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关键词:电台时钟系统 - 分布式 - 层级式 - 稳定性分析
相关期刊:201706

【摘要】以某广播电台时钟系统为例,分析了当前常见的两种时钟系统模型的利弊,由此设计一种基于分布特征的层级式时钟系统,介绍了其设计原理、系统构成、设备性能,并……

基于分布特征的层级式时钟系统在广播电 台的分析与应用

2017-06-05   传播与制作  郭彤旭 中央人民广播电台  


  【摘要】 以某广播电台时钟系统为例,分析了当前常见的两种时钟系统模型的利弊,由此设计一种基于分布特征的层级式时钟系统,介绍了其设计原理、系统构成、设备性能,并且对技术可靠性进行了理论分析。

  【关键词】 电台时钟系统  分布式  层级式  稳定性分析

一.引言

  广播电台时钟系统是一个大型通信计时系统,用以实现电台内部相关系统之间的时间信号统一,便于台内播出链路的所有环节在同一时间下准确无误地工作;同时使台内编播工作人员时刻掌握标准的时间信息,为台内各个职能部门之间有机的配合工作提供准确、统一的时间依据,确保电台各种相关业务部门的高速有效运转。以某广播电台时钟系统为例,简要介绍了其设计原理、系统构成、设备性能及技术可靠性。

二.时钟系统网络结构

  时钟网络拓扑结构可以大致分为分布式和层级式。如图1所示,在层级式的网络拓扑结构中,各个时钟节点目录深度的不同表示它们之间的主从逻辑关系,即底层时钟单方向接收上一层时钟的信号命令;而在分布式始终的拓扑结构中,各层相同目录深度的时钟节点地位是彼此等价的。

图1层级式时钟网络结构

  层级式时钟的同步方法是将所有时钟信息和数值计算全部集中在以母钟为中心的节点上,除了母钟以外的任何时钟节点之间没有信息的传递,只能通过与中心母钟的时间信息交互才能达到整体时钟网络的同步。因为中心母钟节点承担了大量的数值计算任务,所以整个时钟网络的同步性能会因此降低。除此以外,若中心母钟由于设备物理故障或是软件攻击,整个时钟网络系统都会由此引发同步失效。

  分布式时钟系统的拓扑结构中的每个时钟节点都彼此独立,如图2所示。因为没有设立关键节点,所以可以消除分布式时钟系统内因中心母钟时钟节点失效所引发的整体系统同步失败的缺点。并且分布式时钟系统在计算中只需参考相邻时钟节点所交互的时钟信息即可,因此减少了在各个节点之间的通信工作量。

图2分布式时钟网络结构

三.基于分布特性的层级式时钟系统

  1.系统原理

  电台原时钟系统由主备两套母钟系统以及一个母钟切换器构成,在结构上属于典型的层级式时钟系统。原系统虽然使用四个GPS接收机作为时钟源,但仍然汇总为两个母钟,并进一步将两组时钟源交汇到唯一一台母钟切换器上。这样无疑增加了此中枢节点所承担的故障风险,若此母钟切换器节点出现因硬件等不确定性因素导致的问题时,整个时钟系统将面临崩溃,由此引发的播出安全隐患不堪设想。

  本文在当前时钟系统网络结构的基础上,致力于讨论一种基于分布式特征的层级式时钟系统。本系统由四套母钟系统、GPS时码接收系统、铷原子钟、两个母钟切换器、时钟信号转换分配设备等子系统构成。在原有时钟系统基础上对母钟以及母钟切换器进行信号流拆分,将主、备路时钟信号中原本对应一台母钟的两路GPS时钟源信号分别对应四个独立的母钟。

  使用铷原子钟为母钟1提供频率基准以确保时钟的自运行精度,并将四个母钟进行横向串联以保证部分GPS接收机出现故障时四个母钟的信号仍能够保持同步。进而将四组由各自母钟所输出的RS422、EBU、SZ信号分别交由两台母钟切换器进行应急切换处理,并将两台切换器所输出的三种时间信号分别传输至台内各个编播系统,为技术区的机房子钟、六响报时和语言报时信号、自动化播出系统以及全台行政办公区提供标准时码信号。具体设备连接如图3所示。

