基于分布特征的層級(jí)式時(shí)鐘系統(tǒng)在廣播電臺(tái)的分析與應(yīng)用

郭彤旭

【摘要】 以某廣播電臺(tái)時(shí)鐘系統(tǒng)為例，分析了當(dāng)前常見(jiàn)的兩種時(shí)鐘系統(tǒng)模型的利弊，由此設(shè)計(jì)一種基于分布特征的層級(jí)式時(shí)鐘系統(tǒng)，介紹了其設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)備性能，并且對(duì)技術(shù)可靠性進(jìn)行了理論分析。

【關(guān)鍵詞】電臺(tái)時(shí)鐘系統(tǒng) 分布式 層級(jí)式 穩(wěn)定性分析

一.引言

廣播電臺(tái)時(shí)鐘系統(tǒng)是一個(gè)大型通信計(jì)時(shí)系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)電臺(tái)內(nèi)部相關(guān)系統(tǒng)之間的時(shí)間信號(hào)統(tǒng)一，便于臺(tái)內(nèi)播出鏈路的所有環(huán)節(jié)在同一時(shí)間下準(zhǔn)確無(wú)誤地工作；同時(shí)使臺(tái)內(nèi)編播工作人員時(shí)刻掌握標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息，為臺(tái)內(nèi)各個(gè)職能部門(mén)之間有機(jī)的配合工作提供準(zhǔn)確、統(tǒng)一的時(shí)間依據(jù)，確保電臺(tái)各種相關(guān)業(yè)務(wù)部門(mén)的高速有效運(yùn)轉(zhuǎn)。以某廣播電臺(tái)時(shí)鐘系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)要介紹了其設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)備性能及技術(shù)可靠性。

二.時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以大致分為分布式和層級(jí)式。如圖1所示，在層級(jí)式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)目錄深度的不同表示它們之間的主從邏輯關(guān)系，即底層時(shí)鐘單方向接收上一層時(shí)鐘的信號(hào)命令；而在分布式始終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各層相同目錄深度的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)地位是彼此等價(jià)的。

層級(jí)式時(shí)鐘的同步方法是將所有時(shí)鐘信息和數(shù)值計(jì)算全部集中在以母鐘為中心的節(jié)點(diǎn)上，除了母鐘以外的任何時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有信息的傳遞，只能通過(guò)與中心母鐘的時(shí)間信息交互才能達(dá)到整體時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的同步。因?yàn)橹行哪哥姽?jié)點(diǎn)承擔(dān)了大量的數(shù)值計(jì)算任務(wù)，所以整個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的同步性能會(huì)因此降低。除此以外，若中心母鐘由于設(shè)備物理故障或是軟件攻擊，整個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都會(huì)由此引發(fā)同步失效。

分布式時(shí)鐘系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的每個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)都彼此獨(dú)立，如圖2所示。因?yàn)闆](méi)有設(shè)立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，所以可以消除分布式時(shí)鐘系統(tǒng)內(nèi)因中心母鐘時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)失效所引發(fā)的整體系統(tǒng)同步失敗的缺點(diǎn)。并且分布式時(shí)鐘系統(tǒng)在計(jì)算中只需參考相鄰時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)所交互的時(shí)鐘信息即可，因此減少了在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信工作量。

三.基于分布特性的層級(jí)式時(shí)鐘系統(tǒng)

1.系統(tǒng)原理

電臺(tái)原時(shí)鐘系統(tǒng)由主備兩套母鐘系統(tǒng)以及一個(gè)母鐘切換器構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)上屬于典型的層級(jí)式時(shí)鐘系統(tǒng)。原系統(tǒng)雖然使用四個(gè)GPS接收機(jī)作為時(shí)鐘源，但仍然匯總為兩個(gè)母鐘，并進(jìn)一步將兩組時(shí)鐘源交匯到唯一一臺(tái)母鐘切換器上。這樣無(wú)疑增加了此中樞節(jié)點(diǎn)所承擔(dān)的故障風(fēng)險(xiǎn)，若此母鐘切換器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)因硬件等不確定性因素導(dǎo)致的問(wèn)題時(shí)，整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)將面臨崩潰，由此引發(fā)的播出安全隱患不堪設(shè)想。

