播出授时系统以及节点设计
覃俊斌
（广西电视台）
摘要：随着业务的日益增加，电视台播出技术和设备需要不断更新和发展。传统的授时系统通常由以下几个部分构成：RS232接口、时码生成器和分配器、GPS卫星校时钟，但其目前已难以满足新设备使用兼容和系统扩容的需求，使节目播出存在安全隐患。为了跟上广播电视发展的步伐，满足优质安全播出要求，本文研发了一个基于RS232、RS422、EBU、NTP等多种接口协议的多元授时系统，并成功应用于广西电视台。关键词：多元技术、 授时系统、电视台1 总体设计方案
广西电视台授时系统主要由负责解码和计算出世界标准时间（UTC）的GPS卫星接收以及本地校正补偿模块，和负责依据世界标准时间完成对各个授时子网设备时间校正的各授时子网或节点组成。GPS卫星接收以及本地校正补偿模块有两套，在结构上相互冗余和各自独立对不同的授时子网提供标准时间，分别由卫星信号天线、卫星接收机、中心控制模块、接收机时码显示器、防失效秒脉冲模块、高精度本地校时钟模块以及时码倒换器等部分组成。授时系统的授时子网包括演播室授时子网、周边设备授时子网、台标机授时子网、切换台机授时子网、字幕授时子网、编单授时子网、播出授时子网、上载授时子网、延时授时子网、监播授时子网、数据库授时子网、核心服务器授时子网，各授时子网和节点都有独立的时码分配器，以供其获取标准时间本文设计的授时系统总体框架如下图所示。授时系统总体框架
整套授时系统的包含工作流程为：1.1 卫星信号接收卫星接收机根据设定的卫星参数，控制接收天线获取到四颗以上GPS定位卫星发出的卫星信号，并将卫星信号传输到中心控制模块。1.2 计算补偿误差中心控制模块通过定位卫星坐标和本地坐标计算出标准时间，并根据标准时间波动值补偿误差，最终获得最接近于世界标准时间的结果，再做进一步应用。1.3 防失效秒脉冲模块的输出防失效秒脉冲模块同时获得中心控制模块计算出来的时间码，以及防失效模块自身时钟晶振输出的时间码。防失效秒脉冲模块对两个时间码进行对比、判定和处理，然后输出持续有效的1PPS秒脉冲信号至时码倒换器。当卫星校时信号异常或中心控制模块计算出的时间码错误时，防失效模块模块仍可以输出自身时钟晶振的时间码，以保持中高精度的授时信号。1.4 高精度本地高稳钟的输出为了防止整个卫星授时信号接收端工作异常或输出标准时间码终端，本地授时信号接收端解码输出的标准时间码，会再经过一个高稳定时钟，才进入本地授时业务应用系统，即使中心控制模块计算出的标准时间信号中断，依靠内置的恒温晶体振荡器的精度以及稳定性，高精度本地高稳钟仍然根据经过最近一次标准时间校正后的时间码给授时系统。1.5 时码倒换器的输出时码倒换器可以根据实际使用情况，自动或手动对高精度本地高稳钟和防失效秒脉冲模块送来的时间码进行选择切换，并将最终选择的时间源提供给各授时子网的时码分配器。1.6 各授时子网的守时校正各授时子网和节点通常由时码分配器、授时服务器、授时客户端、授时设备组成。时码分配器先从时码倒换器获取到持续的时间源，然后根据提供给授时服务器或直接提供相应授时设备，对于IT类授时子网，通常由授时服务器先根据标准时间对自身进行校正之后，再利用NTP网络时间协议对子网内其他客户端进行守时校时。2 GPS授时技术在本系统中的应用
GPS卫星系统是目前世界上覆盖面积最广，使用最成熟，工作最稳定的全球卫星系统，可用于测距、授时、定位以及导航等业务，主要由21颗工作卫星以及3颗备用卫星组成，每颗卫星本身都携带有一个原子钟用于自身发生时间码，整套GPS卫星按照六个相互形成六十度夹角的轨道面排列，从位置配置上保证人们在地球上的任何位置都能够直接观测到四颗以上卫星，而这四颗卫星，则是本文GPS授时应用的基础。2.1 定位计算方式本系统设计的最终目的就是为了让本地GPS授时信号接收端最终解码输出的标准时间尽量接近于世界标准时间（UTC）。定位计算式通过计算本地接收机距离直接观测到的前三颗卫星的距离，并利用第四颗卫星提供时间基准，然后接收机使用时间基准，分别测量从前三颗卫星发射的信号到达本地的时间，并把时间转换成为各卫星到本地的距离，这样本地接收机就分别获得了时间和距离的数据，即x、y、z、t四个维度的参数。4颗卫星在宇宙中的空间坐标可以通过GPS卫星发出的广播电文中的广播星历字段获取到，当已知卫星1的位置为（x1、y1、z1），卫星2的位置为（x2、y2、z2），卫星3的位置为（x3、y3、z3），卫星4的位置为（x4、y4、z4），接收机的位置为（x、y、z），设未知的标准时间为（T），本地时间与标准时间的时间差为（△T），只需要通过计算获得时间差（△T），即可对本地时钟进行校正，使之与标准时间（T）一致，并提供给其他授时节点使用。