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無線控制授時技術(shù)(RCT)及其應(yīng)用
摘要：介紹了無線控制授時技術(shù)?ＲＣＴ?的背景、ＲＣＴ發(fā)射機及接收機技術(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 BPC WWCB MSF DFC JJY RCT
１ 無線控制授時ＲＣＴ?Ｒａｄｉｏ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?技術(shù)的應(yīng)用背景及目前各國的技術(shù)標準和應(yīng)用情況
正確的時間在人們?nèi)粘Ｉ钪惺遣豢苫蛉钡�。隨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)品中嵌入了時間處理、顯示模塊。目前多數(shù)產(chǎn)品中的時鐘源由晶體振蕩產(chǎn)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(tǒng)時間被復(fù)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(qū)旅行時，也需要重新校對時間。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，使得需要標準時間的系統(tǒng)通過內(nèi)嵌微型ＲＣＴ接收裝置自動設(shè)置標準時間，時間精度一般為秒級且與國家標準時間同步、無需手工調(diào)整。從而實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)廣泛應(yīng)用之前，也有使用ＧＰＳ（全球定位系統(tǒng)）接收標準時間的裝置，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間功能的鐘表及其它計時裝置產(chǎn)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(fā)射頻率。表１給出了目前已發(fā)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。
表1 各國RCT技術(shù)使用的時間編碼及發(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(yè)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(fā)者。②美國的長波授時編碼標準為ＷＷＶＢ，發(fā)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(fā)射站，因而在距離發(fā)射站較遠的地區(qū)信號較弱，對接收芯片的靈敏度要求比較高。③英國的長波授時編碼標準為ＭＳＦ，發(fā)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(fā)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(fā)射站功率很強，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日本的長波授時編碼標準為ＪＪＹ。由于日本地形狹長，在本洲福島的４０ｋＨｚ（ＪＪＹ４０）發(fā)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(fā)射站（ＪＪＹ６０）。
圖2 MSF授時信號編碼格式
２ ＲＣＴ的技術(shù)原理
無線控制授時系統(tǒng)由時間編碼信號的長波授時發(fā)射臺及其接收裝置共同組成。最初的無線授時系統(tǒng)（包括短波授時和長波授時）只應(yīng)用于軍事目的,現(xiàn)已轉(zhuǎn)為民用。
２．１ 無線控制授時系統(tǒng)的授時信號發(fā)送原理
ＲＣＴ系統(tǒng)授時信號發(fā)送裝置的系統(tǒng)構(gòu)成如圖１所示。
首先，通過在標準授時中心內(nèi)的銫（或銣）原子鐘產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生器編碼，編碼后的時間信號通過調(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)授時信號的接收原理
ＲＣＴ接收機通過內(nèi)置微型無線接收系統(tǒng)接收長波時間編碼信號，由專用芯片（ＡＳＩＣ）對其進行解調(diào)，獲得解調(diào)后的時間編碼信號，然后由接收裝置內(nèi)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(shù)，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(gòu)成，其中ＲＣＴ專用接收芯片是整個接收系統(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商標和芯片名稱不同，但實際上設(shè)計使用的是同一芯片。
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中心發(fā)射的實時授時信號，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行放大，然后輸出到調(diào)諧放大器進行選頻放大、濾波。濾波后的信號由解調(diào)器進行信號解調(diào)，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(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，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(shè)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(nèi)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(shù)天內(nèi)保持時間誤差不超過１ｓ）。
ＭＳＦ授時信號發(fā)射基站位于Ｒｕｇｂｙ?英國國家物理實驗室（ＮＰＬ－Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）負責(zé)維護。有效發(fā)射功率為２５ｋｗ，使用全向天線。信號強度在距發(fā)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(diào)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(shù)值的片段中，Ｃｉ的數(shù)值由對應(yīng)時間片段的負脈沖寬度決定。當(dāng)負脈沖寬度為１００ｍｓ時，Ｃｉ＝０。當(dāng)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(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接收機的軟硬件實現(xiàn)
３．１ ＲＣＴ接收機的硬件構(gòu)成原理
筆者使用Ｃ－ＭＡＸ的ＵＥ６００５和ＮＥＣ ｕＰＤ７８９４１８接收長波授時信號并將其顯示在ＬＣＤ上，硬件實現(xiàn)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(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，ＵＥ６００５處于工作狀態(tài)，接收并解調(diào)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(dāng)ＰＯＮ＝１時，ＵＥ６００５處于非工作狀態(tài)，系統(tǒng)時間由外接３２．７６８ｋＨｚ晶振維持。為了防止讀取時間數(shù)值發(fā)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(xù)兩幀數(shù)據(jù)，比較合格后，確認當(dāng)前標準時間?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)置標準時間并發(fā)送模擬的標準時間授時信號，通過比較信號發(fā)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(fā)生器是嚴格同步的?從而最終驗證了筆者所設(shè)計軟硬件的正確性。表３是試驗中采集的三組對比數(shù)據(jù)。
表3 試驗數(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長波發(fā)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(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到近４０％。相對于傳統(tǒng)計時裝置，使用ＲＣＴ技術(shù)的計時裝置有許多優(yōu)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(shù)的先進性以及規(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)的計時裝置除應(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、計算機網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域�？傊遥茫约夹g(shù)的應(yīng)用可為現(xiàn)代社會提供標準、統(tǒng)一的時間技術(shù)支撐。
中國國家授時中心１９９４年完成ＲＣＴ授時長波發(fā)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(tài)發(fā)射機，發(fā)射頻率６８．５ｋＨｚ）；２０００年完成試播和部分外場測試，ＲＣＴ鐘表樣機問世。中國電波鐘控制時間信號協(xié)議，即ＢＰＣ碼，已從２００２年４月２５日起正式發(fā)射�？梢灶A(yù)計在未來幾年內(nèi)，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展?我國ＲＣＴ市場將有不可估量的增長。
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