CN112987545B - 时间信号码元识别方法、装置及时间系统设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种时间信号码元识别方法、装置及时间系统设备。方法包括：对时间信号中的当前码元进行同步处理，消除时间信号在传输过程中的亚稳态，得到高低电平信号，滤除高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号，对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。通过对码元识别添加容错，提高了时间信号码元信号质量不佳时的码元识别成功率，提高了用时系统的使用可靠性。

Description

时间信号码元识别方法、装置及时间系统设备

技术领域

本申请涉及时间信号分析技术领域，特别是涉及一种时间信号码元识别方法、装置及时间系统设备。

背景技术

随着信息技术高速发展，同步数据传输已经成为日常生活和专业领域的基础，人们对数据传输效率和可靠性的要求越来越高。时间统一系统是信息化系统中通信、气象、航天、工业控制、电力系统测量与保护等领域的关键技术，其主要为其他用时设备提供标准时间信号，IRIG-B码是常用的时间同步系统的时间同步信号之一。通常使用时间准确度来评估时间同步信号的性能，时间准确度是指时间同步信号当前的解码时间与标准测试时间源之间的时间差，因此时间准确度可以衡量时间同步信号的精度。

传统的时间同步信号在使用时，实际码元信号质量不佳会导致校时失败，时间同步信号不能被解码，也就无法获得时间同步信号当前的解码时间，导致不能获得准确时间，从而影响用时系统的正常工作，使用不可靠。

发明内容

基于此，有必要针对传统的用时系统使用不可靠的问题，提供一种时间信号码元识别方法、装置及时间系统设备。

一种时间信号码元识别方法，包括以下步骤：

对时间信号中的当前码元进行同步处理，得到高低电平信号；

滤除所述高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号；

对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间；

当所述高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且所述低电平持续时间与所述标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为所述标准码元的类型。

一种时间信号码元识别装置，包括：

同步处理模块，用于对时间信号中的当前码元进行同步处理，得到高低电平信号；

滤波模块，用于滤除所述高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号；

取沿模块，用于对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间；

码元容错识别模块，用于当所述高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且所述低电平持续时间与所述标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为所述标准码元的类型。

一种时间系统设备，包括时钟装置和如上述的时间信号码元识别装置。

上述时间信号码元识别方法、装置及时间系统设备，首先对时间信号中的当前码元进行同步处理，以消除时间信号在传输过程中的亚稳态，得到高低电平信号，然后滤除高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号，接着对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。通过对码元识别添加容错，提高了时间信号码元信号质量不佳时的码元识别成功率，提高了用时系统的使用可靠性。

在其中一个实施例中，所述对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，包括：

检测到所述滤波后的信号的上升沿时，对寄存器进行初始化，记录高电平起始时间；

检测到所述滤波后的信号的下降沿时，记录高电平终止时间，根据所述高电平起始时间和所述高电平终止时间得到所述滤波后的信号的高电平持续时间；

当再次检测到所述滤波后的信号的上升沿时，根据当前检测时间和所述高电平终止时间得到所述滤波后的信号的低电平持续时间。

在其中一个实施例中，所述对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间之后，还包括：

当所述高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值不在高电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元。

在其中一个实施例中，所述对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间之后，还包括：

当所述低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值不在低电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元。

