基于FPGA的時(shí)間同步精度的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋鵬，田樂(lè)

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710048)

基于FPGA的時(shí)間同步精度的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋鵬，田樂(lè)

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710048)

為了提高對(duì)時(shí)系統(tǒng)的精度，利用FPGA對(duì)傳輸對(duì)時(shí)信息進(jìn)行解調(diào).以北斗衛(wèi)星的授時(shí)精度為基礎(chǔ)，傳輸對(duì)時(shí)信息采用IRIG-B碼，在FPGA對(duì)IRIG-B碼解調(diào)中引入全數(shù)字Costas環(huán)，能夠很好地提取出IRIG-B碼的過(guò)零點(diǎn)信息，避免了過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路的零點(diǎn)漂移和脈沖抖動(dòng)等問(wèn)題.仿真結(jié)果表明，該算法減小了IRIG-B碼的同步誤差，提高了對(duì)時(shí)精度，達(dá)到電力系統(tǒng)中對(duì)時(shí)的精度要求.

IRIG-B;FPGA;時(shí)間同步;授時(shí)精度

0 引言

根據(jù)電力系統(tǒng)領(lǐng)域的授時(shí)要求，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)定時(shí)間信號(hào)接收單元通過(guò)接收的時(shí)間信號(hào)，獲得1pps (pulse per second)和包含北京時(shí)間時(shí)刻和日期信息的時(shí)間報(bào)文，其1pps的前沿與UTC(Universal Time Coordinated)秒的時(shí)刻偏差≤1μs，該1pps和時(shí)間報(bào)文作為主時(shí)鐘的外部基準(zhǔn)時(shí)間［1］.

在終端時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備，進(jìn)行時(shí)間信息解碼，需要將正弦波轉(zhuǎn)換為矩形波，進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè).在波形變換過(guò)程中，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路由于信道失真、信號(hào)不穩(wěn)定、噪音等因素，在零點(diǎn)附近通常產(chǎn)生抖動(dòng)、漂移，這樣造成零點(diǎn)誤判，輸出時(shí)間精度降低［2-3］.根據(jù)可編程邏輯器件(FPGA)的并行處理數(shù)據(jù)方式［4］，本文采用FPGA對(duì)IRIG-B碼解碼，在解碼中引入全數(shù)字Costas環(huán)，能夠很好地提取IRIG-B碼的過(guò)零點(diǎn)信息，輸出1pps和時(shí)間報(bào)文，提高了時(shí)間同步精度.

1 IRIG-B碼對(duì)時(shí)系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS)(北斗二代)是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，空間衛(wèi)星的任務(wù)是完成中心控制系統(tǒng)和用戶收發(fā)機(jī)之間的雙向無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā).北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中已成功發(fā)射16顆衛(wèi)星，覆蓋整個(gè)亞太地區(qū).北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10m，授時(shí)精度為50ns，測(cè)速精度為0.2m/s［5-6］.

根據(jù)電力系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展和授時(shí)精度要求，本文時(shí)間統(tǒng)一終端設(shè)備采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)作為授時(shí)源，輸出標(biāo)準(zhǔn)IRIG-B碼.IRIG-B碼是將串口對(duì)時(shí)的時(shí)間報(bào)文和數(shù)據(jù)脈沖對(duì)時(shí)的準(zhǔn)時(shí)沿的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起來(lái)傳輸時(shí)間信息，這種方式只需要傳送一組信號(hào)，節(jié)約了主時(shí)鐘系統(tǒng)資源［7］.在終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用FPGA對(duì)IRIG-B進(jìn)行解碼，其解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 IRIG-B碼解調(diào)系統(tǒng)圖

圖2 IRIG-B碼示意圖

IRIG-B格式時(shí)間碼是每秒一幀的時(shí)間碼，其中B(DC)碼的波形如圖2所示.由圖2可以看出，IRIG-B碼為脈寬調(diào)制的時(shí)間碼，它每秒一幀，每個(gè)脈沖稱為碼元.IRIG-B碼是脈寬調(diào)制的時(shí)間格式.索引計(jì)數(shù)間隔的5ms和2ms分別代表了二進(jìn)制“1”和“0”.參考碼元(PR)的“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn)為參考碼元的前沿.

