【摘要】 以某廣播電臺時鐘系統為例，分析了當前常見的兩種時鐘系統模型的利弊，由此設計一種基于分布特征的層級式時鐘系統，介紹了其設計原理、系統構成、設備性能，并且對技術可靠性進行了理論分析。

　　【關鍵詞】 電臺時鐘系統  分布式  層級式  穩定性分析

一．引言

　　廣播電臺時鐘系統是一個大型通信計時系統,用以實現電臺內部相關系統之間的時間信號統一,便于臺內播出鏈路的所有環節在同一時間下準確無誤地工作;同時使臺內編播工作人員時刻掌握標準的時間信息,為臺內各個職能部門之間有機的配合工作提供準確、統一的時間依據,確保電臺各種相關業務部門的高速有效運轉。以某廣播電臺時鐘系統為例，簡要介紹了其設計原理、系統構成、設備性能及技術可靠性。

二．時鐘系統網絡結構

　　時鐘網絡拓撲結構可以大致分為分布式和層級式。如圖1所示,在層級式的網絡拓撲結構中，各個時鐘節點目錄深度的不同表示它們之間的主從邏輯關系，即底層時鐘單方向接收上一層時鐘的信號命令；而在分布式始終的拓撲結構中，各層相同目錄深度的時鐘節點地位是彼此等價的。

圖1層級式時鐘網絡結構

　　層級式時鐘的同步方法是將所有時鐘信息和數值計算全部集中在以母鐘為中心的節點上，除了母鐘以外的任何時鐘節點之間沒有信息的傳遞，只能通過與中心母鐘的時間信息交互才能達到整體時鐘網絡的同步。因為中心母鐘節點承擔了大量的數值計算任務，所以整個時鐘網絡的同步性能會因此降低。除此以外，若中心母鐘由于設備物理故障或是軟件攻擊，整個時鐘網絡系統都會由此引發同步失效。

　　分布式時鐘系統的拓撲結構中的每個時鐘節點都彼此獨立，如圖2所示。因為沒有設立關鍵節點，所以可以消除分布式時鐘系統內因中心母鐘時鐘節點失效所引發的整體系統同步失敗的缺點。并且分布式時鐘系統在計算中只需參考相鄰時鐘節點所交互的時鐘信息即可，因此減少了在各個節點之間的通信工作量。

圖2分布式時鐘網絡結構

三．基于分布特性的層級式時鐘系統

　　1.系統原理

　　電臺原時鐘系統由主備兩套母鐘系統以及一個母鐘切換器構成，在結構上屬于典型的層級式時鐘系統。原系統雖然使用四個GPS接收機作為時鐘源，但仍然匯總為兩個母鐘，并進一步將兩組時鐘源交匯到唯一一臺母鐘切換器上。這樣無疑增加了此中樞節點所承擔的故障風險，若此母鐘切換器節點出現因硬件等不確定性因素導致的問題時，整個時鐘系統將面臨崩潰，由此引發的播出安全隱患不堪設想。

　　本文在當前時鐘系統網絡結構的基礎上，致力于討論一種基于分布式特征的層級式時鐘系統。本系統由四套母鐘系統、GPS時碼接收系統、銣原子鐘、兩個母鐘切換器、時鐘信號轉換分配設備等子系統構成。在原有時鐘系統基礎上對母鐘以及母鐘切換器進行信號流拆分，將主、備路時鐘信號中原本對應一臺母鐘的兩路GPS時鐘源信號分別對應四個獨立的母鐘。

　　使用銣原子鐘為母鐘1提供頻率基準以確保時鐘的自運行精度，并將四個母鐘進行橫向串聯以保證部分GPS接收機出現故障時四個母鐘的信號仍能夠保持同步。進而將四組由各自母鐘所輸出的RS422、EBU、SZ信號分別交由兩臺母鐘切換器進行應急切換處理，并將兩臺切換器所輸出的三種時間信號分別傳輸至臺內各個編播系統，為技術區的機房子鐘、六響報時和語言報時信號、自動化播出系統以及全臺行政辦公區提供標準時碼信號。具體設備連接如圖3所示。

圖3基于分布特征的層級式時鐘系統圖

2.GPS衛星同步鐘

　　本時鐘系統所使用的ST3100H型GPS衛星同步鐘自動接收美國全球衛星定位系統GPS的標準時間，對GPS接收模塊輸出的數據進行過濾、分析，形成標準的串行時碼，從而輸出準確的北京時間。輸出信號中同時攜帶GPS模塊跟蹤狀態信息，供時鐘監控計算機使用，可以方便地獲得GPS設備的工作狀況。