本文在當(dāng)前時(shí)鐘系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，致力于討論一種基于分布式特征的層級(jí)式時(shí)鐘系統(tǒng)。本系統(tǒng)由四套母鐘系統(tǒng)、GPS時(shí)碼接收系統(tǒng)、銣原子鐘、兩個(gè)母鐘切換器、時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換分配設(shè)備等子系統(tǒng)構(gòu)成。在原有時(shí)鐘系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)母鐘以及母鐘切換器進(jìn)行信號(hào)流拆分，將主、備路時(shí)鐘信號(hào)中原本對(duì)應(yīng)一臺(tái)母鐘的兩路GPS時(shí)鐘源信號(hào)分別對(duì)應(yīng)四個(gè)獨(dú)立的母鐘。

使用銣原子鐘為母鐘1提供頻率基準(zhǔn)以確保時(shí)鐘的自運(yùn)行精度，并將四個(gè)母鐘進(jìn)行橫向串聯(lián)以保證部分GPS接收機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)四個(gè)母鐘的信號(hào)仍能夠保持同步。進(jìn)而將四組由各自母鐘所輸出的RS422、EBU、SZ信號(hào)分別交由兩臺(tái)母鐘切換器進(jìn)行應(yīng)急切換處理，并將兩臺(tái)切換器所輸出的三種時(shí)間信號(hào)分別傳輸至臺(tái)內(nèi)各個(gè)編播系統(tǒng)，為技術(shù)區(qū)的機(jī)房子鐘、六響報(bào)時(shí)和語(yǔ)言報(bào)時(shí)信號(hào)、自動(dòng)化播出系統(tǒng)以及全臺(tái)行政辦公區(qū)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)碼信號(hào)。具體設(shè)備連接如圖3所示。

2.GPS衛(wèi)星同步鐘

本時(shí)鐘系統(tǒng)所使用的ST3100H型GPS衛(wèi)星同步鐘自動(dòng)接收美國(guó)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，對(duì)GPS接收模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、分析，形成標(biāo)準(zhǔn)的串行時(shí)碼，從而輸出準(zhǔn)確的北京時(shí)間。輸出信號(hào)中同時(shí)攜帶GPS模塊跟蹤狀態(tài)信息，供時(shí)鐘監(jiān)控計(jì)算機(jī)使用，可以方便地獲得GPS設(shè)備的工作狀況。

ST3100H型GPS衛(wèi)星同步鐘由天線及天線放大器、1U設(shè)備機(jī)箱構(gòu)成。室外天線內(nèi)部所裝的天線放大器將天線所收到的分米波信號(hào)加以放大，經(jīng)專(zhuān)用電纜接進(jìn)設(shè)備機(jī)箱內(nèi)的GPS接收模塊。本系統(tǒng)的原理圖如下圖所示：

機(jī)箱內(nèi)的時(shí)碼處理模塊由高性能單片機(jī)、不停電時(shí)鐘、驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成，對(duì)GPS接收模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、分析，形成標(biāo)準(zhǔn)的串行時(shí)碼輸出。后一級(jí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生輸出SZ、RS232、RS485/RS422、1pps等不同格式的日期時(shí)間碼。S T3100型GPS衛(wèi)星同步鐘前面板具有低壓熒光屏VFD顯示日期時(shí)間，第一行顯示日歷，依次為年（4位），月（2位），日（2位）和星期（1位），第二行顯示時(shí)間。除了正常的時(shí)間顯示外，前面板顯示屏還具有跟蹤狀態(tài)指示，設(shè)備的跟蹤情況一目了然。同時(shí)還指示與衛(wèi)星鎖定與否的狀態(tài)。

S T3100H型G P S衛(wèi)星同步鐘的信號(hào)同步定時(shí)精度可以達(dá)到1μs，天線饋線長(zhǎng)度為 100米。采用RS422/ RS485、SZ時(shí)碼以及1pps三種輸出信號(hào)格式，其中RS422/RS485在用，SZ時(shí)碼和1pps在本系統(tǒng)中為預(yù)留接口。