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)IRIG-B碼傳輸距離的不同，IRIG-B碼有非幅度調(diào)制DC碼(直流碼)和幅度調(diào)制AC碼(交流碼)兩種碼型.非調(diào)制IRIG-B碼是一種標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)，適用于傳輸距離不遠(yuǎn)的場(chǎng)合，可達(dá)到ns級(jí)精度.對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸，正弦調(diào)制IRIG-B碼對(duì)時(shí)只能達(dá)到ms級(jí)的對(duì)時(shí)精度［8-10］.為了達(dá)到電力系統(tǒng)的對(duì)時(shí)的精度要求，采用FPGA進(jìn)行IRIG-B(AC)碼解碼，其環(huán)路采用Costas環(huán)法進(jìn)行零點(diǎn)追蹤，對(duì)時(shí)精度可達(dá)到μs級(jí).

2 提高接口終端B碼的精度

直流B碼，可使用電纜進(jìn)行近距離的傳輸，其時(shí)間精度較高，在傳輸距離達(dá)到200m時(shí)，依然可以保證較高精度的信號(hào)傳輸質(zhì)量.而IRIG-B(AC)用于遠(yuǎn)距離傳輸，其傳輸距離可以達(dá)到500m，因而其應(yīng)用范圍更廣泛.由于經(jīng)過(guò)了調(diào)制與解調(diào)的處理過(guò)程，因而B(niǎo)(AC)碼信號(hào)的時(shí)間精度就會(huì)有所降低.

2.1 IRIG-B碼精度的提高

IRIG-B(DC)傳輸采用RS-422標(biāo)準(zhǔn)接口，對(duì)輸入的直流碼進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，得到TTL電平的B碼信號(hào).采用FPGA進(jìn)行IRIG-B(DC)解碼，在每一個(gè)IRIG-B碼元的上升沿到來(lái)時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，下降沿到來(lái)時(shí)停止計(jì)數(shù)，然后讀出計(jì)數(shù)值，分別判斷出是2ms或5ms或8ms，據(jù)此來(lái)判斷碼元的值，同時(shí)做6個(gè)狀態(tài)機(jī)將秒、分、時(shí)、天、月、年區(qū)分出來(lái)，根據(jù)每次的碼元及狀態(tài)的判斷，確認(rèn)屬于哪種狀態(tài)并轉(zhuǎn)移到這種狀態(tài)，直至這一幀數(shù)據(jù)的完成.在一幀數(shù)據(jù)完成后輸出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)輸出.同時(shí)在連續(xù)兩個(gè)8ms處解出1pps.采用FPGA進(jìn)行IRIG-B(DC)解碼，采取以下幾種措施提高IRIG-B(DC)的對(duì)時(shí)精度：

(1)增加外部時(shí)鐘頻率外部時(shí)鐘頻率增加1倍，精度也會(huì)相應(yīng)的增加1倍.這種方法是最簡(jiǎn)單直接的辦法，但這種方法并不是任何時(shí)候都可以應(yīng)用的.此法雖然能提高IRIG-B(DC)的解碼精度，但同時(shí)增加了整個(gè)系統(tǒng)的功耗，并且由于板子運(yùn)行速率的原因也是不能隨意增加外部的時(shí)鐘頻率.

(2)采用脈寬判容錯(cuò)技術(shù)通過(guò)軟件或硬件將1，2，3ms脈沖判別為2ms脈沖，4，5，6ms脈沖判別為5ms脈沖，7，8，9ms脈沖判別為8ms脈沖，做到脈寬判別容錯(cuò).

(3)嚴(yán)格同步、失步判據(jù)在解碼時(shí)，當(dāng)連續(xù)3ms數(shù)據(jù)正確時(shí)允許同步，同時(shí)當(dāng)連續(xù)3ms數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)判為失步，以便在最大程度上克服誤碼.

(4)減小1pps脈寬在設(shè)計(jì)中選擇1pps信號(hào)來(lái)同步編碼過(guò)程中的各個(gè)信號(hào)，1pps脈沖的上升沿來(lái)了之后，清零芯片內(nèi)設(shè)計(jì)的各個(gè)計(jì)數(shù)器，使之開(kāi)始記數(shù).但由于1pps脈沖的脈寬較大，如果直接用它做清零信號(hào)，會(huì)帶來(lái)較大的誤差，因此需要把它的脈寬調(diào)整，使用調(diào)整后的脈沖，可以提高編碼的精度.

為了便于傳遞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間格式碼，可用其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正弦波載頻進(jìn)行幅度調(diào)制，標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)必須與產(chǎn)生直流B碼的信號(hào)共源，以保持兩者之間的時(shí)間關(guān)系不變.標(biāo)準(zhǔn)正弦波載頻的頻率與碼元速率嚴(yán)格相關(guān)，一般為碼元速率的10倍.B碼的標(biāo)準(zhǔn)正弦波載頻頻率為1kHz.同時(shí)，其正交過(guò)零點(diǎn)(圖中A點(diǎn))與所調(diào)制格式碼元的前沿相符合，標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制比為10∶3，IRIG-B(AC)碼調(diào)制示意圖如圖3所示.