在其中一个实施例中，所述识别当前码元为错误码元之后，还包括：

识别所述时间信号中的下一个码元作为当前码元，并返回所述对时间信号中的当前码元进行同步处理，得到高低电平信号。

在其中一个实施例中，所述高电平持续时间与所述低电平持续时间之和匹配于所述标准高电平持续时间和所述标准低电平持续时间之和。

在其中一个实施例中，所述高电平允许误差范围内的最大值与所述低电平允许误差范围内的最大值均小于所述标准码元的最小码元宽度的二分之一。

在其中一个实施例中，所述标准码元的类型为两种以上。

附图说明

图1为一个实施例中时间信号码元识别方法的流程图；

图2为一个实施例中以DC模式传输的时间信号码元的信息定义图；

图3为一个实施例中以AC模式传输的时间信号码元的信息定义图；

图4为一个实施例中实际电平信号在经过同步和滤波后与理论电平信号的差异图；

图5为一个实施例中同步处理的流程示意图；

图6为一个实施例中取沿的流程示意图；

图7为另一个实施例中时间信号码元识别方法的流程图；

图8为一个实施例中时间信号码元识别方法的流程图；

图9为一个实施例中与时间信号码元识别方法对应的硬件结构示意图；

图10为一个实施例中实际码元信号在经过同步和滤波后与理论码元信号的差异图；

图11为一个实施例中同步、滤波后的码元“1”高低电平持续时间计数器容错识别范围图；

图12为一个实施例中时间信号码元识别方法的详细流程图；

图13为一个实施例中时间信号码元识别方法的具体流程图；

图14为一个实施例中时间信号码元识别装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

时间信号码元识别即时间信号的解码过程，时间信号又被称为时间同步信号。通常使用时间准确度来评估时间同步信号的性能，时间准确度是指时间同步信号当前的解码时间与标准测试时间源之间的时间差，因此时间准确度可以衡量时间同步信号的精度。时间同步信号被解码后，获得时间同步信号当前的解码时间，获得准确时间，从而得到用时系统的正常工作时间信号。时间信号的类型并不是唯一的，对应的码元类型也不一样，在本申请中，以时间信号为IRIG-B码为例对时间信号码元识别的过程进行说明。

IRIG(Inter Range Instrumentation Group)是美国靶场仪器组的简称，IRIG码是美国靶场司令委员会制定的一种时间标准，现广泛应用于军事、商业、工业等诸多领域。IRIG码共有四种并行二进制时间码格式和六种串行二进制时间码格式，其中，最常用的是IRIG-B时间码格式。IRIG-B码是每秒一帧的串行时间码，每一帧包括100个IRIG-B时间码元，每个时间码元的宽度为10ms。按照IRIG-B码的标准定义，IRIG-B时间码元有3种类型，即P码元、1码元和0码元，P码元为标志位，1码元表示二进制的1，0码元表示二进制的0，IRIG-B码就是通过这3种码元的组合完成时间信息的传输。IRIG-B时间码元为脉冲信号，可以通过AC(Alternating Current，交流)或DC(Direct Current，直流)的模式传输。图2为以DC模式传输的IRIG-B码及各种码元的信息定义，P码元为高电平的宽度占8ms，低电平的宽度占2ms的码元；1码元为高电平的宽度占5ms，低电平的宽度占5ms的码元；0码元为高电平的宽度占2ms，低电平的宽度占8ms的码元。图3为以AC模式传输的IRIG-B码及各种码元的信息定义，P码元为高幅值的宽度占8ms，低幅值的宽度占2ms的码元；1码元为高幅值的宽度占5ms，低幅值的宽度占5ms的码元；0码元为高幅值的宽度占2ms，低幅值的宽度占8ms的码元。

IRIG-B码具有携带信息量大、高分辨率、接口标准化及国际通用的特点，适合于远距离的信息传输，具有DC模式和AC模式两种传输方式。随着当今电子技术日新月异的发展，时间同步在电信、电力、军事等行业或部门越来越扮演重要的角色，由于IRIG-B码自身的优越性，IRIG-B码逐步成为时间同步系统的首选时间同步信号。

在一个实施例中，提供一种时间信号码元识别方法，该方法可基于可编程器件实现，可编程器件的类型并不是唯一的，可以为FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)、CPLD(Complex Programming logic device，复杂可编程逻辑器件)或PLD(programmable logic device，可编程逻辑器件)等。时间信号码元识别方法通过可编程器件内部的模块进行处理实现。请参见图1，时间信号码元识别方法包括以下步骤：

步骤S200：对时间信号中的当前码元进行同步处理，得到高低电平信号。

时间信号可由时钟装置发送方通过传输线到达可编程器件的引脚并进入器件。理论输入信号为常见的数字信号高电平的理想波形，由于信号从发送方到接收方传输过程中会收到各种各样因素的影响，导致信号传输到接收方时上升沿和下降沿产生畸变和毛刺，导致信号失真，从而影响对该信号的使用。时间信号中包括多个码元，请参见图4，可编程器件的引脚接入的信号会在上升沿或下降沿产生畸变和毛刺，此时对接入的时间信号中的当前码元进行同步处理，可以消除时间信号在传输过程中的亚稳态，同步处理后的信号为高低电平信号，包括高电平和低电平，同步处理也可以称为跨时钟域处理。IRIG-B码信号为可编程器件的外部输入的异步信号，只有数据信号线没有时钟信号线，为了防止亚稳态在器件中传播，需要进行同步处理，尽可能消除亚稳态，提高稳定性。

同步处理常用的方法有，使用寄存器打3拍、输入信号经过FIFO和输入信号经过RAM等等，这些方法的变体也有很多。在本实施例中，以使用寄存器打3拍为例，图5为打3拍的数据传输过程，IRIG-B码从可编程器件的引脚输入，经过寄存器1、2、3完成打3拍，寄存器3输出的Data3为打拍结果，其用于后面的信号处理流程。

