FPGA實(shí)現IRIG-B(DC)碼編碼和解碼的設計

IRIG (Inter Range Instrumentation Group)起源于軍隊靶場(chǎng)的時(shí)間同步，靶場(chǎng)中的時(shí)間系統為衛星或航天器發(fā)射、常規武器試驗、測控系統提供標準時(shí)間。IBIG-B時(shí)間碼(簡(jiǎn)稱(chēng)B碼)就是由IRIG所屬的TCG(Telecommunication Group)制訂的一種串行時(shí)間碼，被廣泛應用于時(shí)間信息傳輸系統中。在實(shí)際的應用中，根據距離B碼發(fā)生器的遠近及不同時(shí)間精度的要求，B碼在實(shí)際傳輸中采用了兩種碼型AC碼(交流碼)和DC碼(直流碼)。當傳輸距離比較遠時(shí)采用AC碼，當傳輸距離近時(shí)則采用DC碼。在本文中只涉及DC碼。
FPGA為時(shí)碼技術(shù)、時(shí)統設備的研制與開(kāi)發(fā)注入了新的生機，為整個(gè)系統內的從設備分配相干的工作時(shí)鐘，從而確保從設備具有同源相干的時(shí)鐘基準。系統時(shí)鐘送出時(shí)間信號，FPGA對接收到的時(shí)間信號進(jìn)行編制，并且生成與GPS輸出信號1 pps精確同步的B碼信號。而解碼系統是FPGA對B碼格式信號進(jìn)行解調，產(chǎn)生出所需的絕對時(shí)間和各種控制信號，提供給測量設備。對時(shí)統設備進(jìn)行高度集成，實(shí)現時(shí)統設備大規模、高速度、低成本、低開(kāi)發(fā)費用、設計周期短、電路簡(jiǎn)單、易于調試和可靠性高的目標，是時(shí)統設備發(fā)展的必然趨勢。

1 IRIG-B碼格式與原理
IRIG-B碼的時(shí)幀周期是1 s，包含100個(gè)碼元，每個(gè)碼元周期為10ms，即B碼的碼元速率為100 pps。B碼有3種碼元，位置識別標志P，二進(jìn)制“1”和“0”，脈寬分別為8ms、5ms和2 ms。位置識別標志P0的前沿在幀參考點(diǎn)前一個(gè)索引計數間隔處，以后每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識別標志，分別為P1、P2、……、p9、P0，PR為幀參考點(diǎn)。脈沖信號如圖1所示。

一個(gè)時(shí)間格式幀從幀參考標志開(kāi)始，由相鄰兩個(gè)幀參考標志之間的碼元組成，每個(gè)時(shí)幀的準時(shí)為該時(shí)幀參考標志的前沿。如果連續出現兩個(gè)8 ms的位置識別標志，則該時(shí)幀的開(kāi)始是位于第2個(gè)8ms的位置識別標志前沿。
IRIG-B碼中第1個(gè)字段(PR～P1)傳送的是秒信息，第2個(gè)字段(P1～P2)傳送的是分信息，第3個(gè)字段(P2～P3)傳送的是時(shí)信息，第4、5個(gè)字段(P3～P5)傳送的是天數信息，即從1月1日開(kāi)始計算的年積日，所以在第5個(gè)字段結束后時(shí)間信號已經(jīng)解析并保存在寄存器中。另外，在第8個(gè)字和第10個(gè)字中分別有3位表示上站和分站的特標控制碼元。不僅包含豐富的時(shí)間信息，也包含必要的控制信息和監測信息，方便后端用戶(hù)進(jìn)行使用。
FPGA對B碼的編碼和解碼時(shí)根據其格式和原理使用計數器和狀態(tài)機來(lái)實(shí)現，其中會(huì )涉及到多個(gè)時(shí)鐘信號，這些時(shí)鐘信號都是由FPGA外部晶振40 MHz的時(shí)鐘分頻而來(lái)。編碼時(shí)鐘為5 MHz；解碼的時(shí)鐘有10 kHz、10 MHz，同時(shí)會(huì )輸出時(shí)間信號，即天、時(shí)、分、秒信號。

2 IRIG-B碼編碼
時(shí)間模塊由CPU進(jìn)行處理，提取系統的時(shí)間信號，即秒信號sec_bcd[7．．0]，分信號min_bcd[7．．0]，時(shí)信號hour_bcd[6．．0]，天信號day_bcd[10．．0]，為FPGA的輸入信號，這些輸入信號都是并行信號，并且是BCD碼。GPS模塊為編碼系統提供1 pps信號上升沿，即秒同步信號，也作為FPGA的輸入信號。IRIG-B碼編碼的寄存器傳輸級(RTL)視圖如圖2所示。

圖2中，FPGA對IRIG-B碼的編碼主要由兩個(gè)模塊構成，一個(gè)為時(shí)鐘分頻模塊，另一個(gè)為數據處理模塊。系統的晶振時(shí)鐘為40 MHz，通過(guò)分頻，采用5 MHz的時(shí)鐘，所以此處的誤差最大為200ns。當GPS產(chǎn)生1個(gè)pps_in信號后，時(shí)間信號同時(shí)進(jìn)入FPGA。為了產(chǎn)生的IRIG-B碼和GPS產(chǎn)生的pps_in信號精確同步，所以IRIG-B碼的準時(shí)位置應對準GPS模塊發(fā)出的1 pps信號上升沿。B碼編碼的狀態(tài)機流程圖如圖3所示。