Application NTP Network Time Server in a television broadcast system
Global Positioning System (GPS) no time difference and high positioning accuracy, by the environmental impact of small, recently hit the fast application development system in television. Especially in recent years to upgrade it has been widely applied in traditional broadcasting to digital broadcasting.
一 GPS简介及基本原理
GPS是NAVSTAR/GPS（Navigation SatelliteTiming and Ranging/Global Positioning System）的简称，是由美国国防部研制的导航卫星测距与授时、定位和导航系统，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这24颗卫星等间隔分布在6个互成60度的轨道面上，这样的卫星配置基本上保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星。GPS由三部分构成：一是GPS卫星（空间部分）：21颗工作卫星，3颗备用卫星；二是地面支撑系统（地面监控部分）：1个主控站，3个注入站，5个监测站；三是GPS接收机（用户部分）：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。
GPS的基本授时原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。GPS授时系统需要的只是时间信息。GPS的基本授时原理示意如图1。
图1 GPS的基本授时原理示意
GPS向全球范围内提供定时和定位的功能，全球任何地点的GPS用户通过低成本的GPS接收机接受卫星发出的信号，获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。GPS系统受美国军方控制，其P码较C/A码精度高但是仅对美国军方和授权用户开放。民用C/A码则免费向全球开放。GPS授时系统就是接收的民用C/A码。GPS要实时完成定位和授时功能，需要4个参数：经度、纬度、高度和用户时钟与GPS主钟标准时间的时刻偏差，所以需要接受4颗卫星的位置。若用户已知自己的确切位置，那么接受1颗卫星的数据也可以完成定时。
若设（x，y，z）为接收机的位置，（xn，yn，zn）为已知卫星的位置，则列解下列方程就可以得到x，y，z和标准时间T：
(x-x1)2 +(y-y1)2 +(z-z1)2=C2(T+ΔT-T1-τ1)
(x-x2)2 +(y-y2)2 +(z-z2)2=C2(T+ΔT-T2-τ2)
(x-x3)2 +(y-y3)2 +(z-z3)2=C2(T+ΔT-T3-τ3)
(x-x4)2 +(y-y4)2 +(z-z4)2=C2(T+ΔT-T4-τ4)
其中：ΔT为用户时钟与GPS主钟标准时间的时差；Tn为卫星n所发射信号的发射时间；τn为卫星n上的原子钟与GPS主钟标准时间的时差。
GPS接收机由接收模块和天线组成。接收机能同时接收4～8颗卫星的信号，其内部硬件电路和处理软件通过对接收信号的解码和处理，能从中提取并输出两种时间信号：一是间隔1 s的脉冲信号，即1 PPS，其脉冲前沿与国际标准时间(格林威治时间)的同步误差不超过1 μs；二是经RS-232串行口输出的与1 PPS脉冲前沿相对应的国际标准时间和日期代码(年-月-日，时∶分∶秒)。
图2为此接收机的接收和输出简单示意图。
Application when the system is granted two GPS timing system in a television broadcast
在整个电视播出系统中，授时系统是整个播出系统协同工作的关键，如各频道台标机标准北京时间的显示，各频道电视节目的准点播出，硬盘播出系统的系统时间同步，DVB播出系统的系统时间同步,新闻直播时间同步，乃至全台的标准时间同步都依赖于这个授时系统。
GPS授时系统在电视播出系统授时的应用如图3。 在湖北电视台全硬盘播出系统中，采用GPS授时系统取代了CCTV场逆程授时信号，为播出系统精确的时间基准，实时调整系统时钟。定时精度优于1微秒。
1. 湖北台播出系统基本授时工作流程
