据库中，并根据用户申请的定时授时需求完成自动定时授时服务。服务机手动 主动授时服务模式通过手动按键拨号方式实现服务机与客户机的链接来完成授时 服务，只要链接成功后，系统即刻进入授时状态该授时服务模式应用较少，不作详 述，在此仅对定时主动授时服务模式流程进行详细的阐述 服务机定时主动授时服务具体流程：服务机端应用程序服务器不断进行定时 时刻查询，当有用户申请的定时时刻到来时，应用程序服务器即刻将此用户注册 的电话号码经串行口发送给服务机。服务机接收到用户电话号码后，以电话拨号 方式向此用户发起呼叫。客户机方响应呼叫，接收来电号码p n ，而后对此号码进 行判断，验证是否为服务机方专用号码p n ，验证通过则自动接通，启动授时服务 第二章电话认证授时系统介绍 模式，否则不动作。链路建立成功后，由服务机方时间校对终端设备发出线路时 延测试脉冲，客户机方收到测试脉冲后即刻返回同频的响应脉冲，服务机方接收 响应脉冲，而后计算出线路上数据信息传输的平均时延。一次测试时延过程结束 后，进行二次相同的测试线路时延过程，将两次时延测量测得时延值进行对比， 如果偏差满足系统精度的要求，则设置授时数据并进行发送，客户机根据授时数 据校准本地频率源，授时结束。否则，重复线路时延测试整个过程，直到满足要 求时再进行授时数据的发送。服务机主动授时服务模式流程示意图如下所示： 数据库服务机客户机 图2 2 服务机主动授时服务模式流程示意图 2 2 1 1 客户机申请授时服务模式 客户机申请授时服务过程较之服务机主动授时服务过程复杂，因为系统设定 服务机主动授时服务无需实现身份认证过程，而客户机申请授时则需要在服务机 方验证时间用户的合法身份，以便管理。 客户机申请授时服务具体流程：时间用户通过按键实现电话拨号完成与服务 机端的链接链接成功后，客户机端读取m m c ( 多媒体存储卡) 中存储的1 0 位 用户身份代码t u i d 发送给服务机进行用户身份验证。服务机方接收到该用户身 份代码t u i d ，根据此代码判断申请用户是否为合法时间用户。其具体过程为： 服务机方将此t u i d 代码发送给应用程序服务器，应用程序服务器根据此t u l d 代码从数据库中调出认证参数r 发送给服务机，服务机根据该认证参数r 运行认 证算法，并将参数r 发送到客户机，客户机收到认证参数r 后也同样运行认证算 法，并将运算得出的鉴权响应s 发给服务机，服务机接收鉴权响应s 而后与本地 计算出的鉴权响应s 进行比对，如果相同则认证通过。当认证过程结束后，服务 9 竺 基于公用电话网的时间校对系统数字化实现 机方发送认证通过响应给客户机，客户机方收到认证通过响应后通过按键输入密 码并发送，服务机方检验密码，通过后开始发送时延测试脉冲，系统进入授时服 务过程，开始授时服务，否则挂机。客户机申请授时服务模式流程示意图如下所 示： 拨号呼叫 链接成功 发送用户身份 代码t o l dt u 根据t u i d 一 调认证参数 rr i 匝乎假，s ) s 蝴过建 基兰爹徊 返回脉冲 i 计算平均时延a ti l l 时刻i 晤澜 授时信息 l 授时信息接收并存储 结求信息 授时信息 幽 图2 3 客户机申请授时服务模式流程示意图 第二章电话认证授时系统介绍 2 2 2 授时时间码传输格式 本系统采用如下编码格式： y y y y m m d d t 衄m m s s m m m n r s c u r c 说明如下： 1 y y y y m m d d 代表日期：y y y y 年、m m 月、d d 日： 2 t 代表星期几：值为1 刁： 3 h h m m s s m m m 代表时间：h h 时，m m 分、s s 秒、m m m 毫秒 4 n t s c u t c 代表该时间编码为国家授时中心所保持的u t c 时间： 上述授时时间码的编码全部以a s c h 码字符串的形式发送给用户【4 】。 2 2 3 双向法线路时延测定 1 1 时间校准的精度不仅取决于时间基准的精确度，系统的硬件设备以及软件处 理的速度与精度也会影响授时系统的精确度，而硬件设备设计完成后很难对提高 精度有所贡献，并且即将阐述的线路上存在的一些误差影响因素也是客观上无法 避免的，因此我们考虑通过软件处理的方法来减小系统误差、提高精确度。 