步骤S400：滤除高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号。

得到高低电平信号后，可对高低电平信号进行滤波处理，以滤除高低电平信号中的毛刺。具体地，滤波的作用是消除信号中高低电平持续时间小于某个值的情况，高低电平持续时间小于某个值的信号认为是毛刺。滤波方法也有很多种，主要方法是使用合适的时钟对滤波前信号的高、低电平持续时间进行统计，比如：已知输入信号有效的电平的持续时间有2ms、5ms和10ms的情况，时钟为100MHz，期望滤除0.1ms的毛刺，则在高、低电平变化的瞬间对计数器进行重新计数，并持续将当前计数值与10000比较，如果小于10000则维持电平值不变，大于10000则将最新电平值作为实际值。图4为理论输入信号高电平持续时间大于滤波后的信号高电平持续时间的情况。若同步后的信号出现低电平毛刺的时间小于滤波阈值，认为该低电平无效，维持高电平不变，出现如图6所示的理论输入信号高电平持续时间小于滤波后的信号高电平持续时间的情况。IRIG-B码信号经过同步后可能会存在毛刺，此时需要对同步后的信号进行滤波，消除毛刺，滤波的参数可根据实现的毛刺特征来确定。

步骤S600：对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间。

时间信号经过同步和滤波后需要对其上升沿和下降沿进行取沿，为了后面的码元识别功能做准备。上升沿为信号从低电平变为高电平的界限，下降沿为信号从高电平变为低电平的界限。对滤波后的信号进行取沿后，可以得到信号的高低电平的切换时间，从而得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间。取沿的具体过程包括：请参见图6，如果要对Data1取沿，先将Data1取反得到Data2，则将Data1延迟一拍得到Data3，然后将Data3取反得到Data4，最后Data1与Data4取与逻辑得到上升沿，Data2与Data3取与逻辑得到下降沿。

步骤S800：当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。

以时间信号为IRIG-B码为例，时间信号对应的理论码元波形为IRIG-B码的码元，IRIG-B码中包括P码元、1码元和0码元，理论码元即为标准码元，IRIG-B码对应的标准码元则为P码元、1码元或0码元。受到实际传输过程中的一些因素影响，经过同步处理和滤波后的信号的波形可能并不与理论码元的波形完全一致，而是以理论码元为基础在一定范围内左右波动。得到高电平持续时间后，将高电平与标准码元的标准高电平持续时间进行比较，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内时，可初步判断当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。接着继续判断低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值是否在低电平允许误差范围内，若是，则可确定当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。同时结合高电平持续时间和低电平持续时间判断码元类型可以提高码元识别的准确性。

标准高电平持续时间和标准低电平持续时间根据标准码元的类型决定。例如，当标准码元为P码元时，P码元对应的标准高电平持续时间为8ms，P码元对应的标准低电平持续时间为2ms。当标准码元为1码元时，1码元对应的标准高电平持续时间和标准低电平持续时间均为5ms。当标准码元为0码元时，0码元对应的标准高电平持续时间为2ms，0码元对应的标准低电平持续时间为8ms。高电平允许误差范围和低电平允许误差范围的具体范围并不是唯一的，可根据时间信号的波形质量等因素进行调整，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，请参见图7，步骤S600包括步骤S610至步骤S630。

步骤S610：检测到滤波后的信号的上升沿时，对寄存器进行初始化，记录高电平起始时间。

检测到滤波后的信号的上升沿并对相关寄存器进行初始化，上升沿表示新码元的开始，因此将上个码元残留的状态寄存器初始化，可以防止上个码元识别过程中的状态影响到此次码元识别。记录高电平起始时间，对该码元的高电平保持时间开始计数，码元“P”、码元“1”和码元“0”的起始位置都是上升沿，因此检测到上升沿并进行寄存器初始化之后需要对码元的高电平持续时间开始进行计数统计，为整个码元的识别做准备。

步骤S620：检测到滤波后的信号的下降沿时，记录高电平终止时间，根据高电平起始时间和高电平终止时间得到滤波后的信号的高电平持续时间。

检测到滤波后的信号的下降沿时，记录高电平终止时间，根据高电平起始时间和高电平终止时间得到滤波后的信号的高电平持续时间。根据高电平持续时间的值可以初步确定码元类型。当检测下降沿时说明该码元的高电平部分计数统计完成，根据计数器的最后的值就可以初步确定码元类型。记录高电平终止时间后，对该码元的低电平保持时间开始进行计数，在检测到下降沿时表示该码元的高电平持续时间结束了，因此进行低电平保持时间计数统计。

