郭彤旭

【摘要】 以某廣播電臺時鐘系統(tǒng)為例，分析了當前常見的兩種時鐘系統(tǒng)模型的利弊，由此設計一種基于分布特征的層級式時鐘系統(tǒng)，介紹了其設計原理、系統(tǒng)構成、設備性能，并且對技術可靠性進行了理論分析。

【關鍵詞】電臺時鐘系統(tǒng) 分布式 層級式 穩(wěn)定性分析

一.引言

廣播電臺時鐘系統(tǒng)是一個大型通信計時系統(tǒng)，用以實現(xiàn)電臺內(nèi)部相關系統(tǒng)之間的時間信號統(tǒng)一，便于臺內(nèi)播出鏈路的所有環(huán)節(jié)在同一時間下準確無誤地工作；同時使臺內(nèi)編播工作人員時刻掌握標準的時間信息，為臺內(nèi)各個職能部門之間有機的配合工作提供準確、統(tǒng)一的時間依據(jù)，確保電臺各種相關業(yè)務部門的高速有效運轉(zhuǎn)。以某廣播電臺時鐘系統(tǒng)為例，簡要介紹了其設計原理、系統(tǒng)構成、設備性能及技術可靠性。

二.時鐘系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構

時鐘網(wǎng)絡拓撲結(jié)構可以大致分為分布式和層級式。如圖1所示，在層級式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構中，各個時鐘節(jié)點目錄深度的不同表示它們之間的主從邏輯關系，即底層時鐘單方向接收上一層時鐘的信號命令；而在分布式始終的拓撲結(jié)構中，各層相同目錄深度的時鐘節(jié)點地位是彼此等價的。

層級式時鐘的同步方法是將所有時鐘信息和數(shù)值計算全部集中在以母鐘為中心的節(jié)點上，除了母鐘以外的任何時鐘節(jié)點之間沒有信息的傳遞，只能通過與中心母鐘的時間信息交互才能達到整體時鐘網(wǎng)絡的同步。因為中心母鐘節(jié)點承擔了大量的數(shù)值計算任務，所以整個時鐘網(wǎng)絡的同步性能會因此降低。除此以外，若中心母鐘由于設備物理故障或是軟件攻擊，整個時鐘網(wǎng)絡系統(tǒng)都會由此引發(fā)同步失效。

分布式時鐘系統(tǒng)的拓撲結(jié)構中的每個時鐘節(jié)點都彼此獨立，如圖2所示。因為沒有設立關鍵節(jié)點，所以可以消除分布式時鐘系統(tǒng)內(nèi)因中心母鐘時鐘節(jié)點失效所引發(fā)的整體系統(tǒng)同步失敗的缺點。并且分布式時鐘系統(tǒng)在計算中只需參考相鄰時鐘節(jié)點所交互的時鐘信息即可，因此減少了在各個節(jié)點之間的通信工作量。

三.基于分布特性的層級式時鐘系統(tǒng)

1.系統(tǒng)原理

電臺原時鐘系統(tǒng)由主備兩套母鐘系統(tǒng)以及一個母鐘切換器構成，在結(jié)構上屬于典型的層級式時鐘系統(tǒng)。原系統(tǒng)雖然使用四個GPS接收機作為時鐘源，但仍然匯總為兩個母鐘，并進一步將兩組時鐘源交匯到唯一一臺母鐘切換器上。這樣無疑增加了此中樞節(jié)點所承擔的故障風險，若此母鐘切換器節(jié)點出現(xiàn)因硬件等不確定性因素導致的問題時，整個時鐘系統(tǒng)將面臨崩潰，由此引發(fā)的播出安全隱患不堪設想。