　　ST3100H型GPS衛星同步鐘由天線及天線放大器、1U設備機箱構成。室外天線內部所裝的天線放大器將天線所收到的分米波信號加以放大，經專用電纜接進設備機箱內的GPS接收模塊。本系統的原理圖如下圖所示：

圖4GPS衛星同步中原理圖

　　機箱內的時碼處理模塊由高性能單片機、不停電時鐘、驅動電路等構成，對GPS接收模塊輸出的數據進行過濾、分析，形成標準的串行時碼輸出。后一級的信號轉換模塊產生輸出SZ、RS232、RS485/RS422、1pps等不同格式的日期時間碼。ST3100型GPS衛星同步鐘前面板具有低壓熒光屏VFD顯示日期時間，第一行顯示日歷，依次為年（4位），月（2位），日（2位）和星期（1位），第二行顯示時間。除了正常的時間顯示外，前面板顯示屏還具有跟蹤狀態指示，設備的跟蹤情況一目了然。同時還指示與衛星鎖定與否的狀態。

　　ST3100H型GPS衛星同步鐘的信號同步定時精度可以達到1μs，天線饋線長度為 100米。采用RS422/RS485、SZ時碼以及1pps三種輸出信號格式，其中RS422/RS485在用，SZ時碼和1pps在本系統中為預留接口。

　　本系統所使用的RS485/422接口日期時間碼可有效傳輸1000米以上，波特率為9600bps，8位數據，1位停止位，無校驗。每次共12個字，依次為同步字（AA）、狀態字1、狀態字2、年1、年2、月、日、星期、時、分、秒、結束字03H。

　　3.中心母鐘

　　ST6102D型中心母鐘系本時鐘系統的核心，為子鐘、播出系統、自動控制系統、提供精確的時間同步。每套ST6102D型中心母鐘它包括一主一備兩套高穩定度的工作鐘模塊，均可長期獨立運行，輸出可自動切換；它具備兩路標準時間信號輸入接口，自動校準于北京時間，以消除積累誤差。

　　母鐘內的SYN同步切換模塊負責對主GPS：S1和備GPS：S2兩路信號的監測判斷和輸出切換。切換可自動亦可手動。輸出信號用于同步GS2高穩時鐘模塊。主路S1和備路S201202005兩路信號輸入本模塊后，經電平轉換后分別送入單片機I和單片機II，由軟件各自判斷其正確性及前后秒的相關性，正確則開通控制開關，最后經二選一開關選擇一路輸出。工作原理如圖5所示。

圖5中心母鐘原理圖

　　GS2高穩時鐘模塊作為時鐘控制系統的核心工作鐘，內部自備高穩定度的恒溫晶振，并設有外頻標輸入接口，可以接入穩定度更高的銣原子振蕩信號。這樣，既使校準源校時信號中斷，高穩時鐘模塊仍能以很高的穩定度維持運行。該模塊含有電池供電的實時時鐘芯片，時間信息可保存10年以上，使設備剛上電即有較為準確的時間輸出。模塊工作的5MHz基準信號，來自于內部的恒溫晶振或者外接的銣原子鐘，以后者為主選，由內部電路自動切換選擇。模塊前面板的“EXT_REF”指示燈表示外頻率基準信號，若外接5MHz信號有效，該燈點亮。5MHz信號經整形電路放大，送分頻網絡電路處理，產生標準1Hz信號，即秒脈沖。單片機對秒脈沖計數并換算成時間。時碼緊隨秒脈沖串行輸出，形成完整的串行時間碼。

　　外部輸入的校準時間碼被單片機讀入，經判斷認為正確之后，讀入時間碼校準GS2高穩時鐘，并同步分頻網絡，使本地時鐘的相位同步于校準源。為避免秒信號的抖動，保持其高穩特性，如果高穩時鐘模塊已經與外部校準信號完成同步，內部程序將控制該模塊不再讀取時間碼，而只保持秒相位的鎖定同步。此時如果向下按壓“設置”開關，則強制高穩模塊讀取外部時間編碼，校正時鐘數據。前面板“自運行”指示燈提示外來同步校準信號的通路是否被接通。點亮時通路被切斷，本模塊保持原有相位并以5MHz頻率基準信號獨立運行。

