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無線控制授時(shí)技術(shù)(RCT)及其應(yīng)用
摘要：介紹了無線控制授時(shí)技術(shù)?ＲＣＴ?的背景、ＲＣＴ發(fā)射機(jī)及接收機(jī)技術(shù)原理、ＲＣＴ編碼技術(shù)以及ＲＣＴ技術(shù)目前在各國的應(yīng)用情況。給出了ＲＣＴ接收機(jī)的硬件功能框圖及軟件流程圖?展望了ＲＣＴ技術(shù)在我國的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：無線控制授時(shí) BPC WWCB MSF DFC JJY RCT
１ 無線控制授時(shí)ＲＣＴ?Ｒａｄｉｏ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?技術(shù)的應(yīng)用背景及目前各國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用情況
正確的時(shí)間在人們?nèi)粘Ｉ钪惺遣豢苫蛉钡摹ｋS著微處理器在家用電器、工業(yè)產(chǎn)品中的日益普及，許多產(chǎn)品中嵌入了時(shí)間處理、顯示模塊。目前多數(shù)產(chǎn)品中的時(shí)鐘源由晶體振蕩產(chǎn)生比較精確的時(shí)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(shí)，原有時(shí)間會丟失，系統(tǒng)時(shí)間被復(fù)位，此時(shí)必須依照廣播、電視或電話公司提供的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間手工重新校對；另外在跨時(shí)區(qū)旅行時(shí)，也需要重新校對時(shí)間。這給人們帶來許多不便。
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目前隨著ＲＣＴ技術(shù)的應(yīng)用，使得需要標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的系統(tǒng)通過內(nèi)嵌微型ＲＣＴ接收裝置自動設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，時(shí)間精度一般為秒級且與國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步、無需手工調(diào)整。從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)裝置計(jì)量時(shí)間和顯示時(shí)間的精確性（與授時(shí)中心的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步）、統(tǒng)一性（所有接收該時(shí)間信號的計(jì)時(shí)裝置都顯示同一時(shí)間）。
在ＲＣＴ技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，也有使用ＧＰＳ（全球定位系統(tǒng)）接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的裝置，但由于其電路復(fù)雜、成本高昂而沒有得到普及。在北美及歐洲，由于ＲＣＴ技術(shù)的普及，使得市場對具有自動接收時(shí)間功能的鐘表及其它計(jì)時(shí)裝置產(chǎn)生了很高的需求。
不同的國家使用了不同的時(shí)間編碼格式和發(fā)射頻率。表１給出了目前已發(fā)射長波授時(shí)信號的幾個(gè)主要國家的時(shí)間編碼標(biāo)準(zhǔn)及其使用頻率。
表1 各國RCT技術(shù)使用的時(shí)間編碼及發(fā)射頻率
JJY60 本州福島
九州富網(wǎng) 40kHz
60kHz 50kW
50kW 1000km
1000km
①中國的長波授時(shí)編碼標(biāo)準(zhǔn)為ＢＰＣ。目前該長波授時(shí)的時(shí)間編碼還未正式公開，其專利由西安高華實(shí)業(yè)有限公司持有。同時(shí)該公司也是中國第一臺長波授時(shí)電波鐘的開發(fā)者。②美國的長波授時(shí)編碼標(biāo)準(zhǔn)為ＷＷＶＢ，發(fā)射基站位于Ｃｏｌｏｒａｄｏ州的Ｆｏｒｔ Ｃｏｌｌｉｎｓ。由于美國只建有一個(gè)長波授時(shí)的發(fā)射站，因而在距離發(fā)射站較遠(yuǎn)的地區(qū)信號較弱，對接收芯片的靈敏度要求比較高。③英國的長波授時(shí)編碼標(biāo)準(zhǔn)為ＭＳＦ，發(fā)射基站位于Ｔｅｄｄｉｎｇｔｏｎ的Ｒｕｇｂｙ。由于英國本土面積較小，一個(gè)長波授時(shí)發(fā)射站就可以覆蓋英倫三島，時(shí)間編碼信號較強(qiáng)，對接收芯片的靈敏度要求不高。④德國的長波授時(shí)編碼標(biāo)準(zhǔn)為ＤＣＦ，與ＭＳＦ類似。２０世紀(jì)５０年代末，德國就在Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ建立了長波授時(shí)中心。德國國土面積較小，且ＤＦＣ的長波授時(shí)信號發(fā)射站功率很強(qiáng)，是ＲＣＴ技術(shù)中對接收芯片的靈敏度要求最低的，因而比較容易開發(fā)。⑤日本的長波授時(shí)編碼標(biāo)準(zhǔn)為ＪＪＹ。由于日本地形狹長，在本洲福島的４０ｋＨｚ（ＪＪＹ４０）發(fā)射機(jī)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(shí)發(fā)射站（ＪＪＹ６０）。
圖2 MSF授時(shí)信號編碼格式
２ ＲＣＴ的技術(shù)原理