本系統(tǒng)所使用的RS485/422接口日期時(shí)間碼可有效傳輸1000米以上，波特率為9600bps，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。每次共12個(gè)字，依次為同步字（AA）、狀態(tài)字1、狀態(tài)字2、年1、年2、月、日、星期、時(shí)、分、秒、結(jié)束字03H。

3.中心母鐘

ST6102D型中心母鐘系本時(shí)鐘系統(tǒng)的核心，為子鐘、播出系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、提供精確的時(shí)間同步。每套ST6102D型中心母鐘它包括一主一備兩套高穩(wěn)定度的工作鐘模塊，均可長(zhǎng)期獨(dú)立運(yùn)行，輸出可自動(dòng)切換；它具備兩路標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)輸入接口，自動(dòng)校準(zhǔn)于北京時(shí)間，以消除積累誤差。endprint

母鐘內(nèi)的SYN同步切換模塊負(fù)責(zé)對(duì)主GPS：S1和備GPS：S2兩路信號(hào)的監(jiān)測(cè)判斷和輸出切換。切換可自動(dòng)亦可手動(dòng)。輸出信號(hào)用于同步GS2高穩(wěn)時(shí)鐘模塊。主路S1和備路S201202005兩路信號(hào)輸入本模塊后，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后分別送入單片機(jī)I和單片機(jī)II，由軟件各自判斷其正確性及前后秒的相關(guān)性，正確則開(kāi)通控制開(kāi)關(guān)，最后經(jīng)二選一開(kāi)關(guān)選擇一路輸出。工作原理如圖5所示。

GS2高穩(wěn)時(shí)鐘模塊作為時(shí)鐘控制系統(tǒng)的核心工作鐘，內(nèi)部自備高穩(wěn)定度的恒溫晶振，并設(shè)有外頻標(biāo)輸入接口，可以接入穩(wěn)定度更高的銣原子振蕩信號(hào)。這樣，既使校準(zhǔn)源校時(shí)信號(hào)中斷，高穩(wěn)時(shí)鐘模塊仍能以很高的穩(wěn)定度維持運(yùn)行。該模塊含有電池供電的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，時(shí)間信息可保存10年以上，使設(shè)備剛上電即有較為準(zhǔn)確的時(shí)間輸出。模塊工作的5MHz基準(zhǔn)信號(hào)，來(lái)自于內(nèi)部的恒溫晶振或者外接的銣原子鐘，以后者為主選，由內(nèi)部電路自動(dòng)切換選擇。模塊前面板的“EXT_REF”指示燈表示外頻率基準(zhǔn)信號(hào)，若外接5MHz信號(hào)有效，該燈點(diǎn)亮。5MHz信號(hào)經(jīng)整形電路放大，送分頻網(wǎng)絡(luò)電路處理，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)1Hz信號(hào)，即秒脈沖。單片機(jī)對(duì)秒脈沖計(jì)數(shù)并換算成時(shí)間。時(shí)碼緊隨秒脈沖串行輸出，形成完整的串行時(shí)間碼。

外部輸入的校準(zhǔn)時(shí)間碼被單片機(jī)讀入，經(jīng)判斷認(rèn)為正確之后，讀入時(shí)間碼校準(zhǔn)GS2高穩(wěn)時(shí)鐘，并同步分頻網(wǎng)絡(luò)，使本地時(shí)鐘的相位同步于校準(zhǔn)源。為避免秒信號(hào)的抖動(dòng)，保持其高穩(wěn)特性，如果高穩(wěn)時(shí)鐘模塊已經(jīng)與外部校準(zhǔn)信號(hào)完成同步，內(nèi)部程序?qū)⒖刂圃撃K不再讀取時(shí)間碼，而只保持秒相位的鎖定同步。此時(shí)如果向下按壓“設(shè)置”開(kāi)關(guān)，則強(qiáng)制高穩(wěn)模塊讀取外部時(shí)間編碼，校正時(shí)鐘數(shù)據(jù)。前面板“自運(yùn)行”指示燈提示外來(lái)同步校準(zhǔn)信號(hào)的通路是否被接通。點(diǎn)亮?xí)r通路被切斷，本模塊保持原有相位并以5MHz頻率基準(zhǔn)信號(hào)獨(dú)立運(yùn)行。