信号传播时间的计算方法为：在任意时刻，某一颗定位卫星到本地接收端的距离为S，卫星信号的传播时间为Tr，卫星信号的传播速度为真空中的光速c，信号发射时刻为Ts，定位卫星在宇宙中的空间坐标（x1、y1、z1）和本地接收端的坐标（x、y、z）。则信号传播时间Tr = c而标准时钟t = Ts + Ts当GPS信号在穿越大气层中的电离层和对流层时，容易造成折射效应，这使得电磁波的传输速度不再等于光速，从而造成传输速度的误差（△c），而这个传输速度的误差可以按预定的统计模型，用GPS广播报文中的修正参数推算出来。因为存在传输速度的误差△c，则需要对公式加入误差时间△t的修正因此，标准时钟t = Ts + Ts + △t通过以上求解得到的t，即为通过某颗定位卫星坐标和本地坐标计算出的标准时钟，再依次对其他定位卫星进行求解，分别得到标准时钟，即为系统需要应用的标准时钟。2.2 GPS卫星授时信号的获取多元授时系统的GPS授时信号的获取工作主要由两部分设备共同：1、能直接观测到的4颗GPS卫星；2、本地GPS卫星接收以及本地校正补偿模块。本文涉及到的是后者，即GPS本地接收部分，分别由卫星信号天线、卫星接收机、中心控制模块、接收机时码显示器、防失效秒脉冲模块组成，结构如图3-1所示。图1 本地GPS卫星接收端结构图
其中，卫星信号天线和卫星接收机主要用于获取GPS卫星发出的空间坐标信号。中心控制模块是GPS本地接收部分的中心控制和处理单元，能够完成所有的时码计算、转换、显示及输出功能。接收机时码显示器用于本地接收系统的时间显示，可以在LED屏幕上显示年月日时分秒等时间码。防失效秒脉冲模块中，使用了时间码的双通道冗余。中心控制模块从GPS卫星信号上计算出来的时间码，以及系统自身时钟晶振输出的时间码，都同时输送到此模块，经由防失效秒脉冲模块对两个时间码进行对比、判定和处理，以保证此模块最终输出的时间码的可靠性和精确度，当卫星校时信号异常或中心控制模块计算出的时间码错误时，本模块仍可以切换输出自身时钟晶振的时间码，以保证中高精度的1PPS秒脉冲输出。防失效秒脉冲模块的运行流程如图3-2所示。图2 防失效秒脉冲模块的运行流程图
2.3 GPS卫星时钟信号的误差补偿多元授时系统的对于GPS卫星时钟信号的获取，主要依靠本地授时信号接收端能够直接观测到的四颗定位卫星。而这四颗定位卫星上发出的时钟信号，由于卫星自身的硬件设备、传输干扰、电离层和对流层误差等，相互之间都会有所不同，本论文设计的多元授时系统最终使用的标准时间，为了尽量消除时钟差距，与世界标准时间（UTC）趋于一致。在本部分的工作阐述中，每隔3600秒，分别记录了本地卫星授时信号接收端依靠四颗定位卫星依次解码和计算出来的标准时间，并把这四个标准时间以3600为间隔的波动值做了统计和对比，1号、2号、3号、4号定位卫星的波动值的变动如图3-3、3-4、图3-5、图3-6所示。其中，横坐标为第几个3600秒统计时间间隔，纵坐标为单位为毫秒的波动值。由以上的统计可以看到，各定位卫星的波动值都在0到12毫秒之间，其中，1号和4号定位卫星的波动值相对更小，因此，在本地多元授时系统使用的标准时间主要以本地授时信号接收端计算出的各卫星标准时间的平均值，并每隔3600秒加上1到4号卫星的波动平均值做修正值。可以看到在对四颗定位卫星的波动值进行1、4号卫星的加权平均之后，其平均波动幅度已经趋于平缓，波动值如图3-7所示。图3 定位卫星解码时间加权平均波动值对比图
2.4 高精度本地校时钟模块对于GPS卫星信号的补偿为了防止卫星授时信号接收端工作异常或输出标准时间码终端，本地授时信号接收端解码输出的标准时间码，会再经过一个高稳定时钟，才进入本地授时业务应用系统。这个高稳定时钟基于一个高稳定度的晶体振荡器，该振荡器的核心是一个恒温晶体振荡器OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator），又简称恒温晶振，它使用一个恒温槽使振荡器中的石英晶体谐振器温度保持恒定，从而将温度变化引起的振荡器输出频率变化量降低到最少，具有小型化、高精度、高稳定度、低电平驱动和低电流消耗等特点。高精度本地校时钟模块经过一次时间校准之后，即使校准源校时信号中断，依靠内置的恒温晶体振荡器的精度以及稳定性，仍然能够持续的输出脉宽为100毫秒的秒脉冲信号，以提供中高精度时间码给多元授时系统。3 多元授时系统的授时子网和节点设计
