《电子技术应用》

无线控制授时技术(RCT)及其应用

作者:杜 志 赵雅兴
2008/8/20 14:06:10

  摘  要: 介绍了无线控制" title="无线控制">无线控制授时技术(RCT)的背景、RCT发射机及接收机技术原理、RCT编码技术以及RCT技术目前在各国的应用情况。给出了RCT接收机的硬件功能框图及软件流程图,展望了RCT技术在我国的应用前景。

  关键词: 无线控制授时  BPC  WWVB  MSF  DFC  JJY

 

1 无线控制授时RCT(Radio Controlled

  Technology)技术的应用背景及目前各国的技术标准和应用情况正确的时间在人们日常生活中是不可或缺的。随着微处理器在家用电器、工业产品中的日益普及,许多产品中嵌入了时间处理、显示模块。目前多数产品中的时钟源" title="时钟源">时钟源由晶体振荡产生比较精确的时间。但是在许多场合,由于晶体振荡需要电源供给,在掉电或更换电池时,原有时间会丢失,系统时间被复位,此时必须依照广播、电视或电话公司提供的标准时间手工重新校对;另外在跨时区旅行时,也需要重新校对时间。这给人们带来许多不便。

  目前随着RCT技术的应用,使得需要标准时间的系统通过内嵌微型RCT接收装置自动设置标准时间,时间精度一般为秒级且与国家标准时间同步" title="时间同步">时间同步、无需手工调整。从而实现了计时装置计量时间和显示时间的精确性(与授时中心的标准时间同步)、统一性(所有接收该时间信号的计时装置都显示同一时间)。

  在RCT技术广泛应用之前,也有使用GPS(全球定位系统)接收标准时间的装置,但由于其电路复杂、成本高昂而没有得到普及。在北美及欧洲,由于RCT技术的普及,使得市场对具有自动接收时间功能的钟表及其它计时装置产生了很高的需求。

  不同的国家使用了不同的时间编码格式和发射频率。表1给出了目前已发射长波授时信号的几个主要国家的时间编码标准及其使用频率。

 

 

  ①中国的长波授时编码标准为BPC。目前该长波授时的时间编码还未正式公开,其专利由西安高华实业有限公司持有。同时该公司也是中国第一台长波授时电波钟的开发者。②美国的长波授时编码标准为WWVB[1],发射基站位于Colorado州的Fort Collins。由于美国只建有一个长波授时的发射站,因而在距离发射站较远的地区信号较弱,对接收芯片" title="接收芯片">接收芯片的灵敏度要求比较高。③英国的长波授时编码标准为MSF,发射基站位于Teddington的Rugby。由于英国本土面积较小,一个长波授时发射站就可以覆盖英伦三岛,时间编码信号较强,对接收芯片的灵敏度要求不高。④德国的长波授时编码标准为DCF,与MSF类似。20世纪50年代末,德国就在Frankfurt建立了长波授时中心。德国国土面积较小,且DFC的长波授时信号发射站功率很强,是RCT技术中对接收芯片的灵敏度要求最低的,因而比较容易开发。⑤日本的长波授时编码标准为JJY。由于日本地形狭长,在本洲福岛的40kHz(JJY40)发射机不能覆盖日本全国。日本通信综合研究所于2001年10月在九州富冈新建了60kHz的授时发射站(JJY60)。

2 RCT的技术原理

  无线控制授时系统由时间编码信号的长波授时发射台及其接收装置共同组成。最初的无线授时系统(包括短波授时和长波授时)只应用于军事目的,现已转为民用。

2.1 无线控制授时系统的授时信号发送原理

  RCT系统授时信号发送装置的系统构成如图1所示。

 

 

  首先,通过在标准授时中心内的铯(或铷)原子钟产生标准时间。例如,铯原子钟利用铯133原子在真空下每秒震动9,192,631,770次,通过对此时钟源进行分频产生实时的标准时间信息,如年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒等。然后将标准时间信号传送给时间编码发生器编码,编码后的时间信号通过调制器调制到长波载波信号(40kHz~80kHz)上,经过功率放大器将信号沿传输线传送到天线塔发射出去。由于授时信号属于长波信号,以地波形式沿地球表面传播。

2.2 RCT技术系统授时信号的接收原理

  RCT接收机通过内置微型无线接收系统接收长波时间编码信号,由专用芯片(ASIC)对其进行解调,获得解调后的时间编码信号,然后由接收装置内的显示电路将标准时间显示在LED或LCD上,或由此标准时间控制其它装置(如机械式走时钟表)。通过RCT技术,使得所有接收该标准时间编码信号的接收计时装置都可以与授时中心的标准时间同步,确保了时间的准确性。

  通常授时信号的接收装置主要由RCT专用接收芯片、接收天线及外围器件构成,其中RCT专用接收芯片是整个接收系统的核心。目前RCT专用接收芯片的制造商及其产品如表2所示。

 

 

  RCT专用接收芯片内部包括输入信号放大器、调谐放大器、自动增益电路、滤波器、解调器等。它通过接收天线接收授时中心发射的实时授时信号,由于信号较弱,在RCT专用接收芯片内要经过信号放大器对小信号进行放大,然后输出到调谐放大器进行选频放大、滤波。滤波后的信号由解调器进行信号解调,从载波中提取基带时间编码信号,最后输出到外部显示。