ST6102D型中心母鐘5MHz頻率信號(hào)入口，當(dāng)采用外頻率基準(zhǔn)有效時(shí)，高穩(wěn)時(shí)鐘模塊的前面板指示燈點(diǎn)亮。中心母鐘可以提供RS232/422、SZ、1PPS等多種接口，提供年、月、日、星期、時(shí)、分、秒信息，并將2路高穩(wěn)時(shí)鐘信號(hào)、輸出切換信號(hào)經(jīng)綜合電纜匯集到JM422中心接口，最終提供給監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)不斷的記錄。

以下是ST6102的主要性能指標(biāo)和參數(shù)：

（1）主、備路GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)輸入：

RS422接口，波特率9600bps，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。每秒發(fā)送一次，共12個(gè)字節(jié)，依次為同步字（16進(jìn)制AAH）、狀態(tài)字1、狀態(tài)字2、百年、年、月、日、星期、時(shí)、分、秒、03H（其中與時(shí)間有關(guān)的字節(jié)采用BCD碼）。

（2）標(biāo)準(zhǔn)頻率輸入：

5MHz，與內(nèi)頻率信號(hào)自動(dòng)切換。

（3）SYN同步切換模塊

切換方式：自動(dòng)或手動(dòng)，自動(dòng)方式不斷碼

（4）高穩(wěn)時(shí)鐘模塊：

頻率穩(wěn)定度：

晶振頻率：5MHz

（5）輸出切換模塊：

切換方式：自動(dòng)/手動(dòng)，自動(dòng)方式不斷碼

（6）輸出信號(hào)：

RS422：3路，與主、備路輸入信號(hào)相同

1pps：正脈沖，寬度大于100ms

5MHz：方波，TTL電平

4.銣原子鐘

STRU4銣原子鐘內(nèi)含國(guó)際先進(jìn)的銣原子振蕩器，經(jīng)由分頻控制電路，提供4路5MHz高穩(wěn)定度的頻標(biāo)信號(hào)輸出，可直接接入ST6102中心母鐘，為之提供頻率基準(zhǔn)，確保時(shí)鐘的自運(yùn)行精度。

STRU4銣原子鐘包含銣原子振蕩器、分頻電路、指示電路、電源電路等部分。

銣原子振蕩器是以銣原子內(nèi)部超精細(xì)躍遷頻率（6834.68750MHz）作為標(biāo)準(zhǔn)頻率，控制壓控晶體振蕩器的振蕩頻率，從而輸出準(zhǔn)確、穩(wěn)定的10MHZ頻率。10MHz信號(hào)經(jīng)隔離電路、分頻分配電路，輸出互相隔離的4路5MHz頻率信號(hào)。

四.分布特性層級(jí)式時(shí)鐘系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

1.時(shí)鐘同步協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3所示的四母鐘時(shí)鐘系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以變形為圖6所示，記所有邊的權(quán)值為1，其中母鐘1為參考節(jié)點(diǎn)，其他三個(gè)母鐘節(jié)點(diǎn)為備路學(xué)習(xí)時(shí)鐘。

五.總結(jié)

本文經(jīng)過(guò)分析常用時(shí)鐘系統(tǒng)中典型的層級(jí)式和分布式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)廣播電臺(tái)的基于分布特征的層級(jí)式時(shí)鐘系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)四個(gè)平行的GPS母鐘進(jìn)行分布式的結(jié)構(gòu)排列，以保證后級(jí)切換器所輸出的各路時(shí)鐘信號(hào)在切換時(shí)不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間差。并通過(guò)使用仿真系統(tǒng)的信號(hào)模擬驗(yàn)證了本時(shí)鐘系統(tǒng)的協(xié)同性，以保證電臺(tái)內(nèi)播出鏈路的所有環(huán)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)確無(wú)誤，以及臺(tái)內(nèi)部相關(guān)系統(tǒng)之間的時(shí)

間信號(hào)統(tǒng)一。B&Pendprint