蒙智謀

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BPM短波時(shí)碼授時(shí)發(fā)播技術(shù)方案

蒙智謀

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600）

為適應(yīng)時(shí)頻技術(shù)的迅速發(fā)展，進(jìn)一步提高BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)的服務(wù)能力，擴(kuò)展短波授時(shí)服務(wù)領(lǐng)域的用戶面，在原有的BPM短波授時(shí)發(fā)播程序中增加短波時(shí)碼信息是十分必要的。本文介紹了BPM時(shí)碼授時(shí)發(fā)播的總體設(shè)計(jì)方案、BPM時(shí)碼的格式以及解碼流程等。

授時(shí)；時(shí)間發(fā)播；BPM時(shí)碼

0 引言

設(shè)立在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心的BPM短波授時(shí)系統(tǒng)是我國(guó)授時(shí)體系的重要組成部分。短波授時(shí)以其固有的優(yōu)點(diǎn)多年來廣泛應(yīng)用于高空飛行、海上航行、大地測(cè)量以及地震監(jiān)測(cè)等部門。目前，我國(guó)的短波授時(shí)信號(hào)中不包含時(shí)碼信息，而國(guó)際上已有許多國(guó)家將時(shí)碼服務(wù)增加到短波授時(shí)程序中，例如，美國(guó)的WWVWWVH，澳大利亞的VNG，俄羅斯的RWMRID等均增加了短波時(shí)碼服務(wù)。這樣，短波用戶通過時(shí)碼接收機(jī)就可以獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)碼信息，從而校準(zhǔn)鐘面以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化。因此，在我國(guó)的BPM短波授時(shí)程序中插入包括年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息碼十分必要。通過在發(fā)播程序中增加時(shí)碼信息，可以實(shí)現(xiàn)短波時(shí)號(hào)和短波時(shí)碼的雙重服務(wù)，進(jìn)一步提升我國(guó)短波授時(shí)功能，滿足短波用戶定時(shí)接收機(jī)自動(dòng)定時(shí)的需要。

1 BPM短波時(shí)碼授時(shí)技術(shù)總體設(shè)計(jì)方案

BPM短波授時(shí)系統(tǒng)增加時(shí)碼發(fā)播功能在不影響原授時(shí)發(fā)播和用戶使用的條件下進(jìn)行，因而采用的總體設(shè)計(jì)方案的要點(diǎn)是：1）保持原BPM短波授時(shí)信號(hào)發(fā)播程序和信號(hào)格式不變，即UTC、UT1信號(hào)發(fā)播時(shí)間和信號(hào)格式不變；2）只在原發(fā)播UTC信號(hào)時(shí)間段和原UTC秒信號(hào)脈沖后插入時(shí)碼信息；3）參照國(guó)際電信聯(lián)盟的建議書[1]（Rec.ITU-R TF.583-5）以及美國(guó)短波授時(shí)臺(tái)WWV/WWVH的時(shí)碼格式[2]（WWV/WWVH time code format）進(jìn)行碼設(shè)計(jì)；4）時(shí)碼信息包含有年、月、日、時(shí)、分、秒、UT1改正值和閏秒預(yù)告；5）BPM時(shí)碼采用在125 Hz的副載波上發(fā)送二—十進(jìn)制BCD碼方式。

對(duì)于BPM時(shí)碼產(chǎn)生器以及時(shí)碼接收機(jī)的研制，可充分采用微處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。利用微處理技術(shù)完成時(shí)碼信息的編碼以及解碼。BPM時(shí)碼產(chǎn)生器所產(chǎn)生的編碼信息應(yīng)按照時(shí)碼的格式要求來產(chǎn)生，該信息插入原BPM短波授時(shí)信號(hào)中，一起送往短波發(fā)射機(jī)，從而將時(shí)碼信息一起發(fā)播出去。

