摘? 要: 介紹了無線控制" title="無線控制">無線控制授時技術(RCT)的背景、RCT發射機及接收機技術原理、RCT編碼技術以及RCT技術目前在各國的應用情況。給出了RCT接收機的硬件功能框圖及軟件流程圖,展望了RCT技術在我國的應用前景。
關鍵詞： 無線控制授時? BPC? WWVB? MSF? DFC? JJY
?
1 無線控制授時RCT(Radio Controlled
Technology)技術的應用背景及目前各國的技術標準和應用情況正確的時間在人們日常生活中是不可或缺的。隨著微處理器在家用電器、工業產品中的日益普及,許多產品中嵌入了時間處理、顯示模塊。目前多數產品中的時鐘源" title="時鐘源">時鐘源由晶體振蕩產生比較精確的時間。但是在許多場合,由于晶體振蕩需要電源供給,在掉電或更換電池時,原有時間會丟失,系統時間被復位,此時必須依照廣播、電視或電話公司提供的標準時間手工重新校對;另外在跨時區旅行時,也需要重新校對時間。這給人們帶來許多不便。
目前隨著RCT技術的應用,使得需要標準時間的系統通過內嵌微型RCT接收裝置自動設置標準時間,時間精度一般為秒級且與國家標準時間同步" title="時間同步">時間同步、無需手工調整。從而實現了計時裝置計量時間和顯示時間的精確性(與授時中心的標準時間同步)、統一性(所有接收該時間信號的計時裝置都顯示同一時間)。
在RCT技術廣泛應用之前,也有使用GPS(全球定位系統)接收標準時間的裝置,但由于其電路復雜、成本高昂而沒有得到普及。在北美及歐洲,由于RCT技術的普及,使得市場對具有自動接收時間功能的鐘表及其它計時裝置產生了很高的需求。
不同的國家使用了不同的時間編碼格式和發射頻率。表1給出了目前已發射長波授時信號的幾個主要國家的時間編碼標準及其使用頻率。
?
?
①中國的長波授時編碼標準為BPC。目前該長波授時的時間編碼還未正式公開,其專利由西安高華實業有限公司持有。同時該公司也是中國第一臺長波授時電波鐘的開發者。②美國的長波授時編碼標準為WWVB[1],發射基站位于Colorado州的Fort Collins。由于美國只建有一個長波授時的發射站,因而在距離發射站較遠的地區信號較弱,對接收芯片" title="接收芯片">接收芯片的靈敏度要求比較高。③英國的長波授時編碼標準為MSF,發射基站位于Teddington的Rugby。由于英國本土面積較小,一個長波授時發射站就可以覆蓋英倫三島,時間編碼信號較強,對接收芯片的靈敏度要求不高。④德國的長波授時編碼標準為DCF,與MSF類似。20世紀50年代末,德國就在Frankfurt建立了長波授時中心。德國國土面積較小,且DFC的長波授時信號發射站功率很強,是RCT技術中對接收芯片的靈敏度要求最低的,因而比較容易開發。⑤日本的長波授時編碼標準為JJY。由于日本地形狹長,在本洲福島的40kHz(JJY40)發射機不能覆蓋日本全國。日本通信綜合研究所于2001年10月在九州富岡新建了60kHz的授時發射站(JJY60)。
2 RCT的技術原理
無線控制授時系統由時間編碼信號的長波授時發射臺及其接收裝置共同組成。最初的無線授時系統(包括短波授時和長波授時)只應用于軍事目的,現已轉為民用。
2.1 無線控制授時系統的授時信號發送原理
RCT系統授時信號發送裝置的系統構成如圖1所示。
?
?
首先,通過在標準授時中心內的銫(或銣)原子鐘產生標準時間。例如,銫原子鐘利用銫133原子在真空下每秒震動9,192,631,770次,通過對此時鐘源進行分頻產生實時的標準時間信息,如年、月、日、時、分、秒、毫秒、微秒等。然后將標準時間信號傳送給時間編碼發生器編碼,編碼后的時間信號通過調制器調制到長波載波信號(40kHz～80kHz)上,經過功率放大器將信號沿傳輸線傳送到天線塔發射出去。由于授時信號屬于長波信號,以地波形式沿地球表面傳播。
2.2 RCT技術系統授時信號的接收原理
RCT接收機通過內置微型無線接收系統接收長波時間編碼信號,由專用芯片(ASIC)對其進行解調,獲得解調后的時間編碼信號,然后由接收裝置內的顯示電路將標準時間顯示在LED或LCD上,或由此標準時間控制其它裝置(如機械式走時鐘表)。通過RCT技術,使得所有接收該標準時間編碼信號的接收計時裝置都可以與授時中心的標準時間同步,確保了時間的準確性。
通常授時信號的接收裝置主要由RCT專用接收芯片、接收天線及外圍器件構成,其中RCT專用接收芯片是整個接收系統的核心。目前RCT專用接收芯片的制造商及其產品如表2所示。
?
?