2.3 以MSF[2]为例介绍RCT技术的编码格式

  在40kHz~60kHz的载波频段上,没有足够的带宽调制语音信号,它所发送的只是一系列二进制代码。通常这些二进制代码的时间宽度表示了实际的标准时间值,它需要一分钟时间将一个完整的标准时间编码帧发送完毕。这意味着,当你首次使用具备RCT功能的接收装置时,加电后至少需要1min才能完成时间校准。时间校准的快慢主要依赖于接收信号的强度以及RCT接收装置的设计水平。

  一旦RCT接收装置与标准时间同步后,将在随后的一段时间内不再对RCT授时信号进行解码,某些对时间精度要求不高的计时装置每天只对RCT授时信号解码一次或几次。校准通常在夜晚进行,因为夜晚时的授时信号强度比白天强。在两次时间校准过程中,仍然使用晶体振荡器维持准确的时间(晶体振荡器通常可以在数天内保持时间误差不超过1s)。

  MSF授时信号发射基站位于Rugby,英国国家物理实验室(NPL-National Physical Laboratory)负责维护。有效发射功率为25kw,使用全向天线。信号强度在距发射站100km处大于10mV/m 。

  MSF授时信号的编码格式如图2所示。射频信号采用ASK调制方式:一个完整的时间帧长为一分钟,每一帧的实际含义参见图2。

 

 

  一帧分为60个时间片段,每个片段的时间长度为1s,其编号分别为00~59,记为Ci(i=0~59),C0是每帧开始的标记,用于帧同步。在表示时间数值的片段中,Ci的数值由对应时间片段的负脉冲宽度" title="脉冲宽度">脉冲宽度决定。当负脉冲宽度为100ms时,Ci=0。当负脉冲宽度为200ms时,Ci=1。例如,表示年的子帧由时间片段C17~C24组成、表示分钟的子帧由时间片段C45~C51组成。各片段Ci的权值Wi如图2所示。例如表示年的C17的权值W17=80。由图2可知年的数值为。同理,月的数值为,其它时间数值类同。图2所给的例子中,年的数值为Y=1×80+0×40+0×20+1×10+0×8+0×4+1×2+1×1=93,表示1993年。同理,月的数值M=0×10+0×8+0×4+1×2+1×1=3,表示3月。

3 RCT接收机的软硬件实现

3.1 RCT接收机的硬件构成原理

  笔者使用C-MAX的UE6005[3]和NEC uPD789418[4]接收长波授时信号并将其显示在LCD上,硬件实现框如图3所示。

 

3.2 RCT接收机的软件流程

  RCT授时信号接收装置的软件实现流程如图4所示。

 

 

  解码芯片UE6005由微处理器发出的控制信号PON控制,当PON=0时,UE6005处于工作状态,接收并解调授时信号,然后送给微处理器,由微处理器控制LCD显示解码后的标准时间;当PON=1时,UE6005处于非工作状态,系统时间由外接32.768kHz晶振维持。为了防止读取时间数值发生错误(由传输误码或软件判断时间脉冲宽度错误等原因引起),通常在软件中需读取并比较连续两帧数据,比较合格后,确认当前标准时间;否则需重新同步,重复上述过程。

  在调测过程中,笔者首先在MSF信号发生器中设置标准时间并发送模拟的标准时间授时信号,通过比较信号发生器(时钟源)面板的时间显示与RCT接收机的LCD时间显示,可以确认RCT接收机与信号发生器是严格同步的,从而最终验证了笔者所设计软硬件的正确性。表3是试验中采集的三组对比数据。

 

 

  1986年,第一只商业用途的RCT钟表诞生于欧洲。除德国Frankfurt外,法国也建造了类似的授时长波发射台,信号覆盖了整个欧洲大陆,从而为整个欧洲RCT钟表市场的成熟创造了先决条件。目前RCT钟表在欧洲钟表市场的占有率已达到近40%。相对于传统计时装置,使用RCT技术的计时装置有许多优点:与标准时间保持同步、走时可以精确到秒级、无需对时、加电后片刻即可自动校准为标准时间。由于其技术的先进性以及规模使用,目前在美国市场上, 具备RCT功能的钟表仅比传统钟表贵几美元。使用RCT技术的计时装置除应用于人们的一般日常生活外,还可广泛应用于交通、通信、国防、自控、计算机网络等领域。总之RCT技术的应用可为现代社会提供标准、统一的时间技术支撑。

  中国国家授时中心1994年完成RCT授时长波发射台的可行性论证,1999年建成每天可工作5小时的试验台(100kW全固态发射机,发射频率68.5kHz);2000年完成试播和部分外场测试,RCT钟表样机问世。中国电波钟控制时间信号协议,即BPC码,已从2002年4月25日起正式发射。可以预计在未来几年内,随着国民经济的发展,我国RCT市场将有不可估量的增长。

 

参考文献

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数据手册.

4 NEC公司.uPD789418数据手册、用户手册.
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