3.1 RS232协议的串口授时GPS卫星接收以及本地校正补偿模块具备 SZ、 RS232、 RS422、 EBU 等时间码格式的输出接口，其中针对RS232接口的设备，在系统中使用的是电子工业协会（EIA）制定的串行接口标准，每隔1秒输出一系列带有当前日期和时间的十六进制ASCII码报文，该报文包含个19字节，报文中依次为报文头、标示码、时间码、结束码，可以传递年、月、日、星期、时、分、秒、毫秒等时间信息，精度为毫秒。GPS卫星接收以及本地校正补偿模块输出的表示2014年10月3日星期五20点30分15秒50毫秒的ASCII码报文如表3-1所示。| 字节 | 报文中含义 | ASCII码值 | 表示内容 |
| 1 | 报文起始:STX | 02H | 报文开始 |
| 2 | 标示码:D | 44H | 标志码开始 |
| 3 | 标识码 | 54H | 以下开始为时间 |
| 4 | 年份的十位数 | 31H | 14年 |
| 5 | 年份的个位数 | 34H | |
| 6 | 月份的十位数 | 31H | 10月 |
| 7 | 月份的个位数 | 30H | |
| 8 | 日期的十位数 | 30H | 3日 |
| 9 | 日期的个位数 | 33H | |
| 10 | 星期几 | 35H | 星期五 |
| 11 | 小时的十位数 | 32H | 20点 |
| 12 | 小时的个位数 | 30H | |
| 13 | 分钟的十位数 | 33H | 30分 |
| 14 | 分钟的个位数 | 30H | |
| 15 | 秒的十位数 | 31H | 15秒 |
| 16 | 秒的个位数 | 35H | |
| 17 | 毫秒的十位数 | 35H | 50毫秒 |
| 18 | 毫秒的个位数 | 30H | |
| 19 | 标示码：E | 45H | 报文结束 |
表1 GPS卫星接收及本地校正补偿模块输出表
3.2 RS422协议的串口授时在多元授时系统中，为了提高串口授时信号的传输距离和稳定性，将大部分RS232串口协议做了RS422串口协议的转换，为了减少转换过程中对422串口授时信号的影响和误差，所以在RS422的串口授时信号中，仍然采用和RS232一样的19个字节的十六进制ASCII码授时报文。3.3 EBU时间码同步模块多元授时系统的设计中，除了完成各个授时设备和子网的直接应用以外，还兼顾到了电视台其他部门和业务需求，其中，最重要就是数字音频制作的同步。在多元授时系集成系统中，采用的EBU时间码同步模块基于欧洲广播电视联盟公布的AES/EBU数字音频标准，AES/EBU现已成为广播电视等专业行业内的数字音频通用标准。图4 广西电视台音频制作采用的EBU接口结构图
近年来音频制作领域的发展与变革日益加速，节目录制已由单声道发展为双声道，并进一步向着多声道环绕声发展。数字音频的同步需求也不再局限于音频设备之间或模拟设备之间连接互动，而是数字、模拟、音频、视频等跨种类跨领域的设备互联，因此多元授时系统必须与电视台中各设备同步。在一个EBU接口的音频帧中，包括两个32比特的子帧，而一个子帧内又包括一个声道的音频数据，依次为同步字、辅助字、音频采样字、有效比特字、用户比特字、声道状态比特字和奇偶校验比特字等。当多个音频设备需要进行联动工作前，EBU时间码同步模块将作为联动系统的主同步设备，其他设备作为从同步设备，统一从主同步设备获取EBU时间码并校正和写入自身，当一个设备产生或传输了音频数据时，EBU时间码编码嵌入数据流中，后续其他设备在接收到这个已经嵌入EBU时间码的音频数据时，也会读取到与上游设备一致的时间码，从而达到整个音频系统的同步一致，音频系统就会以完全相同的速度来协同进行录音、回放、编辑等工作。图5 EBU时间码同步模块结构图