無線控制授時(shí)系統(tǒng)由時(shí)間編碼信號的長波授時(shí)發(fā)射臺及其接收裝置共同組成。最初的無線授時(shí)系統(tǒng)（包括短波授時(shí)和長波授時(shí)）只應(yīng)用于軍事目的,現(xiàn)已轉(zhuǎn)為民用。
２．１ 無線控制授時(shí)系統(tǒng)的授時(shí)信號發(fā)送原理
ＲＣＴ系統(tǒng)授時(shí)信號發(fā)送裝置的系統(tǒng)構(gòu)成如圖１所示。
首先，通過在標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)中心內(nèi)的銫（或銣）原子鐘產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)鐘源進(jìn)行分頻產(chǎn)生實(shí)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，如年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒、微秒等。然后將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號傳送給時(shí)間編碼發(fā)生器編碼，編碼后的時(shí)間信號通過調(diào)制器調(diào)制到長波載波信號（４０ｋＨｚ～８０ｋＨｚ）上，經(jīng)過功率放大器將信號沿傳輸線傳送到天線塔發(fā)射出去。由于授時(shí)信號屬于長波信號，以地波形式沿地球表面?zhèn)鞑ァ?br />
２．２ ＲＣＴ技術(shù)系統(tǒng)授時(shí)信號的接收原理
ＲＣＴ接收機(jī)通過內(nèi)置微型無線接收系統(tǒng)接收長波時(shí)間編碼信號，由專用芯片（ＡＳＩＣ）對其進(jìn)行解調(diào)，獲得解調(diào)后的時(shí)間編碼信號，然后由接收裝置內(nèi)的顯示電路將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間顯示在ＬＥＤ或ＬＣＤ上，或由此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間控制其它裝置（如機(jī)械式走時(shí)鐘表）。通過ＲＣＴ技術(shù)，使得所有接收該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間編碼信號的接收計(jì)時(shí)裝置都可以與授時(shí)中心的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步，確保了時(shí)間的準(zhǔn)確性。
通常授時(shí)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(gòu)成，其中ＲＣＴ專用接收芯片是整個(gè)接收系統(tǒng)的核心。目前ＲＣＴ專用接收芯片的制造商及其產(chǎn)品如表２所示。
表2 RCT專用接收芯片
注：雖然UE6005與T4227商標(biāo)和芯片名稱不同，但實(shí)際上設(shè)計(jì)使用的是同一芯片。
ＲＣＴ專用接收芯片內(nèi)部包括輸入信號放大器、調(diào)諧放大器、自動增益電路、濾波器、解調(diào)器等。它通過接收天線接收授時(shí)中心發(fā)射的實(shí)時(shí)授時(shí)信號，由于信號較弱，在ＲＣＴ專用接收芯片內(nèi)要經(jīng)過信號放大器對小信號進(jìn)行放大，然后輸出到調(diào)諧放大器進(jìn)行選頻放大、濾波。濾波后的信號由解調(diào)器進(jìn)行信號解調(diào)，從載波中提取基帶時(shí)間編碼信號，最后輸出到外部顯示。
２．３ 以ＭＳＦ為例介紹ＲＣＴ技術(shù)的編碼格式
在４０ｋＨｚ～６０ｋＨｚ的載波頻段上，沒有足夠的帶寬調(diào)制語音信號，它所發(fā)送的只是一系列二進(jìn)制代碼。通常這些二進(jìn)制代碼的時(shí)間寬度表示了實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值，它需要一分鐘時(shí)間將一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間編碼幀發(fā)送完畢。這意味著，當(dāng)你首次使用具備ＲＣＴ功能的接收裝置時(shí)，加電后至少需要１ｍｉｎ才能完成時(shí)間校準(zhǔn)。時(shí)間校準(zhǔn)的快慢主要依賴于接收信號的強(qiáng)度以及ＲＣＴ接收裝置的設(shè)計(jì)水平。
一旦ＲＣＴ接收裝置與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步后，將在隨后的一段時(shí)間內(nèi)不再對ＲＣＴ授時(shí)信號進(jìn)行解碼，某些對時(shí)間精度要求不高的計(jì)時(shí)裝置每天只對ＲＣＴ授時(shí)信號解碼一次或幾次。校準(zhǔn)通常在夜晚進(jìn)行，因?yàn)橐雇頃r(shí)的授時(shí)信號強(qiáng)度比白天強(qiáng)。在兩次時(shí)間校準(zhǔn)過程中，仍然使用晶體振蕩器維持準(zhǔn)確的時(shí)間（晶體振蕩器通�？梢栽跀�(shù)天內(nèi)保持時(shí)間誤差不超過１ｓ）。
ＭＳＦ授時(shí)信號發(fā)射基站位于Ｒｕｇｂｙ?英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（ＮＰＬ－Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）負(fù)責(zé)維護(hù)。有效發(fā)射功率為２５ｋｗ，使用全向天線。信號強(qiáng)度在距發(fā)射站１００ｋｍ處大于１０ｍＶ／ｍ 。