在此采用2 k h z 脉冲作为时延测试脉冲，其脉冲周期为0 5 脚，选取测试脉冲 组个数为5 0 个，设定t i m e r l 定时器1 脚中断一次，完成一个测试脉冲的发送，设定 t m a e r 0 定时器0 1 r n s 中断一次，完成测试脉冲传输过程软件计数变量计数时延测 定方法如下：启动t m a e r l 定时器l m s 中断，完成一个测试脉冲发送，同时对脉冲个 数计数，当计数值为5 0 时，发送过程结束，在下一个l m s 中断到来时d i s a b l e 面m c r l 定时器l m s 中断，同时启动t i m e r 0 定时器0 1 m s 中断，开始软件计数变量计 数，准备接收测试脉冲接收过程中，每接收到一个测试脉冲读取软件计数变量值 一次，得到n 1n 2 ，n 3 , n 5 0 共5 0 个计数值，然后按照下面公式计算各测试脉冲时 延值： 出。( 5 1 - n ) x l m s + n x 0 1 m s 拧1 5 0 ( 2 - 1 ) ” 2 对所有测试脉冲时延值求平均，可得到线路平均时延值： 址。丝型堕尘当开1 5 0 ( 2 2 ) 5 0 由于数据信息在线路上传输时，在数字中继器判断同步信息时，由于同步上的 错误会要求系统对出错信息进行重发等出错信息处理方式，如果出错信息发生在 时延测量过程中，则时延测量将发生错误，为了减少此种状况的出现概率，系统采 用测试两次测试脉冲然后对所测时延信息进行比对的措施，当两次测量时延满足 丝基于公用电话网的时间校对系统数字化实现 一定的误差范围时，则认为测量的时延是准确的如果出错信息发生在授时数据传 递过程中，则时间校对将发生错误，为了减少此种状况的出现概率，系统采用授时 过程时延值与时延测量值进行对比的措施，即服务机在发送授时数据给客户机的 同时，启动t i m e r 0 定时器0 1 m s 中断实现计数，当接收到客户机方返回的响应脉冲 后，停止计数，计算数据传输时延值，如果数据传输时延值与测得的线路时延值之 问差异满足一定的误差允许范围，则认为授时过程有效，否则重新完成授时数据传 输过程 2 3 电话认证授时系统提高时间校准精度可行性研究 电话认证授时系统时间校准精度与线路时延测量准确度因素密切相关在本 系统中采用双向法来测定线路时延，运用该方法是否可行的一个关键性因素是在 数据信息传输的不同周期内，利用p s t n 作为数据信息传输媒介来传输信息所消 耗的线路时延是固定的或应满足在特定误差允许的范围之内，即p s t n 对不同的 数据信息进行传输以及处理所需要的时间应是特定不变的或仅存在非常微小的偏 差 由于时延测量准确度问题与电话认证授时系统的研究意义密切相关，故本节 将对此问题进行详细的分析与阐述 2 3 1 时延测量影响因素估计 电话认证授时系统采用p s t n 作为系统信息传输媒介，在系统信息传输整个 过程中，与时间校准精度相关的两个信息传输过程分别是时延测量过程和授时数 据传递过程当系统进入两个信息传输过程时，系统正处于话路通话状态，即此时 数字程控交换系统已为服务机和客户机建立了固定的路由，并且在整个过程期问 路由链路保持不变我们主要考虑在此期间对时延测量过程和授时数据传递过程 造成时延差异的可能因素经分析，此时可能存在的时延影响因素主要包括两个方 面：其一是数字程控交换系统为授时服务建立的路由中包含的硬件影响因素：其二 是数字程控交换系统在路由建立以后软件系统产生的软件影响因素在此将对以 上两种可能性因素进行详细的分析于论述 2 3 1 1 硬件影响因素估计 在数字程控交换系统为授时服务建立的路由中，时延测量硬件影响因素可分 为四个结构模块：用户电路、数字中继集中级和数字交换网络，如下图所示： 第二章电话认证授时系统介绍 数字 鼻 甩 中 户 甩集 数字 u 型r o 网络 窖 电 户 中 交换交换 电级 网络 路踏 1 3 图2 4 时间校对过程数据信息传输路径示意图 现对四个硬件结构模块对时延测量过程和授时数据传递过程产生的影响进行 估计，具体如下： 1 用户电路：用户电路是数字程控交换系统连接模拟用户线的接口电路，其 主要完成馈电，过压保护振铃，监视，编译码，2 