黃國雄，馬云龍

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

一種利用SDH通道傳輸航天測量船時(shí)間信息的方案?

黃國雄，馬云龍

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

測量船通過IRIG-B（DC）碼來傳輸時(shí)間信息，針對(duì)傳統(tǒng)B碼時(shí)間信息傳輸中存在的不足，根據(jù)SDH傳輸時(shí)延的確定性特點(diǎn)，提出基于SDH的高精度時(shí)間信息傳輸方案，通過SDH反向通道環(huán)回時(shí)間信息，利用時(shí)延自適應(yīng)補(bǔ)償算法來抵消SDH通道傳輸時(shí)延。設(shè)計(jì)制作的時(shí)延補(bǔ)償設(shè)備成功應(yīng)用于測量船內(nèi)部時(shí)間信息傳輸，經(jīng)過測試表明，傳輸后的時(shí)間信息準(zhǔn)確度由補(bǔ)償前的數(shù)百微秒提高到補(bǔ)償后的優(yōu)于10μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)對(duì)時(shí)間信息準(zhǔn)確度的要求。

航天測量船；信息傳輸；SDH；傳輸時(shí)延；時(shí)間信息；時(shí)延補(bǔ)償

1 引言

航天遠(yuǎn)洋測量船通過時(shí)統(tǒng)站為各系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，采用IRIG-B（DC）碼（以下簡稱B碼）傳輸標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息。傳統(tǒng)的時(shí)間信息傳輸方案是采用雙絞線專線進(jìn)行傳輸，在傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)信號(hào)衰減和畸變明顯，影響時(shí)間信息解碼的準(zhǔn)確性。另外，采用專線傳輸時(shí)，時(shí)統(tǒng)解碼終端的配置受到布線的限制，一旦安裝完成就不方便更改，不能適應(yīng)今后系統(tǒng)升級(jí)帶來的需求變化。在新一代航天遠(yuǎn)洋測量船上，基于SDH體制的綜合信息傳輸平臺(tái)得到了廣泛應(yīng)用，它是一種集圖像、語音、數(shù)據(jù)等多媒體信息的傳輸、交換于一體的綜合集成傳輸系統(tǒng)，通過綜合信息傳輸平臺(tái)的應(yīng)用，在測量船上實(shí)現(xiàn)了電話、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、多媒體等多業(yè)務(wù)的分布式接入，大大簡化了系統(tǒng)布線，降低了信號(hào)畸變，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。通過SDH通道傳輸時(shí)間信息，可以充分利用現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)時(shí)統(tǒng)解碼終端的分布式接入，不僅可以大大簡化系統(tǒng)布線，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量，而且可以實(shí)現(xiàn)時(shí)統(tǒng)解碼終端的靈活配置，以適應(yīng)未來的需求變化。

2 SDH時(shí)延組成和特點(diǎn)分析

SDH是由許多網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)單元組成的，在光纖上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接的網(wǎng)絡(luò)［1］。SDH的基本傳輸通道是各網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)間端到端的傳輸，SDH時(shí)延就是傳輸通道端到端的時(shí)延。SDH端到端的傳輸時(shí)延主要包括傳播時(shí)延、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延。

2.1 傳播時(shí)延

SDH節(jié)點(diǎn)間采用單模光纖傳輸，光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，因此，光線在光纖中傳播的路程就是光纖的長度，傳播時(shí)延就是光在光纖中傳播所需的時(shí)間。光在纖芯內(nèi)的傳播速度為

光線在長度為l的單模光纖中傳播的時(shí)間為

式中，c為真空中光速（3×105km／s）；l為傳輸距離（km）；n1為光纖芯區(qū)折射率，典型值為1.48，于是光信號(hào)在光纖中的傳播時(shí)延約為4.93μs／km。傳播時(shí)延只與光纖的長度即傳輸距離有關(guān)，在固定的傳輸距離下，傳播時(shí)延是固定的。

2.2 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延

SDH幀由許多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)組成，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在幀緩沖區(qū)內(nèi)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是將SDH幀的所有比特傳送到鏈路的時(shí)間。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延與幀的長度和線路接口速率有關(guān)：

SDH基本幀長為9×270 byte，不同等級(jí)的SDH幀長與傳輸速率成比例增加，因此，對(duì)不同的SDH傳送等級(jí)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為