RCT專用接收芯片內部包括輸入信號放大器、調諧放大器、自動增益電路、濾波器、解調器等。它通過接收天線接收授時中心發射的實時授時信號,由于信號較弱,在RCT專用接收芯片內要經過信號放大器對小信號進行放大,然后輸出到調諧放大器進行選頻放大、濾波。濾波后的信號由解調器進行信號解調,從載波中提取基帶時間編碼信號,最后輸出到外部顯示。
2.3 以MSF[2]為例介紹RCT技術的編碼格式
在40kHz～60kHz的載波頻段上,沒有足夠的帶寬調制語音信號,它所發送的只是一系列二進制代碼。通常這些二進制代碼的時間寬度表示了實際的標準時間值,它需要一分鐘時間將一個完整的標準時間編碼幀發送完畢。這意味著,當你首次使用具備RCT功能的接收裝置時,加電后至少需要1min才能完成時間校準。時間校準的快慢主要依賴于接收信號的強度以及RCT接收裝置的設計水平。
一旦RCT接收裝置與標準時間同步后,將在隨后的一段時間內不再對RCT授時信號進行解碼,某些對時間精度要求不高的計時裝置每天只對RCT授時信號解碼一次或幾次。校準通常在夜晚進行,因為夜晚時的授時信號強度比白天強。在兩次時間校準過程中,仍然使用晶體振蕩器維持準確的時間(晶體振蕩器通常可以在數天內保持時間誤差不超過1s)。
MSF授時信號發射基站位于Rugby,英國國家物理實驗室(NPL-National Physical Laboratory)負責維護。有效發射功率為25kw,使用全向天線。信號強度在距發射站100km處大于10mV/m 。
MSF授時信號的編碼格式如圖2所示。射頻信號采用ASK調制方式:一個完整的時間幀長為一分鐘,每一幀的實際含義參見圖2。
?
?
一幀分為60個時間片段,每個片段的時間長度為1s,其編號分別為00～59,記為Ci(i=0～59),C0是每幀開始的標記,用于幀同步。在表示時間數值的片段中,Ci的數值由對應時間片段的負脈沖寬度" title="脈沖寬度">脈沖寬度決定。當負脈沖寬度為100ms時,Ci=0。當負脈沖寬度為200ms時,Ci=1。例如,表示年的子幀由時間片段C17～C24組成、表示分鐘的子幀由時間片段C45～C51組成。各片段Ci的權值Wi如圖2所示。例如表示年的C17的權值W17=80。由圖2可知年的數值為
。同理,月的數值為
,其它時間數值類同。圖2所給的例子中,年的數值為Y=1×80+0×40+0×20+1×10+0×8+0×4+1×2+1×1=93,表示1993年。同理,月的數值M=0×10+0×8+0×4+1×2+1×1=3,表示3月。
3 RCT接收機的軟硬件實現
3.1 RCT接收機的硬件構成原理
筆者使用C-MAX的UE6005[3]和NEC uPD789418[4]接收長波授時信號并將其顯示在LCD上,硬件實現框如圖3所示。
?
3.2 RCT接收機的軟件流程
RCT授時信號接收裝置的軟件實現流程如圖4所示。
?
?
解碼芯片UE6005由微處理器發出的控制信號PON控制,當PON=0時,UE6005處于工作狀態,接收并解調授時信號,然后送給微處理器,由微處理器控制LCD顯示解碼后的標準時間;當PON=1時,UE6005處于非工作狀態,系統時間由外接32.768kHz晶振維持。為了防止讀取時間數值發生錯誤(由傳輸誤碼或軟件判斷時間脈沖寬度錯誤等原因引起),通常在軟件中需讀取并比較連續兩幀數據,比較合格后,確認當前標準時間；否則需重新同步,重復上述過程。
在調測過程中,筆者首先在MSF信號發生器中設置標準時間并發送模擬的標準時間授時信號,通過比較信號發生器(時鐘源)面板的時間顯示與RCT接收機的LCD時間顯示,可以確認RCT接收機與信號發生器是嚴格同步的,從而最終驗證了筆者所設計軟硬件的正確性。表3是試驗中采集的三組對比數據。
?
?
1986年,第一只商業用途的RCT鐘表誕生于歐洲。除德國Frankfurt外,法國也建造了類似的授時長波發射臺,信號覆蓋了整個歐洲大陸,從而為整個歐洲RCT鐘表市場的成熟創造了先決條件。目前RCT鐘表在歐洲鐘表市場的占有率已達到近40%。相對于傳統計時裝置,使用RCT技術的計時裝置有許多優點:與標準時間保持同步、走時可以精確到秒級、無需對時、加電后片刻即可自動校準為標準時間。由于其技術的先進性以及規模使用,目前在美國市場上, 具備RCT功能的鐘表僅比傳統鐘表貴幾美元。使用RCT技術的計時裝置除應用于人們的一般日常生活外,還可廣泛應用于交通、通信、國防、自控、計算機網絡等領域。總之RCT技術的應用可為現代社會提供標準、統一的時間技術支撐。
中國國家授時中心1994年完成RCT授時長波發射臺的可行性論證,1999年建成每天可工作5小時的試驗臺(100kW全固態發射機,發射頻率68.5kHz);2000年完成試播和部分外場測試,RCT鐘表樣機問世。中國電波鐘控制時間信號協議,即BPC碼,已從2002年4月25日起正式發射。可以預計在未來幾年內,隨著國民經濟的發展,我國RCT市場將有不可估量的增長。
?
參考文獻
1 Matthew Deutch. NIST Time and Frequency Broadcasts?from Radio Stations WWVB. WWV and WWWVH, 2001
? NCSL International Workshop & Symposium.
2 Time & Frequency Services MSF 60kHz Time and Date?Code. December 2002
3 CMAX公司. UE6005數據手冊.
4 NEC公司.uPD789418數據手冊、用戶手冊.