3.4 场逆程时间信号的获取在多元授时系集成系统中，还保留了模拟电视时代应用最广泛的场逆程时间信号的解码模块作为冗余授时信号，以防止授时系统的前端接收以及本地校正补偿模块。场逆程（Vertical Blanking Interval）又称为场消隐期，是逐行扫描电视特有的信号，在我国的625/25的模拟电视信号中，预留给电视系统，可以利用的电视行从第6/318行开始，到第22/334行未知，即每场最多可插入17个数据行，这些数据行不影响电视信号的正常传输和播放。在这17个数据行的基础上，场逆程数据广播可以将各种格式的数据插入电视节目的场逆中，并让这些数据随电视信号播出，进而完成信息传递。场逆程数据广播覆盖面广，传输速率稳定，并且可以利用原有模拟电视网络等特点，因此我国在CCTV1的模拟信号第16行数据中，加入了时间码，以提供授时服务，该场逆程时间码的格式为：1MHz正弦波,峰——峰值为0.7V士0.7mV。每行传送20周,从正半周过零点起始，其矩形脉冲幅度为0.35V士0.35nlV，脉冲宽度为2μS。CCTV1模拟信号格式如下图所示。在场逆程时间码中，以20位不归零的BCD码传输的时间信息包括：时、分、秒，时间精度为秒级。该BCD码的格式如下图所示。4 NTP协议的网络授时
4.1 NTP协议的时间戳换算在多元授时系统中，NTP（Network Time Protocol）网络时间协议是系统内所有IT设备的授时基础，NTP网络时间协议已被广泛的应用于计算机网络时间校正当中。通过NTP网络时间协议，可以为播控、上载、编单等等业务系统提供精度达到毫秒级的时间校正功能。图8 NTP协议的时间戳换算流程图
NTP网络时间协议采用服务器和客户端互动校时的工作模式，在NTP授时报文授时的依据是时间戳，该时间戳是用当前日期和时间与基准值1900年1月1日0时0分0秒相减，然后把得到时间差值，再把时间差值换算成秒数，最后使用64比特的数据进行表示，其中前32比特表示秒数的整数部分，后32比特则表示小数部分。4.2 NTP协议标准时间获取在本系统的设计中，NTP授时功能由多个授时子网组成，每个授时子网都具有自己独立的授时服务器，各自从前端GPS卫星接收以及本地校正补偿模块获取标准时间，对本授时子网内的设备进行校正。NTP协议中的时间戳可以分为4种，分别为客户端向服务器发出授时申请的起始时间（T1）；服务器收到客户端授时请求的接收时间（T2）；服务器向客户端发送授时报文的发送时间（T3）；客户端接收到服务器授时报文的完成时间（T4）。每一个授时报文都会先从客户端发起，依次获得起始时间、接收时间、发送时间、完成时间，并写入同一个报文，最终客户端会从NTP授时报文中，把这四个时间戳分离出来，时间戳写入报文的流程下图所示。图9 时间戳写入报文的流程图
通过报文获得了NTP的4种时间戳之后，授时客户端将利用时间戳对客户端到服务端的网络传输延迟（Ts1）、服务端到客户端的网络传输延迟（Ts2）、时钟偏差△T进行计算，再根据网络传输延迟和时钟偏差对各授时客户端进行时钟校正，从而与服务端的标准时钟一致。网络传输延迟（Ts）和时钟偏差△T在NTP授时协议中的作用如下图所示。图10 网络传输延迟（Ts）和时钟偏差△T线性对比
4.3 授时子网的客户端设计多元授时系统各授时子网的客户端初始启动或收到服务端发起的授时网络广播时，会立即与授时服务端进行校时通信，将完成校时通信的授时报文内四个时间戳进行分离，并利用时间戳求解出总网络时间延迟和时钟偏差，完成对客户端本地时钟校正，达到与多元授时系统的标准时间一致。完成初始启动校正后，平时各授时客户端的时间守护进程在后台始终运行，系统会定期向二级时间源——子网授时服务端发送授时请求，根据授时报文运算结果对客户端时钟进行补偿和修正。客户端进程进行主动轮询的过程中，各授时子网客户端守护进程会记录二者时钟的不同，并以此为依据合理规划下次轮询，更加智能化和科学化。例如，当守护进程轮询发现本地客户端与服务端的时钟差异是10秒，下一次的轮询会很快开始。但是如果本地时间与服务端时间没有差异，下一次的检查就会延长一段时间。这一方案能够在保证时间准确、可靠的基础上，减少网络资源占用率，减小时间源和网络的复杂，提高了系统的工作效率。查询次数会随精准度的增加而减少，使系统运行负载降低。图11 授时子网的客户端的工作流程图
4.4 授时子网的服务端设计授时子网的服务端是多元授时系统的二级时间源，也是每个授时子网的时间校正核心。每个授时子网服务端初始运行之后看，都会立即与GPS卫星接收以及本地校正补偿模块通信，并校正服务端本地时钟，发起一个网络广播要求网内所有客户端立即进行一次校正通信，然后每隔一小时与GPS卫星接收以及本地校正补偿模块进行一次通信校正，并随时等待客户端发起的校时通信。图12 授时子网服务端的工作流程图
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