步骤S630：当再次检测到滤波后的信号的上升沿时，根据当前检测时间和高电平终止时间得到滤波后的信号的低电平持续时间。

高电平终止时间即为低电平的开始时间，当再次检测到滤波后的信号的上升沿时，可以根据当前检测时间和高电平终止时间得到滤波后的信号的低电平持续时间。当再次检测到上升沿说明完全完成该码元的高低电平持续时间计数统计，可以将高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间进行对比，将低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间进行对比，从而完全确定码元类型，确定的过程已有详细说明，在此不再赘述。

在一个实施例中，请参见图8，步骤S600之后，时间信号码元识别方法还包括步骤S710。

步骤S710：当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值不在高电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元。

将获取到的高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间进行对比后，若高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值不在高电平允许误差范围内时，考虑高电平持续时间超过了标准码元的高电平持续时间的正常范围，识别当前码元为错误码元，避免误用错误码元导致系统紊乱。可以理解的是，该步骤中，是将获取到的高电平持续时间与所有的标准码元的标准高电平持续时间进行对比，当获取到的高电平持续时间与任何一个标准码元的标准高电平持续时间的差异值均不在高电平允许误差范围内时，考虑高电平持续时间超过了标准码元的高电平持续时间的正常范围，识别当前码元为错误码元。

在一个实施例中，请参见图8，步骤S600之后，时间信号码元识别方法还包括步骤S720。

步骤S720：当低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值不在低电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元。

将获取到的低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间进行对比后，若低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值不在低电平允许误差范围内时，考虑低电平持续时间超过了标准码元的低电平持续时间的正常范围，识别当前码元为错误码元，避免误用错误码元导致系统紊乱。可以理解的是，该步骤中，是将获取到的低电平持续时间与所有的标准码元的标准低电平持续时间进行对比，当获取到的低电平持续时间与任何一个标准码元的标准低电平持续时间的差异值均不在低电平允许误差范围内时，考虑低电平持续时间超过了标准码元的低电平持续时间的正常范围，识别当前码元为错误码元。

在一个实施例中，识别当前码元为错误码元之后，还包括时间信号码元识别方法还包括步骤900。

步骤900：识别时间信号中的下一个码元作为标准码元，并返回步骤S200。

当识别到当前码元为错误码元之后，识别时间信号的下一个码元，继续下一个码元的识别以完成整个时间信号的码元识别，避免工作中断。可扩展地，在步骤S800之后，成功识别当前时间信号的码元类型之后，也会执行步骤900，继续识别时间信号的下一个码元。

在一个实施例中，高电平持续时间与低电平持续时间之和匹配于标准高电平持续时间和标准低电平持续时间之和。

在本实施例中，匹配表示相等，或者较为接近。高电平持续时间与低电平持续时间之和匹配于标准高电平持续时间和标准低电平持续时间之和，表示单个码元的持续时间与理论码元波形是一致的，因此单个码元的高电平持续时间和低电平持续时间此消彼长，二者的和为单个码元的时间，二者的和与标准码元的标准高电平持续时间和标准低电平持续时间之和相匹配。因此在识别码元时同时将单个码元的高电平持续时间和低电平持续时间同时作为判断依据可以提高码元识别的准确性。

在一个实施例中，高电平允许误差范围内的最大值与低电平允许误差范围内的最大值均小于标准码元的最小码元宽度的二分之一。

滤波后的信号的波形与标准码元的波形相比，很大可能不会完全重合，而是在标准码元的波形上左右波动。以上升沿向左边波动范围表示ΔL，向右边波动范围表示ΔR为例，ΔL与ΔR分别表示上升沿或下降沿左边的失真值和右边的失真值，高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内是指高电平持续时间减去标准码元的标准高电平持续时间的差在ΔL+ΔR内，或指标准码元的标准高电平持续时间减去高电平持续时间的差在ΔL+ΔR内，以标准码元的高电平持续时间为TH为例，滤波后的信号的高电平持续时间在TH_min到TH_max之间时，认为高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，其中THmin＝TH-ΔL-ΔR，TH_max＝TH+ΔL+ΔR。高电平允许误差范围内的最大值与低电平允许误差范围内的最大值均为ΔL+ΔR，ΔL+ΔR小于标准码元的最小码元宽度的二分之一，便于区分误差和标准码元的最小码元宽度。