ＭＳＦ授時(shí)信號的編碼格式如圖２所示。射頻信號采用ＡＳＫ調(diào)制方式：一個(gè)完整的時(shí)間幀長為一分鐘，每一幀的實(shí)際含義參見圖２。
一幀分為６０個(gè)時(shí)間片段，每個(gè)片段的時(shí)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(biāo)記，用于幀同步。在表示時(shí)間數(shù)值的片段中，Ｃｉ的數(shù)值由對應(yīng)時(shí)間片段的負(fù)脈沖寬度決定。當(dāng)負(fù)脈沖寬度為１００ｍｓ時(shí)，Ｃｉ＝０。當(dāng)負(fù)脈沖寬度為２００ｍｓ時(shí)，Ｃｉ＝１。例如，表示年的子幀由時(shí)間片段Ｃ１７～Ｃ２４組成、表示分鐘的子幀由時(shí)間片段Ｃ４５～Ｃ５１組成。各片段Ｃｉ的權(quán)值Ｗｉ如圖２所示。例如表示年的Ｃ１７的權(quán)值Ｗ１７＝８０。由圖２可知年的數(shù)值為。同理，月的數(shù)值為，其它時(shí)間數(shù)值類同。圖２所給的例子中?年的數(shù)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(shù)值Ｍ＝０×１０＋０×８＋０×４＋１×２＋１×１＝３，表示３月。
３ ＲＣＴ接收機(jī)的軟硬件實(shí)現(xiàn)
３．１ ＲＣＴ接收機(jī)的硬件構(gòu)成原理
筆者使用Ｃ－ＭＡＸ的ＵＥ６００５和ＮＥＣ ｕＰＤ７８９４１８接收長波授時(shí)信號并將其顯示在ＬＣＤ上，硬件實(shí)現(xiàn)框如圖３所示。
３．２ ＲＣＴ接收機(jī)的軟件流程
ＲＣＴ授時(shí)信號接收裝置的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖４所示。
解碼芯片ＵＥ６００５由微處理器發(fā)出的控制信號ＰＯＮ控制，當(dāng)ＰＯＮ＝０時(shí)，ＵＥ６００５處于工作狀態(tài)，接收并解調(diào)授時(shí)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；當(dāng)ＰＯＮ＝１時(shí)，ＵＥ６００５處于非工作狀態(tài)，系統(tǒng)時(shí)間由外接３２．７６８ｋＨｚ晶振維持。為了防止讀取時(shí)間數(shù)值發(fā)生錯誤?由傳輸誤碼或軟件判斷時(shí)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(xù)兩幀數(shù)據(jù)，比較合格后，確認(rèn)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間?否則需重新同步，重復(fù)上述過程。
在調(diào)測過程中，筆者首先在ＭＳＦ信號發(fā)生器中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間并發(fā)送模擬的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間授時(shí)信號，通過比較信號發(fā)生器（時(shí)鐘源）面板的時(shí)間顯示與ＲＣＴ接收機(jī)的ＬＣＤ時(shí)間顯示，可以確認(rèn)ＲＣＴ接收機(jī)與信號發(fā)生器是嚴(yán)格同步的?從而最終驗(yàn)證了筆者所設(shè)計(jì)軟硬件的正確性。表３是試驗(yàn)中采集的三組對比數(shù)據(jù)。
表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
１９８６年，第一只商業(yè)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(shí)長波發(fā)射臺，信號覆蓋了整個(gè)歐洲大陸，從而為整個(gè)歐洲ＲＣＴ鐘表市場的成熟創(chuàng)造了先決條件。目前ＲＣＴ鐘表在歐洲鐘表市場的占有率已達(dá)到近４０％。相對于傳統(tǒng)計(jì)時(shí)裝置，使用ＲＣＴ技術(shù)的計(jì)時(shí)裝置有許多優(yōu)點(diǎn)：與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間保持同步、走時(shí)可以精確到秒級、無需對時(shí)、加電后片刻即可自動校準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。由于其技術(shù)的先進(jìn)性以及規(guī)模使用?目前在美國市場上? 具備ＲＣＴ功能的鐘表僅比傳統(tǒng)鐘表貴幾美元。使用ＲＣＴ技術(shù)的計(jì)時(shí)裝置除應(yīng)用于人們的一般日常生活外，還可廣泛應(yīng)用于交通、通信、國防、自控、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。總之ＲＣＴ技術(shù)的應(yīng)用可為現(xiàn)代社會提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的時(shí)間技術(shù)支撐。
中國國家授時(shí)中心１９９４年完成ＲＣＴ授時(shí)長波發(fā)射臺的可行性論證，１９９９年建成每天可工作５小時(shí)的試驗(yàn)臺（１００ｋＷ全固態(tài)發(fā)射機(jī)，發(fā)射頻率６８．５ｋＨｚ）；２０００年完成試播和部分外場測試，ＲＣＴ鐘表樣機(jī)問世。中國電波鐘控制時(shí)間信號協(xié)議，即ＢＰＣ碼，已從２００２年４月２５日起正式發(fā)射�？梢灶A(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?我國ＲＣＴ市場將有不可估量的增長。
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