式中，n為SDH傳送等級(jí)（1、4、16等）。由此可知，在不同的SDH傳送等級(jí)中，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是固定的，均為125μs。

2.3 節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延

除了傳輸線路和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延外，網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)設(shè)備中還有緩存器、時(shí)隙交換單元和其它數(shù)字處理設(shè)備，數(shù)據(jù)在這些設(shè)備中進(jìn)行處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生處理時(shí)延。SDH設(shè)備產(chǎn)生處理時(shí)延的主要環(huán)節(jié)有指針調(diào)整處理、固定塞入處理、內(nèi)部接口處理、連接處理及映射和去映射處理等，不同的設(shè)備由于設(shè)計(jì)方法的不同會(huì)有不同的時(shí)延結(jié)果。

2.4 時(shí)延測量

測量船綜合信息傳輸平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)傳輸通道接口有RS、E1／V.35、以太網(wǎng)等，從這些接口輸入的數(shù)據(jù)通過不同的方式復(fù)用成SDH信號(hào)。在我國的光同步傳輸網(wǎng)技術(shù)體制中，規(guī)定以2 048 kbit／s的PDH信號(hào)作為SDH的有效載荷，因此，以上各業(yè)務(wù)信號(hào)除速率為2 048 kbit／s的E1／V.35接口不需要變換外，其余業(yè)務(wù)均需要先復(fù)用成2 048 kbit／s的信號(hào)或由多個(gè)2 048 kbit／s的信號(hào)復(fù)用而成，在信號(hào)的復(fù)用過程中將產(chǎn)生較大的處理時(shí)延。不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的時(shí)延測試數(shù)據(jù)見表1。

以上測試數(shù)據(jù)為相鄰網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)間的時(shí)延數(shù)據(jù)，傳輸時(shí)延與鏈路經(jīng)過的網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)數(shù)有關(guān)，經(jīng)過的網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)越多，時(shí)延越大。由表1可知，E1業(yè)務(wù)時(shí)延最小，其余業(yè)務(wù)時(shí)延均高于E1業(yè)務(wù)，時(shí)延測試結(jié)果與前述理論分析是一致的。

3 時(shí)間信息傳輸方案

由以上SDH時(shí)延分析及時(shí)延測試數(shù)據(jù)可知，E1／V.35接口傳輸時(shí)延較小，考慮到接口電平匹配，采用2 048 kbit／s的V.35通道道作為B碼時(shí)間信號(hào)的傳輸通道［2］。由B碼幀格式可知，B碼幀周期為1 s，每幀包含10個(gè)碼段，每個(gè)碼段又包含10個(gè)碼元［3］，每個(gè)碼元周期為10ms，采用2ms、5ms、8ms 3種寬度的脈沖表示不同信號(hào)，這3種脈沖可以分解為1 ms脈沖的組合，可以認(rèn)為B碼信號(hào)中包含的最小脈沖為1ms，因此，B碼信號(hào)可以看作為速率為1 kbit／s的數(shù)據(jù)，只要采用大于1 kbit／s的傳輸通道即可傳輸，但B碼中還包含重要的基準(zhǔn)碼元信息，在傳輸中對(duì)碼元的采樣會(huì)產(chǎn)生采樣誤差，對(duì)碼元的最大采樣誤差為1 bit，因此，用來傳輸B碼的傳輸通道速率越高，則碼元的采樣誤差越小。通過2 048 kbit／s的V.35通道傳輸B碼時(shí)，最大采樣誤差約0.49μs，相對(duì)于SDH的總體傳輸時(shí)延來講可以忽略不計(jì)。

由SDH的時(shí)延組成和特點(diǎn)可知，在SDH的傳輸時(shí)延中傳播時(shí)延、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是固定的，節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延與傳輸通道的時(shí)隙配置有關(guān)系，不同的時(shí)隙配置會(huì)產(chǎn)生不同的節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延，一旦傳輸通道配置完畢，時(shí)隙配置就固定下來，此時(shí)，SDH的節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延也是固定的。因此，在配置好的SDH傳輸通道中端到端的總體時(shí)延也是固定的，只要準(zhǔn)確測量出傳輸通道端到端的傳輸時(shí)延，就可以采取時(shí)延補(bǔ)償?shù)霓k法來抵消傳輸過程中的時(shí)延，實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息的精確傳輸。

SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)一般采取環(huán)形網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，這種傳輸方式不適合端到端時(shí)延的測量，用來傳輸B碼的傳輸通道必須配制成雙向通道，且確保正、反向通道傳輸路徑相同。根據(jù)SDH數(shù)據(jù)處理的對(duì)稱性特點(diǎn)可知，傳輸路徑相同的正、反向通道的傳輸時(shí)延是基本相同的，將正向通道傳輸?shù)男盘?hào)通過反向通道進(jìn)行環(huán)回，只需要測出環(huán)回信號(hào)的時(shí)延，就可以通過計(jì)算得到傳輸時(shí)延。

以節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)3的傳輸為例，基于SDH的B碼傳輸信號(hào)流程圖見圖1。時(shí)統(tǒng)站輸出的B碼經(jīng)過時(shí)延補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償后從節(jié)點(diǎn)1接入SDH的正向通道（圖中的實(shí)線部分），經(jīng)過節(jié)點(diǎn)2傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)3，從節(jié)點(diǎn)3引出到用戶終端，在用戶端將B碼信號(hào)環(huán)回接入節(jié)點(diǎn)3反向通道（圖中的虛線部分），經(jīng)過節(jié)點(diǎn)2傳輸回到節(jié)點(diǎn)1，從節(jié)點(diǎn)1引出到時(shí)延補(bǔ)償設(shè)備。時(shí)延補(bǔ)償設(shè)備測量環(huán)回B碼與輸入B碼的延時(shí)來計(jì)算傳輸時(shí)延，根據(jù)自適應(yīng)算法對(duì)補(bǔ)償值進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸時(shí)延的完全補(bǔ)償，最終到達(dá)用戶終端的B碼與時(shí)統(tǒng)站輸出的B碼準(zhǔn)確對(duì)齊。

4 時(shí)延補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

4.1 時(shí)延補(bǔ)償自適應(yīng)算法

由B碼幀結(jié)構(gòu)可知，B碼的準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)為基準(zhǔn)碼元的上升沿，碼元周期為10ms，每個(gè)碼元的上升沿時(shí)刻是固定的，因此，在時(shí)延補(bǔ)償算法中以碼元上升沿作為延時(shí)的起始基準(zhǔn)點(diǎn)。假設(shè)單向傳輸時(shí)延為x，則輸出B碼應(yīng)比輸入B碼超前x。時(shí)延補(bǔ)償算法如圖2所示，以第i個(gè)輸入碼元為例，在碼元脈沖的上升沿開始計(jì)時(shí)，延時(shí)y后產(chǎn)生第i+1個(gè)輸出碼元，此時(shí)，相對(duì)于第i+1個(gè)輸入碼元來講輸出碼元超前了x，即實(shí)現(xiàn)了時(shí)延的補(bǔ)償。

由圖2可知，傳輸時(shí)延x加上輸出延時(shí)y剛好是一個(gè)碼元周期10ms，因此，輸出延時(shí)為

初始狀態(tài)下時(shí)延補(bǔ)償設(shè)備的補(bǔ)償量（即輸出延時(shí)y）為0，根據(jù)測量得到時(shí)延x，通過公式（5）計(jì)算得到y(tǒng)，利用y對(duì)補(bǔ)償量進(jìn)行修正，在B碼的每個(gè)周期均進(jìn)行補(bǔ)償量的修正，經(jīng)過幾個(gè)周期的迭代補(bǔ)償量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)不再變化時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了傳輸時(shí)延的自適應(yīng)補(bǔ)償。

4.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

時(shí)延補(bǔ)償設(shè)備采用Ateml公司的ATtiny2313單片機(jī)來設(shè)計(jì)，電路圖如圖3所示。時(shí)統(tǒng)站輸出的B碼經(jīng)接口轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為TTL電平后接入單片機(jī)的輸入捕獲（ICP）引腳，從SDH反向通道環(huán)回的B碼同樣經(jīng)接口轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為TTL電平后接入單片機(jī)的外部中斷（INT0）引腳，通過單片機(jī)的比較匹配輸出（OC1A）引腳輸出經(jīng)過時(shí)延補(bǔ)償后的B碼，經(jīng)接口轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為RS-422電平后輸出，通過SDH正向傳輸通道送給用戶終端。單片機(jī)主要完成實(shí)時(shí)時(shí)延測量、時(shí)延補(bǔ)償計(jì)算、B碼解碼、B碼編碼輸出等任務(wù)，所有任務(wù)都由單片機(jī)的軟件運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，充分利用單片機(jī)的片內(nèi)資源和高速運(yùn)算能力，大大簡化電路設(shè)計(jì)，提高設(shè)備工作可靠性。