由于信道帶來(lái)的噪聲和失真，IRIG-B(AC)碼在經(jīng)過(guò)零檢測(cè)電路形成的時(shí)間基準(zhǔn)脈沖會(huì)有抖動(dòng)和零點(diǎn)漂移，會(huì)把噪聲傳遞到輸出端，導(dǎo)致輸出時(shí)間信號(hào)的抖動(dòng)［2］.對(duì)B(AC)碼的解調(diào)中引入了全數(shù)字鎖相環(huán)，該環(huán)路通過(guò)對(duì)輸入的B(AC)碼進(jìn)行跟蹤，從而得到其同頻同相的載波，這樣也就精確地得到了B(AC)碼攜帶的過(guò)零點(diǎn)信息.這一方法完全克服了以往解調(diào)方式中采用過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路所存在的缺點(diǎn).IRIG-B (AC)碼解調(diào)原理圖如圖4所示.

圖3 IRIG-B(AC)碼調(diào)制示意圖

圖4 IRIG-B(AC)碼解調(diào)原理圖

解調(diào)IRIG-B(AC)信號(hào)時(shí)，必須恢復(fù)出同步載波信號(hào).目前用于同步載波恢復(fù)的方法通常有兩類，一類是在發(fā)送信號(hào)的同時(shí)，在適當(dāng)?shù)念l率上還發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，實(shí)際中這種方法很少采用.另一類是直接從接收到的信號(hào)中提取，可以用平方變換法和COSTAS環(huán)法等.由于在獲得相同的工作性能時(shí)，COSTAS環(huán)法的工作頻率是平方變換法工作頻率的1/2.因此，COSTAS環(huán)法在實(shí)際中更為實(shí)用［11-14］.本文采用全數(shù)字Costas環(huán)法恢復(fù)B(AC)碼的載波，用作IRIG-B(AC)碼的同步時(shí)鐘.Costas環(huán)的構(gòu)成原理圖如圖5所示.

Costas環(huán)中的壓控振蕩器(VCO)輸出兩路互為正交的載波信號(hào)，接收到的輸入信號(hào)s(t)分別與同相和正交的載波信號(hào)進(jìn)入兩個(gè)鑒相器中進(jìn)行鑒相，通過(guò)低通濾波器(LPF)濾波后輸出不含倍頻項(xiàng)的基帶信號(hào)，再相乘得到誤差信號(hào)，送入到環(huán)路濾波器(LF)后輸出與相位差相關(guān)的控制電壓來(lái)控制本地載波源的輸出［6］.

假設(shè)輸入信號(hào)為s(t)=m(t)cos(wct+θ).其中m(t)為調(diào)制信號(hào);wc為輸入信號(hào)角頻率;θ為輸入信號(hào)初始相位.

本地VCO輸出的兩路載波信號(hào)為

圖5 全數(shù)字Costas環(huán)原理圖

其中φ為VCO輸出載波頻率信號(hào)的相位值.

輸入信號(hào)和本地載波的兩路正交信號(hào)相乘倍頻后得到如下所示的兩路信號(hào)：

經(jīng)過(guò)低通濾波器除掉倍頻項(xiàng)后，得到鑒相器輸入式：

兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)鑒相相乘后得到加在環(huán)路濾波器上的誤差控制信號(hào)：

當(dāng)θ-φ總是小于1弧度的時(shí)候，sin(θ-φ)≈(θ-φ)，誤差信號(hào)就是和相位差相關(guān)的一個(gè)信號(hào)，最終使穩(wěn)態(tài)相位誤差減少到很小的數(shù)值，而沒(méi)有剩余頻差.環(huán)路鎖定時(shí)，有v5≈(1/2)m(t).最終，VCO輸出的載波信號(hào)就是系統(tǒng)所需要的載波信號(hào).c1，c2分為Costas環(huán)路濾波器上下兩個(gè)支路的增益因子，相關(guān)值的計(jì)算公式為

其中ξ為環(huán)路阻尼系數(shù)(工程上一般取0.707);wn為環(huán)路阻尼振蕩頻率，且wn=8ξBL/(4ξ2+1);BL為環(huán)路等效噪音寬帶;T為環(huán)路更新時(shí)間;Kd為環(huán)路總增益.

