FPGA实现IRIG-B(DC)码编码和解码的设计

IRIG (Inter Range Instrumentation Group)起源于军队靶场的时间同步，靶场中的时间系统为卫星或航天器发射、常规武器试验、测控系统提供标准时间。IBIG-B时间码(简称B码)就是由IRIG所属的TCG(Telecommunication Group)制订的一种串行时间码，被广泛应用于时间信息传输系统中。在实际的应用中，根据距离B码发生器的远近及不同时间精度的要求，B码在实际传输中采用了两种码型AC码(交流码)和DC码(直流码)。当传输距离比较远时采用AC码，当传输距离近时则采用DC码。在本文中只涉及DC码。
    FPGA为时码技术、时统设备的研制与开发注入了新的生机，为整个系统内的从设备分配相干的工作时钟，从而确保从设备具有同源相干的时钟基准。系统时钟送出时间信号，FPGA对接收到的时间信号进行编制，并且生成与GPS输出信号1 pps精确同步的B码信号。而解码系统是FPGA对B码格式信号进行解调，产生出所需的绝对时间和各种控制信号，提供给测量设备。对时统设备进行高度集成，实现时统设备大规模、高速度、低成本、低开发费用、设计周期短、电路简单、易于调试和可靠性高的目标，是时统设备发展的必然趋势。

1 IRIG-B码格式与原理
    IRIG-B码的时帧周期是1 s，包含100个码元，每个码元周期为10ms，即B码的码元速率为100 pps。B码有3种码元，位置识别标志P，二进制“1”和“0”，脉宽分别为8ms、5ms和2 ms。位置识别标志P0的前沿在帧参考点前一个索引计数间隔处，以后每10个码元有一个位置识别标志，分别为P1、P2、……、p9、P0，PR为帧参考点。脉冲信号如图1所示。

    一个时间格式帧从帧参考标志开始，由相邻两个帧参考标志之间的码元组成，每个时帧的准时为该时帧参考标志的前沿。如果连续出现两个8 ms的位置识别标志，则该时帧的开始是位于第2个8ms的位置识别标志前沿。
    IRIG-B码中第1个字段(PR～P1)传送的是秒信息，第2个字段(P1～P2)传送的是分信息，第3个字段(P2～P3)传送的是时信息，第4、5个字段(P3～P5)传送的是天数信息，即从1月1日开始计算的年积日，所以在第5个字段结束后时间信号已经解析并保存在寄存器中。另外，在第8个字和第10个字中分别有3位表示上站和分站的特标控制码元。不仅包含丰富的时间信息，也包含必要的控制信息和监测信息，方便后端用户进行使用。
    FPGA对B码的编码和解码时根据其格式和原理使用计数器和状态机来实现，其中会涉及到多个时钟信号，这些时钟信号都是由FPGA外部晶振40 MHz的时钟分频而来。编码时钟为5 MHz；解码的时钟有10 kHz、10 MHz，同时会输出时间信号，即天、时、分、秒信号。

2 IRIG-B码编码
    时间模块由CPU进行处理，提取系统的时间信号，即秒信号sec_bcd[7．．0]，分信号min_bcd[7．．0]，时信号hour_bcd[6．．0]，天信号day_bcd[10．．0]，为FPGA的输入信号，这些输入信号都是并行信号，并且是BCD码。GPS模块为编码系统提供1 pps信号上升沿，即秒同步信号，也作为FPGA的输入信号。IRIG-B码编码的寄存器传输级(RTL)视图如图2所示。

    图2中，FPGA对IRIG-B码的编码主要由两个模块构成，一个为时钟分频模块，另一个为数据处理模块。系统的晶振时钟为40 MHz，通过分频，采用5 MHz的时钟，所以此处的误差最大为200ns。当GPS产生1个pps_in信号后，时间信号同时进入FPGA。为了产生的IRIG-B码和GPS产生的pps_in信号精确同步，所以IRIG-B码的准时位置应对准GPS模块发出的1 pps信号上升沿。B码编码的状态机流程图如图3所示。

    FPGA完成这个时刻的B码编码后，会立即不断地搜索下一个pps_in的上升沿，GPS模块每秒都会触发pps_in的上升沿，一旦发现pps_in上升沿，马上进入下一秒的编码。这样编程的好处是B码大致上可以与1 pps同步，延迟少且方便测试。FPGA对IRIG-B码秒信号的编码仿真波形如图4所示。

