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。