ΔL与ΔR与值与进入可编程器件的时间信号的质量有关，该值可以称为滤波失真值，其反映了滤波后与理论值失真程度。由于时间信号在实际传输过程中，传输环境不同，信号质量也不同，可以使用示波器来判断信号的失真程度，即码元波形质量，码元的毛刺部分不小于最小码元宽度，避免混淆码元与毛刺。ΔL与ΔR取值还与码元质量和最小码元宽度有关，例如IRIG-B码的最小码元宽度为2ms时，ΔL与ΔR和的最大值要小于最小码元宽度的1/2即1ms，为了方便计算，假设ΔL与ΔR相等，即最大值为0.5ms，最小值大于0即可。可以理解，在其他实施例中，ΔL与ΔR取值也可以为其他，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，标准码元的类型为两种以上。标准码元的类型的数量并不是唯一的，当时间信号为IRIG码，标准码元的类型为三种，包括P码元、1码元和0码元，P码元为标志位，1码元表示二进制的1，0码元表示二进制的0，IRIG-B码通过这3种码元的组合完成时间信息的传输。IRIG-B时间码元为脉冲信号，可以通过AC或DC的模式传输。图2为以DC模式传输的IRIG-B码及各种码元的信息定义，P码元为高电平的宽度占8ms，低电平的宽度占2ms的码元，1码元为高电平的宽度占5ms，低电平的宽度占5ms的码元，0码元为高电平的宽度占2ms，低电平的宽度占8ms的码元。图3为以AC模式传输的IRIG-B码及各种码元的信息定义，P码元为高幅值的宽度占8ms，低幅值的宽度占2ms的码元，1码元为高幅值的宽度占5ms，低幅值的宽度占5ms的码元，0码元为高幅值的宽度占2ms，低幅值的宽度占8ms的码元。可以理解，在其他实施例中，标准码元的类型的数量也可以为其他，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

为了更好地理解上述实施例，以下结合一个具体的实施例进行详细的解释说明。在一个实施例中，时间信号为RIG-B码信号，时间信号码元识别方法基于可编程器件实现，包括FPGA、CPLD和PLD等，如图9为可编程器件的结构示意图，主要工作流程为：首先IRIG-B码输入从可编程器件引脚输入，先经过同步处理模块进行同步处理，其次经过滤波模块进行滤波处理，然后码元容错识别模块对滤波后的码元进行容错识别得到有效码元，最后其他需要使用识别结果的模块就可以使用码元按照IRIG-B码的协议规范进行解码，最后输出时间等信息。

时间信号码元识别方法包括同步、滤波、取沿和容错识别功能，IRIG-B码码元由时钟装置发送方通过传输线到达可编程器件的引脚并进入器件，IRIG-B码信号为可编程器件的外部输入的异步信号，只有数据信号线没有时钟信号线，为了防止亚稳态在器件中传播，需要进行同步处理，尽可能消除亚稳态，提高稳定性。IRIG-B码信号经过同步后可能会存在毛刺，此时需要对同步后的信号进行滤波，消除毛刺，滤波的参数需要根据实现的毛刺特征来确定。IRIG-B码信号经过同步和滤波后需要对其上升沿和下降沿进行取沿，为了后面的码元识别功能做准备。对IRIG-B码码元进行容错识别，主要是对码元信号的高电平和低电平保持时间进行计数统计，然后与确定了ΔL与ΔR之后得到的各个码元计数范围进行对比从而得到码元类型或识别错误码元，将识别结果用于其他模块，比如：进行帧起始判断、时间信息的解码和控制信息的解码等。容错识别部分包括：先记录码元的高电平持续时间，其次根据记录的值是否在THmin和THmax范围之间确定是否为3种码元的某一种或者为错误码元，然后记录低电平持续时间，最后根据记录的值是否在TLmin和TLmax范围之间确定是否为3种码元的某一种或者为错误码元，结合这连续两次码元识别的结果取“与”逻辑，即可得到确定码元。

具体地，理论输入信号为常见的数字信号高电平的理想波形，由于信号从发送方到接收方传输过程中会收到各种各样因素的影响，导致信号传输到接收方时上升沿和下降沿产生畸变和毛刺，导致信号失真，从而影响对该信号的使用。图4和图6中可编程器件引脚输入信号这种情况就是在恶劣的传输环境产生的，上升沿或下降沿都产生畸变和毛刺，直接使用必然会导致意外的错误。因此，图4和图6中同步后的信号表示，引脚输入信号在经过可编程器件中的高速时钟同步处理后的信号，同步处理也可以称作跨时钟域处理。同步处理的作用是为了消除数据在跨时钟域传输过程中的亚稳态，同步方法有许多，常用的方法有，使用寄存器打3拍、输入信号经过FIFO和输入信号经过RAM等等，这些方法的变体也有很多。如下图5为打3拍的数据传输过程，IRIG-B码从可编程器件的引脚输入，经过寄存器1、2、3完成打3拍，寄存器3输出的Data3为打拍结果，其用于后面的滤波、识别和解码等功能模块。