图3基于分布特征的层级式时钟系统图

2.GPS卫星同步钟

  本时钟系统所使用的ST3100H型GPS卫星同步钟自动接收美国全球卫星定位系统GPS的标准时间,对GPS接收模块输出的数据进行过滤、分析,形成标准的串行时码,从而输出准确的北京时间。输出信号中同时携带GPS模块跟踪状态信息,供时钟监控计算机使用,可以方便地获得GPS设备的工作状况。

  ST3100H型GPS卫星同步钟由天线及天线放大器、1U设备机箱构成。室外天线内部所装的天线放大器将天线所收到的分米波信号加以放大,经专用电缆接进设备机箱内的GPS接收模块。本系统的原理图如下图所示:

图4GPS卫星同步中原理图

  机箱内的时码处理模块由高性能单片机、不停电时钟、驱动电路等构成,对GPS接收模块输出的数据进行过滤、分析,形成标准的串行时码输出。后一级的信号转换模块产生输出SZ、RS232、RS485/RS422、1pps等不同格式的日期时间码。ST3100型GPS卫星同步钟前面板具有低压荧光屏VFD显示日期时间,第一行显示日历,依次为年(4位),月(2位),日(2位)和星期(1位),第二行显示时间。除了正常的时间显示外,前面板显示屏还具有跟踪状态指示,设备的跟踪情况一目了然。同时还指示与卫星锁定与否的状态。

  ST3100H型GPS卫星同步钟的信号同步定时精度可以达到1μs,天线馈线长度为 100米。采用RS422/RS485、SZ时码以及1pps三种输出信号格式,其中RS422/RS485在用,SZ时码和1pps在本系统中为预留接口。

  本系统所使用的RS485/422接口日期时间码可有效传输1000米以上,波特率为9600bps,8位数据,1位停止位,无校验。每次共12个字,依次为同步字(AA)、状态字1、状态字2、年1、年2、月、日、星期、时、分、秒、结束字03H。

  3.中心母钟

  ST6102D型中心母钟系本时钟系统的核心,为子钟、播出系统、自动控制系统、提供精确的时间同步。每套ST6102D型中心母钟它包括一主一备两套高稳定度的工作钟模块,均可长期独立运行,输出可自动切换;它具备两路标准时间信号输入接口,自动校准于北京时间,以消除积累误差。

  母钟内的SYN同步切换模块负责对主GPS:S1和备GPS:S2两路信号的监测判断和输出切换。切换可自动亦可手动。输出信号用于同步GS2高稳时钟模块。主路S1和备路S201202005两路信号输入本模块后,经电平转换后分别送入单片机I和单片机II,由软件各自判断其正确性及前后秒的相关性,正确则开通控制开关,最后经二选一开关选择一路输出。工作原理如图5所示。

图5中心母钟原理图

  GS2高稳时钟模块作为时钟控制系统的核心工作钟,内部自备高稳定度的恒温晶振,并设有外频标输入接口,可以接入稳定度更高的铷原子振荡信号。这样,既使校准源校时信号中断,高稳时钟模块仍能以很高的稳定度维持运行。该模块含有电池供电的实时时钟芯片,时间信息可保存10年以上,使设备刚上电即有较为准确的时间输出。模块工作的5MHz基准信号,来自于内部的恒温晶振或者外接的铷原子钟,以后者为主选,由内部电路自动切换选择。模块前面板的“EXT_REF”指示灯表示外频率基准信号,若外接5MHz信号有效,该灯点亮。5MHz信号经整形电路放大,送分频网络电路处理,产生标准1Hz信号,即秒脉冲。单片机对秒脉冲计数并换算成时间。时码紧随秒脉冲串行输出,形成完整的串行时间码。

  外部输入的校准时间码被单片机读入,经判断认为正确之后,读入时间码校准GS2高稳时钟,并同步分频网络,使本地时钟的相位同步于校准源。为避免秒信号的抖动,保持其高稳特性,如果高稳时钟模块已经与外部校准信号完成同步,内部程序将控制该模块不再读取时间码,而只保持秒相位的锁定同步。此时如果向下按压“设置”开关,则强制高稳模块读取外部时间编码,校正时钟数据。前面板“自运行”指示灯提示外来同步校准信号的通路是否被接通。点亮时通路被切断,本模块保持原有相位并以5MHz频率基准信号独立运行。