4.3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

時(shí)延補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是時(shí)延值的取得，一般的做法是將時(shí)延測量和時(shí)延補(bǔ)償分開進(jìn)行，首先進(jìn)行時(shí)延的測量，將得到的時(shí)延值存入緩存，然后進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償運(yùn)算，從緩存中讀取預(yù)先測得的時(shí)延值作為補(bǔ)償值，在這種模式下，每次工作前都要測量時(shí)延，在傳輸通道配置發(fā)生變化或者由于其它原因?qū)е聜鬏敃r(shí)延發(fā)生變化時(shí)，時(shí)延補(bǔ)償值不能自動(dòng)進(jìn)行更新，會(huì)產(chǎn)生較大的傳輸誤差。時(shí)延的測量必須有基準(zhǔn)點(diǎn)作為參照，在B碼幀結(jié)構(gòu)中，每幀有一個(gè)唯一的參照點(diǎn)，那就是基準(zhǔn)碼元。因此，將基準(zhǔn)碼元作為參照點(diǎn)進(jìn)行時(shí)延測量，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)延的測量和時(shí)延補(bǔ)償運(yùn)算同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)時(shí)延的實(shí)時(shí)測量和時(shí)延補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)修正。

時(shí)延測量主要由外部中斷、輸入捕捉中斷完成，其中，外部中斷完成環(huán)回B碼基準(zhǔn)碼元的解碼，輸入捕捉中斷除完成輸入B碼基準(zhǔn)碼元的解碼外，還完成輸入B碼其它有效信息的解碼。B碼的解碼主要是通過測量碼元的脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)，通過比較碼元脈沖的上升沿、下降沿的計(jì)數(shù)值，就可以得到碼元脈沖寬度，根據(jù)碼元脈沖寬度找到基準(zhǔn)碼元，從基準(zhǔn)碼元開始對(duì)B碼碼元進(jìn)行索引計(jì)數(shù)，根據(jù)索引值對(duì)照B碼幀結(jié)構(gòu)即可解碼出碼元信息。比較輸入B碼和環(huán)回B碼基準(zhǔn)碼元下降沿時(shí)刻的計(jì)數(shù)值就可計(jì)算得到傳輸時(shí)延。

輸出B碼編碼主要由輸出比較A匹配、輸出比較B匹配中斷完成，其中，輸出比較B匹配中斷用于輸出延時(shí)的計(jì)算，輸出比較A匹配中斷用于產(chǎn)生輸出碼元脈沖。在輸入碼元的上升沿，根據(jù)公式（5），由測量得到的時(shí)延值計(jì)算出輸出B碼的延時(shí)值y，設(shè)置輸出比較B匹配計(jì)數(shù)值，在發(fā)生輸出比較B匹配中斷時(shí)，根據(jù)輸出B碼碼元的脈沖寬度設(shè)置輸出比較A匹配計(jì)數(shù)值，在一個(gè)碼元周期內(nèi)發(fā)生兩次輸出比較A匹配中斷，分別產(chǎn)生輸出B碼碼元的高電平和低電平。

5 時(shí)延補(bǔ)償精度分析

影響時(shí)延補(bǔ)償精度的因素主要有傳輸通道時(shí)延抖動(dòng)、單片機(jī)中斷延遲和指令執(zhí)行時(shí)間、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)周期、傳輸通道采樣誤差、雙向傳輸通道時(shí)延不對(duì)稱。其中傳輸通道時(shí)延抖動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳輸時(shí)延，一般為幾十到幾百納秒，最大不超過1μs；單片機(jī)中斷延遲和指令執(zhí)行時(shí)間是固定值，可以在單片機(jī)程序中進(jìn)行修正；計(jì)數(shù)器時(shí)鐘為1 MHz，計(jì)數(shù)周期為1μs，由計(jì)數(shù)周期產(chǎn)生的最大誤差約為1μs；傳輸通道采樣誤差與傳輸速率有關(guān)，在2 048 kbit／s的V.35通道中約0.5μs；由于SDH正反向傳輸通道的時(shí)隙不同，會(huì)導(dǎo)致時(shí)延不對(duì)稱，通過將正反向傳輸通道的時(shí)隙配置為相鄰時(shí)隙來減少SDH雙向通道時(shí)延不對(duì)稱。綜合以上各種因素的影響，時(shí)延補(bǔ)償?shù)目傉`差不超過10μs。