4 线转换和测试功能各部分 功能通常由硬件电路来完成在通话状态条件下，各部分功能电路都已进入通话状 态并处于稳定，此时只要各部分功能电路工作正常，其对时延测量和授时数据传递 过程将不会产生影响 2 数字中继：两个电话交换局之间用中继线实现连接，连接数字中继线与数 字交换机之闯的接口电路称为数字中继器数字中继器概括来说是解决信号传输 ，同步、和信令配合问题，其主要完成的功能为码型变换时钟提取、帧同步和 复帧同步以及信令的插入和提取数字中继处理是以复帧作为处理单元的，如果以 一个复帧为研究对象，则码型变换只是起到单极性不归零码与h d b 3 或a m i 码之 间的转换问题，而对于时钟提取，帧同步，复帧同步和信令的插入和提取而言，由 于复帧格式是固定不变的，复帧中的各帧也是按照固定的格式进行排序的，又由于 各部分功能是在固定的时序控制下完成的，因而对于复帧进行处理所产生的时延 差异是可以满足一定的误差允许范围的。 3 集中级：用户集中级主要完成话务集中的功能，其将一群用户经用户集中 级以较少的链路接至交换网络以提高链路的利用率集中级通常采用单t 交换网 络构成，在通话状态下，处理机已为用户完成时隙分配，并在整个通话状态过程中， 对所分配的时隙保持不变，其实现功能与一选路开关相似，每1 2 5 z s 选通一次，用 于传输一个8 位编码，其传输所耗时延为8 位编码信息写入和读出所消耗的时间之 和，由于写入与读出是按照时钟来执行的，因而每一时隙传输所消耗的时延是固定 不变的，其仅与t 网络读取和写入数据信息的速度有关，而与其传输的内容无关 4 数字交换网络：数字交换网络是数字程控交换系统中最重要的组成单元， 其主要采用同步时分交换网络，通常由t 单元，s 单元和1 s 单元三个基本组成单 元构成其主要完成时隙交换功能，时隙交换机理与集中级完成的时隙交换机理 相似，现具体描述如下： 主叫用户的话音信息经外围终端设备以8 位编码的形式插入相应时隙，经 望 基于公用电话网的时间校对系统数字化实现 p c m 链路送到数字交换网络， 由数字交换网络进行时隙交换 以将话音信息传送到被叫用户 的外围终端设备建立接续数 字交换网络将主叫话音信息交 换到同条p c m 链路的另 一时隙，或者交换到其它的 p c m 链路上如图所示用户甲 的话音信息通过p c m l 链路中 的一个时隙t l ，经数字交换网络 p c m jt 1l l 毛 坟 1l ii p c m - 终端设备数宇交换雕咯 图2 5 通话接续路由示意图 交换到p c m 。链路中的一个时隙t 。送给用户乙，用户乙的话音信息通过p c m 。链 路的时隙t n 经数字交换网络交换到p c m l 链路的时隙t 1 送给用户甲在用户甲和 用户乙整个通话期间，这两条p c m 经数字交换网络建立的通路一直保持着，每 1 2 5 p s 接通一次，通话结束后数字交换网络建立的接续路由拆除，相应时隙又可 为其它通路接续使用【6 j 因此，通过数字交换网络的数据信息在交换网络中传输所 消耗的时延就是一话路时隙内容从写入至q 读出整个过程所消耗的时间。因为路由 建立之后，数据信息的传输路径是固定不变的，每一路径严格按照1 2 5 “s 接通一 次，因此信息在数字交换网络中传输所消耗的时延仅与数字交换网络的组成结构 有关，其与所传输的信息特性无关。 2 3 1 2 软件影响因素估计 在时延测量和授时数据传递过程中，造成时延差异可能的软件因素主要为数 字程控交换系统软件：数字程控交换系统软件，从功能结构来划分可分为操作系统 、呼叫处理维护管理三部分： 1 操作系统：程控交换是实时处理系统。应配置实时操作系统，以便有效地管 理资源和支持应用软件的执行。其主要完成功能包括：任务调度通信控制、存储 器管理，时间管理，系统安全和恢复。此外还有外设处理、文件管理，装入引导 等功能。 2 呼叫处理：呼叫处理程序用于控制呼叫的建立和释放，基本上对应于呼叫 建立过程。呼叫处理程序可包含用户扫描，信令扫描、数字分析路由选择，通 路选择输出驱动等功能模块。 3 维护管理：维护管理程序的功能有用户和中继测试、交换网络测试，业务 观察，过负荷控制，话务量测量统计，计费处理，用户数据和局数据管理等。 