　　ST6102D型中心母鐘5MHz頻率信號入口，當采用外頻率基準有效時，高穩時鐘模塊的前面板指示燈點亮。中心母鐘可以提供RS232/422、SZ、1PPS等多種接口，提供年、月、日、星期、時、分、秒信息，并將2路高穩時鐘信號、輸出切換信號經綜合電纜匯集到JM422中心接口，最終提供給監控計算機進行24小時連續不斷的記錄。

　　以下是ST6102的主要性能指標和參數：

　　1) 主、備路GPS標準時間信號輸入：

　　RS422接口，波特率9600bps，8位數據，1位停止位，無校驗。每秒發送一次，共12個字節，依次為同步字（16進制AAH）、狀態字1、狀態字2、百年、年、月、日、星期、時、分、秒、03H（其中與時間有關的字節采用BCD碼）。

　　2) 標準頻率輸入：

　　5MHz，與內頻率信號自動切換。

　　3)  SYN同步切換模塊

　　切換方式：自動或手動，自動方式不斷碼

　　4) 高穩時鐘模塊：

　　頻率穩定度：

　　晶振頻率：5MHz

　　5) 輸出切換模塊：

　　切換方式：自動/手動，自動方式不斷碼

　　6) 輸出信號：

　　RS422：3路，與主、備路輸入信號相同

　　1pps：正脈沖，寬度大于100ms

　　5MHz：方波，TTL電平

　　4.銣原子鐘

　　STRU4銣原子鐘內含國際先進的銣原子振蕩器，經由分頻控制電路，提供4路5MHz高穩定度的頻標信號輸出，可直接接入ST6102中心母鐘，為之提供頻率基準，確保時鐘的自運行精度。

　　STRU4銣原子鐘包含銣原子振蕩器、分頻電路、指示電路、電源電路等部分。

　　銣原子振蕩器是以銣原子內部超精細躍遷頻率（6834.68750MHz）作為標準頻率，控制壓控晶體振蕩器的振蕩頻率，從而輸出準確、穩定的10MHZ頻率。10MHz信號經隔離電路、分頻分配電路，輸出互相隔離的4路5MHz頻率信號。

表格1銣原子鐘技術指標

四．分布特性層級式時鐘系統的穩定性分析

　　1.時鐘同步協議設計

　　將本時鐘系統含有4個母鐘節點，其中母鐘1為參考時鐘，其它的三個母鐘為備路學習時鐘。因為這三個備路時鐘是無向連通的且都能夠連接到母鐘1，所以本時鐘系統是連通的。定義一個矩陣為參考母鐘1的鄰接矩陣，其對角元素為. 如果節點0與節點鄰接，則，否則.

　　如果網絡群體系統對于任意均有

　　則稱具有參考母鐘的網絡時鐘系統實現了同步。由(1)、(2)式可以得出時鐘同步協議：

　　其中為有參考母鐘情況下的網絡時鐘系統同步協議，、為備路學習時鐘的GPS讀數，為參考母鐘1的GPS讀數。

　　記利用協議(3)式，網絡時鐘系統可以表示成為：

　　其中為時鐘系統的拉皮拉斯矩陣，

　　2.穩定性分析

　　針對本分布特性層級式時鐘系統，如果有對稱正定矩陣，使得

　　則時鐘網絡系統(3)式可以實現針對參考母鐘系統的時鐘同步協議控制。

　　為系統(3)式定義一個Lyapunov函數：

　　其中為正定矩陣。計算V(t)的導數為：

　　則含有參考母鐘的時鐘網絡系統能夠實現同步。

　　根據圖3所示的四母鐘時鐘系統的拓撲結構可以變形為圖6所示，記所有邊的權值為1，其中母鐘1為參考節點，其他三個母鐘節點為備路學習時鐘。

圖6四中心母鐘拓撲圖

　　根據(3)式可以給出含有參考母鐘的時鐘網絡系統的狀態序列，模擬運行5000s，記最大步長為。有圖7是仿真前50秒的結果，三個備路學習時鐘最終與參考母鐘實現了協同。

圖7四中心母鐘協同仿真結果

五．總結

　　本文經過分析常用時鐘系統中典型的層級式和分布式的優缺點，設計了一種針對廣播電臺的基于分布特征的層級式時鐘系統。本系統通過對四個平行的GPS母鐘進行分布式的結構排列，以保證后級切換器所輸出的各路時鐘信號在切換時不會出現時間差。并通過使用仿真系統的信號模擬驗證了本時鐘系統的協同性，以保證電臺內播出鏈路的所有環節運轉準確無誤，以及臺內部相關系統之間的時間信號統一。