经过滤波滤除毛刺就得到可编程器件内部可用的信号。滤波的作用是消除信号中高低电平持续时间小于某个值的情况，滤波方法也有很多种，主要方法是使用合适的时钟对滤波前信号的高、低电平持续时间进行统计，比如：已知输入信号有效的电平的持续时间有2ms、5ms和10ms的情况，时钟为100MHz，期望滤除0.1ms的毛刺，则在高、低电平变化的瞬间对计数器进行重新计数，并持续将当前计数值与10000比较，如果小于10000则维持电平值不变，大于10000则将最新电平值作为实际值。图4只举例了理论输入信号高电平持续时间大于滤波后的信号高电平持续时间的情况，理论输入信号高电平持续时间小于滤波后的信号高电平持续时间的情况是因为同步后的信号出现低电平毛刺Δ的时间小于滤波阈值，因此认为该低电平无效维持高电平不变。

理论码元波形为IRIG-B码的码元，IRIG-B码中包括的所有信息都是由这3个码元组成的。同步、滤波后的码元波形是IRIG-B码信号经过实际传输到可编程器件引脚，并同步、滤波后的波形。图10中虚线部分为IRIG-B码经过同步、滤波后的波形可能的范围，与理论码元波形相比，它的波形不是固定的，是在一定范围内左右波动，因此不能简单的按照理论码元波形识别。图10中码元“P”的上升沿的局部细节表示同步、滤波后的波形抖动范围，上升沿向左边波动范围表示ΔL，向右边波动范围表示ΔR，ΔL与ΔR的值由实际IRIG-B码的码元波形质量决定，时间码元波形质量好的就可以设置一个小的值，反之质量差的就可以设置一个大的值。需要注意的是单个码元的持续时间与理论码元波形是一致的，因此单个码元的高电平时间和低电平时间此消彼长，二者的和为单个码元的时间，因此在识别码元时必须同时对单个码元的高电平时间和低电平时间识别才能达到较高的识别准确率。

ΔL与ΔR分别表示上升沿或下降沿左边的失真值和右边的失真值，THmin与THmax分别表示码元高电平持续时间可能的最小值和最大值，TLmin和TLmax分别表示码元低电平持续时间可能的最小值和最大值，因为有3种码元，因此每种码元都有特定的THmin、THmax、TLmin和TLmax，并且同一种码元必须同时符合高低电平的最大最小范围，才可以确认为该码元有效。由于IRIG-B码在实际传输过程中，传输环境不同，信号质量也不同，这个需要使用示波器来判断信号的失真程度，即码元波形质量，码元的毛刺部分不能小于最小码元宽度，因为这样码元与毛刺就混淆分不清了。

ΔL与ΔR与值与进入可编程器件的质量有关，该值可以称为滤波失真值，其反映了滤波后与理论值失真程度。取值与码元质量和最小码元宽度有关，IRIG-B码的最小码元宽度为2ms，ΔL与ΔR和的最大值要小于最小码元宽度的1/2即1ms，为了方便计算，假设ΔL与ΔR相等，即最大值为0.5ms，最小值大于0即可。

以同步、滤波后的码元“1”举例说明，图11中的THmax、TH和THmin分别表示码元“1”高电平的最大持续范围、理论持续时间和最小持续时间，同理图11中的TLmax、TL和TLmin分别表示码元“1”低电平的最大持续范围、理论持续时间和最小持续时间。具体容错识别过程：先记录码元的高电平持续时间，其次根据记录的值是否在THmin和THmax范围之间确定是否为3种码元的某一种或者为错误码元，然后记录低电平持续时间，最后根据记录的值是否在TLmin和TLmax范围之间确定是否为3种码元的某一种或者为错误码元，这连续两次码元识别结果取“与”逻辑，即可得到确定码元。

具体地，首先，上升沿到了，清零计数器并重新开始从0计数，下降沿到了，记录此时计数器的值TH，再次清零计数器并从0计数，其次根据TH值是否在THmin(TH-ΔL-ΔR＝THmin)和THmax(TH+ΔL+ΔR＝THmax)范围之间确定是否为3种码元的某一种，如果不是则为错误码元重新开始计数高电平持续时间，如果是3种码元中的一种，则继续记录低电平持续时间，当上升沿到了记录此时计数器的值TL，最后根据记录的TL值是否在TLmin(TL-ΔL-ΔR＝TLmin)和TLmax(TL+ΔL+ΔR＝TLmax)范围之间确定是否为3种码元的某一种,如果不是则为错误码元重新开始计数高电平持续时间，如果是3种码元中的一种则根据这连续两次码元识别结果是否为同一种码元，如果是则得到确定码元，否则重新开始计数高电平持续时间。