  ST6102D型中心母钟5MHz频率信号入口,当采用外频率基准有效时,高稳时钟模块的前面板指示灯点亮。中心母钟可以提供RS232/422、SZ、1PPS等多种接口,提供年、月、日、星期、时、分、秒信息,并将2路高稳时钟信号、输出切换信号经综合电缆汇集到JM422中心接口,最终提供给监控计算机进行24小时连续不断的记录。

  以下是ST6102的主要性能指标和参数:

  1) 主、备路GPS标准时间信号输入:

  RS422接口,波特率9600bps,8位数据,1位停止位,无校验。每秒发送一次,共12个字节,依次为同步字(16进制AAH)、状态字1、状态字2、百年、年、月、日、星期、时、分、秒、03H(其中与时间有关的字节采用BCD码)。

  2) 标准频率输入:

  5MHz,与内频率信号自动切换。

  3)  SYN同步切换模块

  切换方式:自动或手动,自动方式不断码

  4) 高稳时钟模块:

  频率稳定度:

  晶振频率:5MHz

  5) 输出切换模块:

  切换方式:自动/手动,自动方式不断码

  6) 输出信号:

  RS422:3路,与主、备路输入信号相同

  1pps:正脉冲,宽度大于100ms

  5MHz:方波,TTL电平

  4.铷原子钟

  STRU4铷原子钟内含国际先进的铷原子振荡器,经由分频控制电路,提供4路5MHz高稳定度的频标信号输出,可直接接入ST6102中心母钟,为之提供频率基准,确保时钟的自运行精度。

  STRU4铷原子钟包含铷原子振荡器、分频电路、指示电路、电源电路等部分。

  铷原子振荡器是以铷原子内部超精细跃迁频率(6834.68750MHz)作为标准频率,控制压控晶体振荡器的振荡频率,从而输出准确、稳定的10MHZ频率。10MHz信号经隔离电路、分频分配电路,输出互相隔离的4路5MHz频率信号。

表格1铷原子钟技术指标

四.分布特性层级式时钟系统的稳定性分析

  1.时钟同步协议设计

  将本时钟系统含有4个母钟节点,其中母钟1为参考时钟,其它的三个母钟为备路学习时钟。因为这三个备路时钟是无向连通的且都能够连接到母钟1,所以本时钟系统是连通的。定义一个矩阵为参考母钟1的邻接矩阵,其对角元素为. 如果节点0与节点邻接,则,否则.

  如果网络群体系统对于任意均有

 

  则称具有参考母钟的网络时钟系统实现了同步。由(1)、(2)式可以得出时钟同步协议:

  其中为有参考母钟情况下的网络时钟系统同步协议,为备路学习时钟的GPS读数,为参考母钟1的GPS读数。

  记利用协议(3)式,网络时钟系统可以表示成为:

  其中为时钟系统的拉皮拉斯矩阵,

  2.稳定性分析

  针对本分布特性层级式时钟系统,如果有对称正定矩阵,使得

  则时钟网络系统(3)式可以实现针对参考母钟系统的时钟同步协议控制。

  为系统(3)式定义一个Lyapunov函数:

  其中为正定矩阵。计算V(t)的导数为:

  则含有参考母钟的时钟网络系统能够实现同步。

  根据图3所示的四母钟时钟系统的拓扑结构可以变形为图6所示,记所有边的权值为1,其中母钟1为参考节点,其他三个母钟节点为备路学习时钟。

图6四中心母钟拓扑图

  根据(3)式可以给出含有参考母钟的时钟网络系统的状态序列,模拟运行5000s,记最大步长为。有图7是仿真前50秒的结果,三个备路学习时钟最终与参考母钟实现了协同。

图7四中心母钟协同仿真结果

五.总结

 

  本文经过分析常用时钟系统中典型的层级式和分布式的优缺点,设计了一种针对广播电台的基于分布特征的层级式时钟系统。本系统通过对四个平行的GPS母钟进行分布式的结构排列,以保证后级切换器所输出的各路时钟信号在切换时不会出现时间差。并通过使用仿真系统的信号模拟验证了本时钟系统的协同性,以保证电台内播出链路的所有环节运转准确无误,以及台内部相关系统之间的时间信号统一。

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