本文在當前時鐘系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構的基礎上，致力于討論一種基于分布式特征的層級式時鐘系統(tǒng)。本系統(tǒng)由四套母鐘系統(tǒng)、GPS時碼接收系統(tǒng)、銣原子鐘、兩個母鐘切換器、時鐘信號轉(zhuǎn)換分配設備等子系統(tǒng)構成。在原有時鐘系統(tǒng)基礎上對母鐘以及母鐘切換器進行信號流拆分，將主、備路時鐘信號中原本對應一臺母鐘的兩路GPS時鐘源信號分別對應四個獨立的母鐘。

使用銣原子鐘為母鐘1提供頻率基準以確保時鐘的自運行精度，并將四個母鐘進行橫向串聯(lián)以保證部分GPS接收機出現(xiàn)故障時四個母鐘的信號仍能夠保持同步。進而將四組由各自母鐘所輸出的RS422、EBU、SZ信號分別交由兩臺母鐘切換器進行應急切換處理，并將兩臺切換器所輸出的三種時間信號分別傳輸至臺內(nèi)各個編播系統(tǒng)，為技術區(qū)的機房子鐘、六響報時和語言報時信號、自動化播出系統(tǒng)以及全臺行政辦公區(qū)提供標準時碼信號。具體設備連接如圖3所示。

2.GPS衛(wèi)星同步鐘

本時鐘系統(tǒng)所使用的ST3100H型GPS衛(wèi)星同步鐘自動接收美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的標準時間，對GPS接收模塊輸出的數(shù)據(jù)進行過濾、分析，形成標準的串行時碼，從而輸出準確的北京時間。輸出信號中同時攜帶GPS模塊跟蹤狀態(tài)信息，供時鐘監(jiān)控計算機使用，可以方便地獲得GPS設備的工作狀況。

ST3100H型GPS衛(wèi)星同步鐘由天線及天線放大器、1U設備機箱構成。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加以放大，經(jīng)專用電纜接進設備機箱內(nèi)的GPS接收模塊。本系統(tǒng)的原理圖如下圖所示：

機箱內(nèi)的時碼處理模塊由高性能單片機、不停電時鐘、驅(qū)動電路等構成，對GPS接收模塊輸出的數(shù)據(jù)進行過濾、分析，形成標準的串行時碼輸出。后一級的信號轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生輸出SZ、RS232、RS485/RS422、1pps等不同格式的日期時間碼。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），第二行顯示時間。除了正常的時間顯示外，前面板顯示屏還具有跟蹤狀態(tài)指示，設備的跟蹤情況一目了然。同時還指示與衛(wèi)星鎖定與否的狀態(tài)。

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

本系統(tǒng)所使用的RS485/422接口日期時間碼可有效傳輸1000米以上，波特率為9600bps，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無校驗。每次共12個字，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、分、秒、結(jié)束字03H。

3.中心母鐘

ST6102D型中心母鐘系本時鐘系統(tǒng)的核心，為子鐘、播出系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、提供精確的時間同步。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，均可長期獨立運行，輸出可自動切換；它具備兩路標準時間信號輸入接口，自動校準于北京時間，以消除積累誤差。endprint

母鐘內(nèi)的SYN同步切換模塊負責對主GPS：S1和備GPS：S2兩路信號的監(jiān)測判斷和輸出切換。切換可自動亦可手動。輸出信號用于同步GS2高穩(wěn)時鐘模塊。主路S1和備路S201202005兩路信號輸入本模塊后，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后分別送入單片機I和單片機II，由軟件各自判斷其正確性及前后秒的相關性，正確則開通控制開關，最后經(jīng)二選一開關選擇一路輸出。工作原理如圖5所示。