2.2 數(shù)據(jù)仿真

在Costas環(huán)的設(shè)計(jì)中，首先要處理好環(huán)路的時(shí)鐘問(wèn)題.在B(AC)碼解調(diào)中，AD模塊對(duì)輸入B(AC)碼信號(hào)以8kHz的速率采樣.B(AC)碼本身的載波頻率為1kHz，即一個(gè)周期采樣8個(gè)點(diǎn).取環(huán)路噪聲等效寬度為15Hz，環(huán)路更新時(shí)間為1ms.FIR低通濾波器的工作時(shí)鐘為8kHz，本地NCO的累加時(shí)鐘為8kHz，輸出1kHz的載波.環(huán)路參數(shù)取c1=0.022 013，c2=0.000 247 22.用Matlab進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖6所示.環(huán)路在第350個(gè)左右采樣點(diǎn)的位置鎖定，跟蹤時(shí)間約40ms.基于FPGA采用Costas環(huán)進(jìn)行IRIG-B(AC)碼的時(shí)間解調(diào)，在復(fù)位開(kāi)始運(yùn)行約40ms后，輸出相位與輸入的相位差開(kāi)始趨近零.因?yàn)檫M(jìn)行的是關(guān)于時(shí)間精度的問(wèn)題，所以有必要將相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間差.因?yàn)椋?/p>

其中w為角速率(rad/s);Δφ為相位差(rad);Δt為時(shí)間差(s).

圖7 輸出與輸入信號(hào)的時(shí)間差圖

圖6 輸出與輸入信號(hào)的相位差圖

這樣就可以將相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間差，得到輸入與輸出之間的時(shí)間差.采用Matlab進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示.從圖7可以得出跟蹤時(shí)間約40ms后，輸出的時(shí)間與輸入的時(shí)間差趨近零，采用Costas環(huán)可以提高IRIG-B(AC)碼的解碼精度達(dá)到μs級(jí)別，滿足電力系統(tǒng)的要求.

3 結(jié)束語(yǔ)

目前很多時(shí)間同步系統(tǒng)都采用GPS作為同步時(shí)鐘源，雖然GPS是目前最成熟的授時(shí)定位系統(tǒng)，但是由于GPS受控于美國(guó)國(guó)防部，因此不能保證中國(guó)用戶的利益.高精度的授時(shí)在我國(guó)國(guó)防科研、電力領(lǐng)域有著重要的保障作用，因此在獲取時(shí)間信息方面要避免依賴別國(guó)技術(shù)而產(chǎn)生的危害，通過(guò)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗系統(tǒng)，可以產(chǎn)生精度滿足要求更為安全的時(shí)間信息來(lái)保障科研需求.

隨著航天、通信、電力等領(lǐng)域?qū)r(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高精度、體積小的時(shí)間統(tǒng)一終端變得日益重要.基于FPGA的IRIG-B(AC)碼對(duì)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在IRIG-B(AC)碼解調(diào)中引入全數(shù)字Costas環(huán)，能夠很好地提取出B(AC)碼的過(guò)零點(diǎn)信息，這避免了在以往解調(diào)電路中使用過(guò)零檢測(cè)電路時(shí)存在的零點(diǎn)漂移和脈沖抖動(dòng)等問(wèn)題，使得恢復(fù)的載波與輸入B(AC)碼的同步誤差縮小至1μs的精度.采用FPGA進(jìn)行IRIG-B編碼方式對(duì)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是精度高、數(shù)據(jù)全、不需要人工預(yù)置，缺點(diǎn)是編碼復(fù)雜.

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On improving the accuracy of time synchronization in the power system

SONG Peng，TIAN Le

(School of Electronics and Information，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China)

In order to improve the accuracy of the system，the transmission of time information was demodulated based on FPGA.The COMPASS timing accuracy as a basis，IRIG-B code as the transmission timing information，in the use of FPGA demodulated IRIG-B code to introduced digital Costas loop，can well be extracted IRIG-B code zero crossing information，to avoid the zero-crossing detection circuit and pulse jitter zero drift problems.Simulation results showed that the algorithm reduce the IRIG-B code synchronization errors and improve accuracy for time to reach the power system on the accuracy requirements.

IRIG-B;FPGA;time synchronization;accuracy

TP 29

A

1674-649X(2014)01-0089-05

編輯：田莉;校對(duì)：孟超

2013-07-10

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(ZD13JC2-15)

宋鵬(1976-)，男，陜西省大荔縣人，西安工程大學(xué)副教授，博士.E-mail：songpeng310@163.com