時(shí)碼接收機(jī)可分為兩類：通用型短波時(shí)碼接收機(jī)和專用型短波時(shí)碼接收機(jī)。通用型短波時(shí)碼接收機(jī)在接受信號(hào)過程中可手動(dòng)選頻，通過專用的解碼電路來實(shí)現(xiàn)用戶鐘面與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的同步，鐘面信息包含有年、月、日、時(shí)、分、秒等。專用型短波接收機(jī)在接收短波信號(hào)時(shí)，要能夠根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱、接收點(diǎn)與發(fā)射站的距離遠(yuǎn)近等因素實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選頻，利用微處理器等特殊電路將時(shí)碼信號(hào)與時(shí)號(hào)分離，并配有根據(jù)地理位置進(jìn)行時(shí)延自動(dòng)修正的算法和處理單元，以提高專用型短波接收機(jī)的定時(shí)精度。該專用接收機(jī)要求輸出短波時(shí)號(hào)和短波時(shí)碼兩路信號(hào)供使用者使用。時(shí)碼信號(hào)通過解碼電路實(shí)現(xiàn)與鐘面同步，鐘面顯示年、月、日、時(shí)、分、秒、UT1改正值和閏秒預(yù)告[3]。

由于采用以上總體設(shè)計(jì)方案，增加時(shí)碼后不會(huì)對(duì)原BPM短波用戶接收機(jī)正常使用產(chǎn)生任何影響；同時(shí)也不對(duì)原有發(fā)播系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，只要將時(shí)碼產(chǎn)生器生成的時(shí)碼輸出信號(hào)并入原BPM短波授時(shí)信號(hào)發(fā)播程序產(chǎn)生器的輸出信號(hào)中，就可實(shí)現(xiàn)BPM短波時(shí)碼授時(shí)發(fā)播功能。當(dāng)然，時(shí)碼產(chǎn)生器生成的時(shí)碼輸出信號(hào)應(yīng)受到發(fā)播控制系統(tǒng)UTC信號(hào)的精確控制。

2 BPM時(shí)碼格式

2.1 BPM時(shí)碼結(jié)構(gòu)

BPM時(shí)碼由時(shí)碼參考標(biāo)志和時(shí)碼序列組成。發(fā)播一個(gè)完整的BPM時(shí)碼所用的時(shí)間稱為時(shí)幀。BPM時(shí)碼采用1 min時(shí)幀，如圖1所示。

圖1 BPM時(shí)碼結(jié)構(gòu)圖

2.2 BPM時(shí)碼編碼構(gòu)成

BPM時(shí)碼是在125 Hz的副載波上發(fā)送二—十進(jìn)制BCD碼，時(shí)碼以每秒1bit的速度連續(xù)提供UTC時(shí)碼和DUT1數(shù)據(jù)信息，時(shí)碼脈沖起始沿滯后于BPMC（BPM短波授時(shí)發(fā)播的UTC（NTSC））時(shí)間信號(hào)脈沖起始時(shí)刻。時(shí)碼所承載的信息中包含年（公元年號(hào)后兩位）、月、日、時(shí)、分、閏秒預(yù)告、UT1改正值（DUT1精確到0.1 s）。

BPM時(shí)碼信息采用BCD加權(quán)的方式編碼，以二—十進(jìn)制BCD碼格式被傳送，這種格式用4個(gè)二進(jìn)制碼元（比特）代表一位十進(jìn)制數(shù)。這樣，二—十進(jìn)制數(shù)的加權(quán)值就是1-2-4-8，最小的有效位在前。

2.2.1 比特的構(gòu)成

BPM短波時(shí)碼信息中，比特通過125 Hz副載波進(jìn)行幅度調(diào)制產(chǎn)生。其中，200 ms脈沖（125 Hz頻率的25個(gè)周波）代表“0”比特，480 ms脈沖（125 Hz頻率的60個(gè)周波）代表“1”比特，每個(gè)比特的前沿可以作為準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)志。值得注意的是該時(shí)間標(biāo)志滯后于BPMC秒起始沿20 ms，由于BPMC信號(hào)比UTC（NTSC）提前20 ms，所以時(shí)碼每個(gè)比特脈沖的前沿與UTC（NTSC）同步。