实际码元由引脚进入可编程器件到识别完成并将结果提供给其他模块使用，请参见图12，采用如下方法实现：

步骤S1、IRIG-B码码元由时钟装置发送方通过传输线到达可编程器件的引脚并进入器件。

步骤S2、IRIG-B码信号为可编程器件的外部输入的异步信号，只有数据信号线没有时钟信号线，为了防止亚稳态在器件中传播，需要进行同步处理，尽可能消除亚稳态，提高稳定性。

步骤S3、IRIG-B码信号经过同步后可能会存在毛刺，此时需要对同步后的信号进行滤波，消除毛刺，滤波的参数需要根据实现的毛刺特征来确定。

步骤S4、IRIG-B码信号经过同步和滤波后需要对其上升沿和下降沿进行取沿，为了后面的码元识别功能做准备。取沿的具体过程请参见图6，如果要对Data1取沿，先将Data1取反得到Data2，则将Data1延迟一拍得到Data3，然后将Data3取反得到Data4，最后Data1与Data4取与逻辑得到上升沿，Data2与Data3取与逻辑得到下降沿。

步骤S5、对IRIG-B码码元进行容错识别，主要是对码元信号的高电平和低电平保持时间进行计数统计，然后与确定了ΔL与ΔR之后得到的各个码元计数范围与THmin和THmax范围进行对比从而得到码元类型或识别错误码元。

步骤S6、将识别结果用于其他模块，比如：进行帧起始判断、时间信息的解码和控制信息的解码等等。这些都属于可编程器件内部需要实现的，靠3种码元的排列组合实现该协议，根据协议要求帧起始判断需要是两个连续的P码即可判断为帧起始，然后根据协议中时间信息所在的位置将相应时间信息段的码元按着协议组合起来就得到时间信息，同理其他控制信息的解码也是在规定位置找到基础码元并组合到一起实现的。

如图13所示，此流程图是对IRIG-B码码元进行容错识别的详细流程：

步骤S7、检测到上升沿并对相关寄存器进行初始化。上升沿表示新码元的开始，因此要将上个码元残留的状态寄存器初始化，防止上个码元识别过程中的状态影响到此次码元识别。

步骤S8、对该码元的高电平保持时间进行计数。码元“P”、码元“1”和码元“0”的起始位置都是上升沿，因此检测到上升沿并进行寄存器初始化之后需要对码元的高电平持续时间进行计数统计，为整个码元的识别做准备。

步骤S9、检测到下降沿，根据此时计数器的值初步确定码元类型。当检测下降沿时说明该码元的高电平部分计数统计完成，根据计数器的最后的值就可以初步确定码元类型，只要与下面步骤中提到的低电平持续时间计数值放到一起就可以确定码元类型。

步骤S91、出现错误码元。即高电平的持续时间计数超过了IRIG-B码码元高电平持续时间在考虑ΔL与ΔR之后的最大值之后，直接跳到下一个新码元的识别。

步骤S10、对该码元的低电平保持时间进行计数。在检测到下降沿时表示该码元的高电平持续时间结束了，因此进行低电平保持时间计数统计。

步骤S11、检测到上升沿，根据此时计数器的值完全确定码元类型。当再次检测到上升沿说明完全完成该码元的高低电平持续时间计数统计，因此根据二者的值与每个码元高低电平在考虑ΔL与ΔR之后的THmin和THmax范围进行对比即可得到确定码元类型。

步骤S12、识别下一个码元。完成整个码元识别或识别到错误码元后继续下一个码元的识别。

时间信号码元识别方法具有同步、滤波、取沿和容错识别等功能。其主要是在可编程器件外部没有信号调理电路或调理电路性能不足且码元信号传输环境复杂恶劣时，在可编程器件内部利用逻辑实现同步和滤波功能。同时对同步、滤波后的码元信号与理论码元的高低电平持续时间不匹配时，添加容错功能提供码元识别成功率而又不降低识别准确性。从而实现在复杂和恶劣环境正常工作的码元识别方法，这对提高用时系统的准确性和稳定性具有重要意义。

上述时间信号码元识别方法，首先对时间信号进行同步处理，以消除时间信号在传输过程中的亚稳态，得到高低电平信号，然后滤除高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号，接着对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。通过对码元识别添加容错，提高了时间信号码元信号质量不佳时的码元识别成功率，提高了用时系统的使用可靠性。

在一个实施例中，请参见图14，提供一种时间信号码元识别装置，包括同步处理模块200、滤波模块400、取沿模块600和码元容错识别模块800，同步处理模块200用于对时间信号进行同步处理，得到高低电平信号，滤波模块400用于滤除高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号，取沿模块600用于对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，码元容错识别模块800用于当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。