    如上图所示，第1行信号是40 MHz的晶振时钟；第2行信号是输入信号pps_in；第3行信号是复位信号，低电平有效；第4行信号是分频后的时钟信号5 MHz；第5行是输入秒信号，此时秒信号sec bcd[7．．0]为8位二进制数10001000；最后一行信号是B码的编码信号。当pps_in上升沿到来时，FPGA对B码在5 MHz时钟的上升沿处立即产生高电平，首先是B码输出位置识别标志Pr(高电平8 ms，低电平2 ms)，接着8位二进制的秒信号从低位至高位输出，实现计数器计数编码，放大波形可以知道，此时B码与pps_in有100 ns的滞后，100ns的延迟对时序同步影响很小，可以忽略不计。然后FPGA根据状态机的状态运行，直到下一个pps_in上升沿来临。

3 IRIG-B码解码
    解码部分的设计采用两个时钟来处理，晶振的时钟为40 MHz，通过分频，可以得到一个是10 kHz的时钟，和一个10 MHz的时钟。先采用10 kHz的时钟，当连续监测到2个脉宽为8 ms的位置标示信号时，启动1个计时器，当计时器计时到990 ms时，产生1个使能信号EN，这个信号是传递给高频时钟的监测使能信号。接着计时器清零，等待下一次监测到连续2个脉宽为8 ms的信号出现时，计时器重新开始计时。
    如果只采用高频时钟的话，要监测2个脉宽为8 ms的信号与计时将会非常浪费逻辑资源。所以在前一部分的监测与计时用低频时钟进行；在准时对应的上升沿来临前2 ms为高频时钟部分提供1个使能信号；高频时钟处理部分接收到此使能信号EN后再监测B码的PR的上升沿，当监测到PR为高电平后，发出1个脉冲1 pps。经过这样的处理，就能精确的提取出1 pps信号以及与1 pps精确同步的10 MHz脉冲信号。1 pps对时信号的提取如图5所示。

    当检测到P5时，时间信号已经检测出来，这些时间信号都放在相应的寄存器(都是BCD码的并行信号)中，当有使能信号EN时，此时将已经检测出的时间信号加1 s，并在输出1 pps信号的同时输出时间信号，这样就保证了时间的准确性，也是用10 MHz的时钟同步，然后将时间信号在监测到2个脉宽为8 ms的位置标示信号时清零。FPGA对IRIG-B码的解码仿真如图6所示。

    如上图，当第3行的信号使能信号EN触发1个上升电平时，时间信号会在此时加上1 s。原先解码出来的时间信号秒、分、时、天信号为sec_out[7..0]、min_out[7..0]、hour_out[6..0]、day_out [10..0]，加1 s后的时间信号放在寄存器sec_final[7..0]、min_final[7..0]、hour_final[6..0]、day_final[10..0]中，已经将它们化为十进制数，根据B码的格式，它们的第4位均为无效信号，即sec_out[4]、min_ out[4]、hour_out[4]、day_out[4]、sec_final[4]、min_final[4]、hour_final[4]、day_final[4]都是无效信号。
    当使能信号EN有效时，即在FPGA处理时间信号加1 s的过程中，当原先的秒信号sec_out寄存器为59 s时，加1 s后，输出的sec_final寄存器使其秒清零，并且在分信号寄存器加一。同理适用于分、时、天信号，它们都有一个上限，分信号的上限同样是59时信号的上限是23，而天信号的上限是365或366，需要进行判断后得出，一旦超过了各自信号的上限，输出寄存器就会自动清零，同时进位加一。
    由图6可以知道，寄存器sec_out的值为十六进制数45，使能信号EN有效后，即加上1 s后，sec_final的值为十六进制数46，因为其第4位无效，所以秒时间为26，最后解码出来的时间是145天11时41分26秒。这些时间信号存在FPGA的寄存器中，当1 pps输出时，它们会随10 MHz的时钟频率同步输出到外部总线上，外部总线接受到时间信号实现时间同步，去校准从设备的实时时间，实现了FPGA对IRIG-B的解码。

4 结论
    随着通信技术和通信媒体的发展，如何解决时统信号在不同媒体中的传输，对靶场时间统一系统提出了更高的要求。
    本设计中用到Cyclone的EP1C6Q240C8芯片，并且使用modelsim实现功能和时序仿真。实践证明，通过FPGA完成了对IRIG-B码的编、解码设计，能够实现与系统时钟信号的精确同步，当GPS送入pps_in信号时，FPGA进行编码，输出的IRIG-B码暂时保存在FPGA的存储器中，当需要为外部设备提供精确的对时时钟时，FPGA进行解码操作，输出同步脉冲信号1pps和时间信号，从而去校准从设备的实时时间，使设备具有精度高的同步的时钟基准，获得精确且同步的控制效果，便于对从设备进行远程管理和监测。