GS2高穩(wěn)時鐘模塊作為時鐘控制系統(tǒng)的核心工作鐘，內(nèi)部自備高穩(wěn)定度的恒溫晶振，并設有外頻標輸入接口，可以接入穩(wěn)定度更高的銣原子振蕩信號。這樣，既使校準源校時信號中斷，高穩(wěn)時鐘模塊仍能以很高的穩(wěn)定度維持運行。該模塊含有電池供電的實時時鐘芯片，時間信息可保存10年以上，使設備剛上電即有較為準確的時間輸出。模塊工作的5MHz基準信號，來自于內(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)部電路自動切換選擇。模塊前面板的“EXT_REF”指示燈表示外頻率基準信號，若外接5MHz信號有效，該燈點亮。5MHz信號經(jīng)整形電路放大，送分頻網(wǎng)絡電路處理，產(chǎn)生標準1Hz信號，即秒脈沖。單片機對秒脈沖計數(shù)并換算成時間。時碼緊隨秒脈沖串行輸出，形成完整的串行時間碼。

外部輸入的校準時間碼被單片機讀入，經(jīng)判斷認為正確之后，讀入時間碼校準GS2高穩(wěn)時鐘，并同步分頻網(wǎng)絡，使本地時鐘的相位同步于校準源。為避免秒信號的抖動，保持其高穩(wěn)特性，如果高穩(wěn)時鐘模塊已經(jīng)與外部校準信號完成同步，內(nèi)部程序?qū)⒖刂圃撃K不再讀取時間碼，而只保持秒相位的鎖定同步。此時如果向下按壓“設置”開關，則強制高穩(wěn)模塊讀取外部時間編碼，校正時鐘數(shù)據(jù)。前面板“自運行”指示燈提示外來同步校準信號的通路是否被接通。點亮時通路被切斷，本模塊保持原有相位并以5MHz頻率基準信號獨立運行。

ST6102D型中心母鐘5MHz頻率信號入口，當采用外頻率基準有效時，高穩(wěn)時鐘模塊的前面板指示燈點亮。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、分、秒信息，并將2路高穩(wěn)時鐘信號、輸出切換信號經(jīng)綜合電纜匯集到JM422中心接口，最終提供給監(jiān)控計算機進行24小時連續(xù)不斷的記錄。

以下是ST6102的主要性能指標和參數(shù)：

（1）主、備路GPS標準時間信號輸入：

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

（2）標準頻率輸入：

5MHz，與內(nèi)頻率信號自動切換。

（3）SYN同步切換模塊

切換方式：自動或手動，自動方式不斷碼

（4）高穩(wěn)時鐘模塊：

頻率穩(wěn)定度：

晶振頻率：5MHz

（5）輸出切換模塊：

切換方式：自動/手動，自動方式不斷碼

（6）輸出信號：

RS422：3路，與主、備路輸入信號相同

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)含國際先進的銣原子振蕩器，經(jīng)由分頻控制電路，提供4路5MHz高穩(wěn)定度的頻標信號輸出，可直接接入ST6102中心母鐘，為之提供頻率基準，確保時鐘的自運行精度。

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)部超精細躍遷頻率（6834.68750MHz）作為標準頻率，控制壓控晶體振蕩器的振蕩頻率，從而輸出準確、穩(wěn)定的10MHZ頻率。10MHz信號經(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。

四.分布特性層級式時鐘系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

1.時鐘同步協(xié)議設計

根據(jù)圖3所示的四母鐘時鐘系統(tǒng)的拓撲結(jié)構可以變形為圖6所示，記所有邊的權值為1，其中母鐘1為參考節(jié)點，其他三個母鐘節(jié)點為備路學習時鐘。

五.總結(jié)

本文經(jīng)過分析常用時鐘系統(tǒng)中典型的層級式和分布式的優(yōu)缺點，設計了一種針對廣播電臺的基于分布特征的層級式時鐘系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過對四個平行的GPS母鐘進行分布式的結(jié)構排列，以保證后級切換器所輸出的各路時鐘信號在切換時不會出現(xiàn)時間差。并通過使用仿真系統(tǒng)的信號模擬驗證了本時鐘系統(tǒng)的協(xié)同性，以保證電臺內(nèi)播出鏈路的所有環(huán)節(jié)運轉(zhuǎn)準確無誤，以及臺內(nèi)部相關系統(tǒng)之間的時

間信號統(tǒng)一。B&Pendprint