在一个实施例中，时间信号码元识别装置还包括错误码元识别模块。错误码元识别模块用于在取沿模块对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间之后，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值不在高电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元，或者当低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值不在低电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元。

在一个实施例中，时间信号码元识别装置还包括继续识别模块，继续识别模块用于在错误码元识别模块在取沿模块对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间之后，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值不在高电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元，或者当低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值不在低电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元之后，识别时间信号的下一个码元。

关于时间信号码元识别装置的具体内容，可参见上文对时间信号码元识别方法的具体说明，在此不再赘述。上述时间信号码元识别装置，首先对时间信号进行同步处理，以消除时间信号在传输过程中的亚稳态，得到高低电平信号，然后滤除高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号，接着对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。通过对码元识别添加容错，提高了时间信号码元信号质量不佳时的码元识别成功率，提高了用时系统的使用可靠性。

在一个实施例中，提供一种时间系统设备，包括时钟装置和如上述的时间信号码元识别装置。时间信号码元识别装置可为可编程器件，时间信号由时钟装置发送方通过传输线到达可编程器件的引脚并进入器件，再由可编程器件进行同步、滤波和容错识别等处理。上述时间系统设备，首先对时间信号进行同步处理，以消除时间信号在传输过程中的亚稳态，得到高低电平信号，然后滤除高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号，接着对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。通过对码元识别添加容错，提高了时间信号码元信号质量不佳时的码元识别成功率，提高了用时系统的使用可靠性。

上述时间系统设备，首先对时间信号进行同步处理，以消除时间信号在传输过程中的亚稳态，得到高低电平信号，然后滤除高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号，接着对滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，当高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为标准码元的类型。通过对码元识别添加容错，提高了时间信号码元信号质量不佳时的码元识别成功率，提高了用时系统的使用可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种时间信号码元识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

对时间信号中的当前码元进行同步处理，得到高低电平信号；所述时间信号为IRIG-B码；

滤除所述高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号；

对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间；

当所述高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且所述低电平持续时间与所述标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为所述标准码元的类型。

2.根据权利要求1所述的时间信号码元识别方法，其特征在于，所述对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间，包括：

检测到所述滤波后的信号的上升沿时，对寄存器进行初始化，记录高电平起始时间；

检测到所述滤波后的信号的下降沿时，记录高电平终止时间，根据所述高电平起始时间和所述高电平终止时间得到所述滤波后的信号的高电平持续时间；

当再次检测到所述滤波后的信号的上升沿时，根据当前检测时间和所述高电平终止时间得到所述滤波后的信号的低电平持续时间。

3.根据权利要求1所述的时间信号码元识别方法，其特征在于，所述对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间之后，还包括：

当所述高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值不在高电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元。

4.根据权利要求1所述的时间信号码元识别方法，其特征在于，所述对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间之后，还包括：

当所述低电平持续时间与标准码元的标准低电平持续时间的差异值不在低电平允许误差范围内时，识别当前码元为错误码元。

5.根据权利要求3-4任意一项所述的时间信号码元识别方法，其特征在于，所述识别当前码元为错误码元之后，还包括：

识别所述时间信号中的下一个码元作为当前码元，并返回所述对时间信号中的当前码元进行同步处理，得到高低电平信号。

6.根据权利要求1所述的时间信号码元识别方法，其特征在于，所述高电平持续时间与所述低电平持续时间之和匹配于所述标准高电平持续时间和所述标准低电平持续时间之和。

7.根据权利要求1所述的时间信号码元识别方法，其特征在于，所述高电平允许误差范围内的最大值与所述低电平允许误差范围内的最大值均小于所述标准码元的最小码元宽度的二分之一。

8.根据权利要求1所述的时间信号码元识别方法，其特征在于，所述标准码元的类型为两种以上。

9.一种时间信号码元识别装置，其特征在于，包括：

同步处理模块，用于对时间信号中的当前码元进行同步处理，得到高低电平信号；所述时间信号为IRIG-B码；

滤波模块，用于滤除所述高低电平信号中的毛刺，得到滤波后的信号；

取沿模块，用于对所述滤波后的信号的上升沿和下降沿进行取沿，得到所述滤波后的信号的高电平持续时间和低电平持续时间；

码元容错识别模块，用于当所述高电平持续时间与标准码元的标准高电平持续时间的差异值在高电平允许误差范围内，且所述低电平持续时间与所述标准码元的标准低电平持续时间的差异值在低电平允许误差范围内时，识别当前时间信号的码元类型为所述标准码元的类型。

10.一种时间系统设备，其特征在于，包括时钟装置和如权利要求9所述的时间信号码元识别装置。

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