2.2.2 BPM時(shí)碼發(fā)播順序（38比特時(shí)碼）

BPM短波時(shí)碼信息包含有38比特，其中，分（7個(gè)比特）、時(shí)（6個(gè)比特）、日（6個(gè)比特）、月（5個(gè)比特）、年（8個(gè)比特）、UT1改正符號(hào)及UT1改正值（5個(gè)比特）、閏秒預(yù)告（1個(gè)比特）。通過對(duì)這些比特位信息的準(zhǔn)確解碼就可以得到時(shí)碼信息中精確的時(shí)間信息，圖2為BPM短波時(shí)碼圖。

注：P0～P5定位標(biāo)志（0.800s寬）；W加權(quán)碼位（0.480s寬）；U未加權(quán)碼位和非加權(quán)控制碼元（0.200s寬）；時(shí)碼脈沖的起始點(diǎn)比UTC秒起始點(diǎn)遲后20ms；P0＋Pr為幀參考標(biāo)志（Pr空位）；A點(diǎn)UTC—2006年2月28日19:23；A點(diǎn)UT1—2006年2月28日19:23:0.5。

2.3 單個(gè)時(shí)碼比特

時(shí)碼幀以參考比特Pr和P0組成的一個(gè)幀參考標(biāo)記作為起始位，每秒發(fā)送一個(gè)比特。P0+Pr實(shí)現(xiàn)對(duì)鐘面秒清零，然后累計(jì)幀內(nèi)脈沖，用比特起始沿進(jìn)行秒的標(biāo)記。在時(shí)幀內(nèi)每10s發(fā)射一個(gè)持續(xù)0.8s的定位標(biāo)記（P1～P5）。

UT1改正值在50～54 s發(fā)送，在50 s發(fā)送的比特顯示UT1對(duì)UTC的改正是正或是負(fù)，如果發(fā)送“1”，UT1改正值是正的；如果發(fā)送“0”，UT1改正值是負(fù)的。在51～54s組成4bit的BCD碼顯示改正值的大小，按照國(guó)際電聯(lián)的規(guī)定，改正值范圍在±0.9s之內(nèi)。UT1的改正值以0.1s為單位，用0.1乘BCD碼組解碼值即可獲得改正值。

圖2顯示了時(shí)碼的一幀，6個(gè)定位脈沖稱為P0，P1，P2，P3，P4，P5。分、時(shí)、日、月、年和UT1位置用方括號(hào)標(biāo)出，并在二進(jìn)制數(shù)位的下面表明加權(quán)因子，寬脈沖表示二進(jìn)制數(shù)“1”，窄脈沖表示二進(jìn)制數(shù)“0”。保留不用的二進(jìn)制位同樣設(shè)置為“0”。表1為相應(yīng)于圖2的BPM時(shí)碼表。

表1 相應(yīng)于圖2的BPM時(shí)碼表

注：1）表中時(shí)碼信息表示2006年2月28日19:23:00UT1－UTC＝0.5 s，無閏秒；2）時(shí)碼比特起始點(diǎn)遲后UTC秒起始點(diǎn)20 ms；3）P0＋Pr組成時(shí)碼標(biāo)志；4）P0～P5定位標(biāo)志，寬度為800 ms；5）碼元1寬度為480 ms；6）碼元0寬度為200 ms；7）UT1符號(hào)：碼1為正，碼0為負(fù)；8）閏秒預(yù)告：碼1閏秒，碼0不閏；9）時(shí)碼采用125 Hz副載波振幅調(diào)制。