在上述数字程控交换系统三个软件模块中，影响时延测量过程和授时数据传 递过程时延差异的软件模块是呼叫处理模块，操作系统与维护管理属于高层软件， 不参与系统信息传输过程。 第二章电话认证授时系统介绍 呼叫处理软件为呼叫建立而执行的处理任务可分为三种类型：输入处理，内 部处理和输出处理 1 输入处理：输入处理主要收集话路设备的状态变化和有关的信令信息，主 要任务是发现事件而不是处理事件 2 内部处理：内部处理是呼叫处理的高层软件，与硬件无直接关系，程序的结 果可以是启动输出处理，其主要处理任务是呼叫建立 3 输出处理：输出处理包括扫描和驱动，扫描是处理机输入信息，驱动是处理 机输出信息，扫描和驱动是处理机在呼叫处理过程中与硬件联系的两种基本方式 综上所述，呼叫处理过程可以看成是输入处理，内部处理和输出处理的不断 循环：输入处理发现呼叫要求，通过内部处理的分析判断由输出处理完成对要求的 响应。硬件执行输出处理的驱动命令后，改变了硬件的状态，使得硬件设备从原有 状态转移到另一稳定状态，硬件设备 在软件中的映象状态也随之而变，以 始终保持一致。因此，呼叫处理过程 也反映了不断的状态转移过程。其三 种处理的循环与状态转移如右图所 示： 如图所示，当系统处于通话状态 时，系统处于稳定状态，此时除了用 户扫描或信令扫描在不断监视状态 或信令的变化以外，高层的呼叫处理 并不接入，因此话务处理量的差异不 会对时延的测量和授时数据的传递过 程产生影响【7 】 2 3 2 时延测量影响因素估计结论 图2 6 三种处理的循环与状态转移 由上面所描述，在系统正常工作条件下，客户机和服务机通过电话拨号方式 实现链接，在链接呼叫过程中，由于电话交换局话务处理量的不确定性，使得呼叫 链接所消耗的时延具有较大的不确定性，而且有时因为呼叫处理量过大，甚至会造 成呼叫链接失败然而当电话交换局为呼叫申请分配了空闲时隙，则路由建立成功， 系统进入通话状态，此时信息传输路径中硬件和软件部分处于通话状态下执行其 功能，由2 3 1 节分析可知，信息传输路径中硬件和软件部分此时不受电话交换局 话路处理量的影响，此时时延测量过程和授时数据传递过程的时延由为其分配的 路由特性来决定，在正常情况下，该路由产生的信息传输时延是固定不变的由此 基于公用电话网的时间校对系统数字化实现 可知，利用双向法来测量线路时延，对于电话认证授时系统而言是完全可行的，时 间校准精度可以满足中等精度时间用户的需求。 2 4 系统模块划分 根据电话认证授时系统要完成的功能可将系统划分为两大功能模块：话路时 间校对终端系统和电话认证授时数据库管理系统。 话路时间校对终端系统是本认证授时系统功能实现的主要部分，其完成的主 要功能为：与标准电话线路接口，实现用户身份认证算法运算，计算线路传输时 延，以及校准时间的守时与输出等。在新实现的系统客户机端，不需要计算机辅 助，可独立完成标准时间校准功能。 电话认证授时数据库管理系统是本认证授时管理系统信息存储的重要组成部 分，它在作为授时信息的记忆体的同时，也参与了认证过程的实现，除此之外， 它也是授时系统管理员对用户、授时设备进行入网登记与查询的操作界面。 第三章话路时间校对终端系统数字化实现旦 第三章话路时间校对终端系统数字化实现 前面介绍了利用p s t n 完成电话认证授时服务的实现过程，下面论述本文所 做的主要工作：全数字化话路时间校对终端设备的系统设计 3 1 话路时间校对终端系统实现的功能要求 根据电话认证授时系统中话路时间校对终端系统所要完成的功能要求，系统 终端设备所要实现的具体功能如下所述： 1 服务机能够定时自动或按键手动向客户机传送标准时间信息，即实时的 年、月、日、星期时、分、秒信息，并且能够将客户机来电显示号码、密码以 及校对时间信息传送给应用程序服务器，系统应用程序服务器将记录和保存客户 机来电显示号码、密码以及校对时间信息，以备查询。 2 客户机能够按键手动向服务机申请实时时间信息，获得经时延较正过的校 准时间，并且能够保持正确时间和记录时间校对信息。 