FPGA實(shí)現(xiàn)IRIG-B(DC)碼編碼和解碼的設(shè)計(jì)

IRIG (Inter Range Instrumentation Group)起源于軍隊(duì)靶場(chǎng)的時(shí)間同步，靶場(chǎng)中的時(shí)間系統(tǒng)為衛(wèi)星或航天器發(fā)射、常規(guī)武器試驗(yàn)、測(cè)控系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用于時(shí)間信息傳輸系統(tǒng)中。在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)距離B碼發(fā)生器的遠(yuǎn)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(dāng)傳輸距離比較遠(yuǎn)時(shí)采用AC碼，當(dāng)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(tǒng)設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)注入了新的生機(jī)，為整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的從設(shè)備分配相干的工作時(shí)鐘，從而確保從設(shè)備具有同源相干的時(shí)鐘基準(zhǔn)。系統(tǒng)時(shí)鐘送出時(shí)間信號(hào)，FPGA對(duì)接收到的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行編制，并且生成與GPS輸出信號(hào)1 pps精確同步的B碼信號(hào)。而解碼系統(tǒng)是FPGA對(duì)B碼格式信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，產(chǎn)生出所需的絕對(duì)時(shí)間和各種控制信號(hào)，提供給測(cè)量設(shè)備。對(duì)時(shí)統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行高度集成，實(shí)現(xiàn)時(shí)統(tǒng)設(shè)備大規(guī)模、高速度、低成本、低開(kāi)發(fā)費(fèi)用、設(shè)計(jì)周期短、電路簡(jiǎn)單、易于調(diào)試和可靠性高的目標(biāo)，是時(shí)統(tǒng)設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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(shí)別標(biāo)志P，二進(jìn)制“1”和“0”，脈寬分別為8ms、5ms和2 ms。位置識(shí)別標(biāo)志P0的前沿在幀參考點(diǎn)前一個(gè)索引計(jì)數(shù)間隔處，以后每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識(shí)別標(biāo)志，分別為P1、P2、……、p9、P0，PR為幀參考點(diǎn)。脈沖信號(hào)如圖1所示。

一個(gè)時(shí)間格式幀從幀參考標(biāo)志開(kāi)始，由相鄰兩個(gè)幀參考標(biāo)志之間的碼元組成，每個(gè)時(shí)幀的準(zhǔn)時(shí)為該時(shí)幀參考標(biāo)志的前沿。如果連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)8 ms的位置識(shí)別標(biāo)志，則該時(shí)幀的開(kāi)始是位于第2個(gè)8ms的位置識(shí)別標(biāo)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(shù)信息，即從1月1日開(kāi)始計(jì)算的年積日，所以在第5個(gè)字段結(jié)束后時(shí)間信號(hào)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(biāo)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(jiān)測(cè)信息，方便后端用戶(hù)進(jìn)行使用。
FPGA對(duì)B碼的編碼和解碼時(shí)根據(jù)其格式和原理使用計(jì)數(shù)器和狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中會(huì)涉及到多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，這些時(shí)鐘信號(hào)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(hào)，即天、時(shí)、分、秒信號(hào)。

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

圖2中，F(xiàn)PGA對(duì)IRIG-B碼的編碼主要由兩個(gè)模塊構(gòu)成，一個(gè)為時(shí)鐘分頻模塊，另一個(gè)為數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)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(dāng)GPS產(chǎn)生1個(gè)pps_in信號(hào)后，時(shí)間信號(hào)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(hào)精確同步，所以IRIG-B碼的準(zhǔn)時(shí)位置應(yīng)對(duì)準(zhǔn)GPS模塊發(fā)出的1 pps信號(hào)上升沿。B碼編碼的狀態(tài)機(jī)流程圖如圖3所示。