3 BPM時(shí)碼解碼

圖2所示為BPM時(shí)碼中1 min時(shí)幀的一個(gè)例子，通過對(duì)該時(shí)碼信息的分析可以說明時(shí)碼信息的一個(gè)基本解碼方法。首先，P0+Pr表示幀參考標(biāo)志位，時(shí)碼分對(duì)應(yīng)的7 bit中前4位脈寬分別為0.48，0.48，0.2，0.2 s，根據(jù)BPM時(shí)碼中比特的構(gòu)成可知這4個(gè)比特分別表示“1”，“1”，“0”，“0”，根據(jù)同樣的方法可知分信息的后3個(gè)比特分別為“0”，“1”，“0”。根據(jù)BPM時(shí)碼的編碼方式可以得到前4位的加權(quán)值分別為1-2-4-8，后3位的加權(quán)值為10-20-40。因此，分信息可以解算為：1×1＋1×2＋0×4＋0×8＋0×0＋1×0＋0×40＝23，也就是分信息解碼出來后表示23分。根據(jù)同樣的方法可以得到小時(shí)、日、月、年以及UT1修正值和閏秒預(yù)告的時(shí)碼信息。

通過以上的解碼分析可以知道圖2所表示的時(shí)間信息解碼后為：UTC時(shí)間＝2006年2月28日19:23，DUT1為＋0.5 s，無閏秒。

4 BPM時(shí)碼發(fā)播的時(shí)間段

圖3為每個(gè)小時(shí)內(nèi)的BPM發(fā)播時(shí)間圖，其中-00:00～-10:00，-15:00～-25:00，-30:00～-40:00，-45:00～-55:00這4個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)送UTC和時(shí)碼的信息。-25:00～-30:00，-55:00～-00:00這2個(gè)時(shí)間段發(fā)送UT1和呼號(hào)。-10:00～-15:00，-40:00～-45:00這2個(gè)時(shí)間段是無調(diào)制載波時(shí)段。短波用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要在不同的時(shí)間段接收不同的時(shí)間信息。

圖3 BPM發(fā)播時(shí)間圖

5 結(jié)語

本文主要介紹了BPM短波時(shí)碼授時(shí)技術(shù)的總體設(shè)計(jì)方案，給出了BPM的時(shí)碼格式，分析了BPM時(shí)碼的編碼方式，并且對(duì)單個(gè)時(shí)碼比特以列表的形式作了詳細(xì)的說明。此外，在BPM編碼的解碼方法方面，以具體例子給出了解碼過程。目前，已在BPM短波授時(shí)5MHz發(fā)播頻率增加了短波時(shí)碼，由于發(fā)播一個(gè)完整的時(shí)碼程序需要1min，加之電磁環(huán)境越來越差，短波信號(hào)在外場(chǎng)中一般不太穩(wěn)定，時(shí)間過長(zhǎng)易受到干擾。因此，除時(shí)碼接收機(jī)需采用一定抗干擾技術(shù)措施外，需要不斷探討和采用新的時(shí)碼調(diào)制方式，以進(jìn)一步提高時(shí)碼信號(hào)傳輸和解碼可靠性。

[1] International Telecommunication Union. Rec. ITU-R TF.583-5[Z]. [S. L.]: International Telecommunication Union, 2001.

[2] National Institute of Standards and Technology. WWV/WWVH time code format[Z]. Switzerland: National Institute of Standards and Technology, 2002.

[3] 漆貫榮. 時(shí)間科學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

Dissemination scheme of BPM shortwave time code time-service

MENG Zhi-mou

( National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China )

It is necessary to add short wave time codes to the original BPM short wave time service program for keeping up with rapid development of time-frequency technology, improving the service ability of BPM short wave time-service dissemination system, and expanding the user area in shortwave time service. The general design scheme of BPM time code time-service dissemination, BPM time code format and decoding process are introduced in this paper.

time service; time dissemination; BPM time-code

P127.1

A

1674-0637(2014)03-0145-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-03-0145-06

2013-11-14

中國(guó)科學(xué)院大科學(xué)裝置改造項(xiàng)目

蒙智謀，男，高級(jí)工程師，主要從事短波授時(shí)方法與技術(shù)研究。