6 結(jié)束語

高精度的時(shí)間信息傳輸在航天遠(yuǎn)洋測控系統(tǒng)中具有重要意義。本文通過理論分析和實(shí)際測試得出SDH傳輸通道具有時(shí)延確定性的特點(diǎn)，基于這一特點(diǎn)，提出通過SDH通道傳輸時(shí)間信息的方案，并采用自適應(yīng)時(shí)延補(bǔ)償?shù)姆椒▉淼窒鸖DH通道的傳輸時(shí)延。設(shè)計(jì)的時(shí)延補(bǔ)償設(shè)備成功應(yīng)用于測量船內(nèi)部的時(shí)間信息傳輸，經(jīng)過測試表明，傳輸后的時(shí)間信息準(zhǔn)確度由補(bǔ)償前的數(shù)百微秒提高到補(bǔ)償后的優(yōu)于10μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)對(duì)時(shí)間信息準(zhǔn)確度的要求。

該方案為測量船內(nèi)部時(shí)間信息傳輸提供了一種新的高精度傳輸途徑，實(shí)驗(yàn)表明，影響傳輸精度的最主要因素是SDH通道雙向時(shí)延不對(duì)稱性，如果能夠準(zhǔn)確測量SDH通道雙向時(shí)延，將能夠進(jìn)一步提高傳輸精度。

［1］肖萍萍，毛謙.SDH原理和技術(shù)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2002. XIAO Ping-ping，MAO Qian.SDH principles and techniques［M］.Beijing：Beijing Posts and Telecommunication University Press，2002.（in Chinese）

［2］張大元，謝毅.利用光纖數(shù)字同步傳輸網(wǎng)2.048Mbit／s支路傳送高精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)［J］.現(xiàn)代電信科技，2006（12）：17-21. ZHANG Da-yuan，XIE Yi.Using 2.048Mbit／s channel of fiber-optic digital synchronous transmission network to transmit high-precision standard time signal［J］.Modern Telecommunications Technology，2006（12）：17-21.（in Chinese）

［3］郭詮水.通信設(shè)備接口協(xié)議手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

GUO Quan-shui.Communication equipment interface protocolmanual［M］.Beijing：People′s Postsand Telecommunications Press，2005.（in Chinese）

HAUNGGuo-xiong was born in Tianmen，Hubei Province，in 1977.He received the B.S.degree from National University of Defense Technology and the M.S.degree from Shanghai Jiaotong University in 1998 and 2007，respectively.He is now an engineer.His research concerns communication system.

Email：h-gx＠163.com

馬云龍（1983—），男，重慶合川人，2006年于四川大學(xué)獲雙學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事衛(wèi)星通信工作。

MA Yun-long was born in Hechuan，Chongqing，in 1983.He received the dual B.S.degree from Sichuan University in 2006.His research concerns satellite communication.

A Scheme for Transm itting Time Code of Space TT＆C Ship through SDH Channel

HUANGGuo-xiong，MAYun-long
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

The space TT＆C ship transmits time information through IRIG-B（DC）code.In view of the disadvantage in traditional B code time information transmission，according to the certainty of SDH transmission delay，a novel time information transmission scheme is proposed based on SDH.In the scheme，the loopback time information by back channel SDH is utilized，and a delay compensation device is designed tomeasure the SDH transmission delay and correct delay compensation value automatically in real-time.Finally，the delay compensation device is deployed in TT＆C ship to transmit time information between systems.Test shows that the accuracy of transmission time information is better than 10μs，much higher than that of system requirement.

space TT＆C ship；information transmission；SDH；transmission delay；time code information；delay compensation

TN914.332

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.023

黃國雄（1977—），男，湖北天門人，1998年于國防科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2007年于上海交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事通信總體工作；

1001-893X（2011）11-0112-05

2011-05-26；

2011-09-02