3 服务机和客户机均具有串行、1 p p s 和i r i g - b 码常用时间信息输出口，以 及g p s 和1 p p s 时间信息输入口这些功能在系统硬件和软件中是模块单元，可任 意取舍 4 系统的最大同步误差不能大于l m s 3 2 话路时间校对终端系统数字化实现方案 3 2 1 系统数字化实现方案制定 根据话路时间校对终端设备所要实现的功能要求，本文制定了三套数字化系 统实现方案，具体介绍如下： 1 1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 + e p m 7 1 2 8 a e 方案：该方案具体实现思想是采用数字信号 处理芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为系统数据处理单元，完成系统与标准电话线路的接 口，身份认证算法的实现以及电信信号的检测等功能。采用e p m 7 1 2 8 a e 作为系 统逻辑控制单元，产生系统功能实现过程中的逻辑控制时序，同时还完成显示模块 和键盘单元的接口及系统实时时钟功能。如果选用该系统实现方案，所需成本较为 低廉，对于实现时间校对功能来说，本方案是一种较为理想的实现方案 2 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 3 方案：该方案具体实现思想是采用数字信号处理芯片 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 3 来完成系统整体的控制和数据处理功能该方案的提出较第一种 竺 基于公用电话网的时间校对系统数字化实现 方案的改进之处在于芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 3 中集成了r t c 实时时钟电路，解决了 第一种实现方案中在进行时间信息读取时所需时延较长以及对同步要求较高的不 足之处。同时采用该系统实现方案也增强了系统整体的集成度如果选用该系统实 现方案，对于实现时间校对功能来说，也是一种较为理想的实现方案 3 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 方案：该方案为本文最终选定的系统实现方案，其具体实 现思想是采用数字信号处理芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 实现系统整体的控制和数据处 理功能相对于以上两种方案来说，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 芯片中集成了m m c ( 多媒体 存储卡) 控制器和标准u s b 接口模块，因此可以将用户身份认证t u i d 代码存储 在存储卡中，使用户只要持有该m m c 卡即可在任何一个时间校对客户终端设备 上完成时间校对功能同时m m c 卡也可以用来进行授时信息的存储，使客户机 完全可以脱离计算机实现时间校对功能，而且系统通过标准u s b 接口还可以实现 m m c 存储卡与计算机之间的信息交换功能 以上三套系统实现方案中，方案一与方案二对于实现时间校对功能来说，可以 满足所需的功能要求，但对于数字时间认证系统所需的硬件上的需求，这两套方案 无法满足同时，系统方案中所存在的主要缺点是：该两种系统实现方案中没有灵 活的身份认证代码的存储媒介，因此只能将身份认证代码固化到系统内部当中， 这就限制了用户只能使用独有的话路时间校对终端设备来进行时间校对服务的申 请，大大限制了用户使用的灵活性。另外，该两种方案中客户机无法实现对授时 记录的存储。因此要实现此功能必须依靠计算机来辅助完成，这也限制了客户机使 用的应用环境 3 2 2 系统数字化实现方案介绍 综合分析上述三种系统实现方案的优缺点，本文最终确定1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 系 统实现方案该系统实现方案的结构及功能特点如下所述： 1 系统采用1 1 公司生产的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 芯片作为整个系统的主控单元和 数据处理单元，利用芯片高速数据处理特性来完成系统所需算法的实现，数据处 理以及整个系统的控制功能 2 系统采用美国c l a r e 公