为保证系统的安全可靠，时钟系统配置了两套卫星接收天线和卫星校时钟（HR-901GB），还经过时钟切换器(HR-901GB)互为备份。如果GPS信号停止发射或者其他原因中断时，卫星校时钟仍然可以采用内部晶振产生时码信号保证安全播出。时码发生器接收时码信号转换为EBU时码和RS232串行时码。由于湖北台时钟服务器的子钟卡是SZ时码输入，所以环串出一路SZ时码分配到2台时钟服务器。RS232串行时码输出暂时闲置。
其中SZ码送到时钟服务器。SZ码分别接入到主备时钟服务器的PCI子钟卡用于锁定时钟服务器系统时间，同时通过以太网向整个播出网络广播时间信息，各工作站接收到时间信息后比对校正本机时间完成各工作站系统校时。主备时钟服务器实现实时热备，保证安全播出。EBU时码通过时码分配器分为多路后分别送到各频道台标机用于北京时间的显示；送到各个机房子钟，各演播室和新闻直播室用于播出控制和直播的时间基准；送到DVB播出系统再分配后用于DVB系统的播出，原理与硬盘播出系统相同。
2. RS232串行码、SZ码、EBU码的解析
RS232输出：接口类型：单向输出（无需握手应答），数据格式：4800bps，8位数据，一个停止位，无奇偶校验；每秒发送一次，共9个字，依次是同步字（16进制AA）、00、年、月、日、星期、时、分、秒。其中年、月、日、星期、时、分、秒为BCD码。
SZ码（串行BCD反码的调宽码）：共49位，码元宽度64μs。其中首位0为秒脉冲，其后依次为年8位，月7位，日8位，星期4位，小时6位，分7位，秒7位，最后为一位结束位为0，每秒发送一次。
EBU码是平衡输出的，每秒25帧，每一帧40ms，共80位。包括32个用户二进位备用比特，16个同步比特，31个分配地址，1个未分配地址。每个比特宽度为500微秒，如果时间码中所有的比特都为“1”，相应的频率为2KHz，如果所有的比特为“0”，频率为1KHz。在任一帧率下，由0和1构成的实际时间码信号大致在1和2千赫之间变化，正好在录音通道平均频率范围的中间。
具体比特定义如下：
* 0~3：帧个位；
* 4~7：第1二进制组；
* 8~9：帧十位；10：失落帧标志；
* 11：彩色帧标志；
* 12~15：第2二进制组；
* 16~19：秒各位；20~23：第3二进制组；
* 24~26：秒十位；27：双向定标相位校正比特；
* 28~31：第4二进制组；
* 32~35：分个位；
* 36~39：第5二进制组；
* 40~42：分十位；
* 43：二进制组标志比特；
* 44~47：第6二进制组；
* 48~51：时个位；
* 52~55：第7二进制组；
* 56~57：时十位；
* 58：未分配地址；
* 59：二进制组标志比特；
* 60~63：第8二进制组；
* 64~79：“0011111100111111”（同步字）。
三 各主要部分工作原理 在此GPS授时系统中核心设备就是卫星校时钟、时码发生器和网络授时系统，现对各部分作进一步分析。
1. 卫星校时钟工作原理
卫星校时钟采用专用的卫星接收机GPS接收并解调AC码得到时码和秒脉冲，作为时间系统的参考标准，同步系统时钟。具体原理如图4。
图4卫星校时钟工作原理
通过高增益的接收天线和卫星接收主机模块接收卫星发射的时钟信号，与系统内钟输出的时码信号同时送到秒脉冲控制模块，由硬件电路进行时码和秒脉冲的比较、判别和处理，以保证输出秒脉冲和钟面的清晰度和可靠性。当信号失效时秒脉冲控制器仍能用系统内钟的时码信号保证中高精度的时码输出，使系统正常运转。时码显示主要用于钟面的时间显示。中心控制和处理单元，它能完成所有的时码转换、显示及多种控制功能。
另一种方式是使用卫星校时钟和时码发生器与高稳时钟配套使用，在时码发生器前级加一级高稳时钟，当时码信号出现失效时高稳时钟内钟仍可以保证系统时钟高精度的输出。当高稳时钟时码信号输入恢复时需要手动确认输入，以防止错误时码输入造成错误时码输出。
2. 时码发生器工作原理
时码发生器工作原理如图5。时码发生器由多片单片机和转换模块构成。单片机Ⅰ读取外部输入的标准时码，进行判断，无误后以并行码格式传输给单机Ⅱ，由单片机Ⅱ产生与标准时码同步的EBU码，最后经非平衡/平衡格式转换以平衡方式输出。单片机Ⅲ读入外部标准时码，进行判断无误后，转换成相应波特率的TTL电平串行码，再经电平转换输出RS232及RS422时码信号。用户可以根据自己的实际需要来选择时码信号输出，接驳多种设备，为之提供标准时间。
3. 网络授时工作原理
SZ码接入时钟服务器，时钟服务器使用PCI子钟卡安装在时钟服务器的PCI插槽内，安装驱动软件后即可以使用。程序执行时，在系统桌面任务栏的时间区域将出现一个黑色小窗体，将系统时间盖住。窗体内的时间显示为从外部授时源读取的时间。此时系统时间亦被修改。窗体中显示的颜色为绿色时，说明外部有时间信号送入。如果变成红色，说明外部没有信号送入。子钟卡锁定时钟服务器的系统时间，整个网络系统采用全网实时授时结构。数据库服务器，播出控制机，上载控制机和延时播控制机通过网络统一和主时钟服务器进行时间校准，备时钟服务器实时热备。这个过程中时钟服务器安装锁时软件服务端，通过TCPIP协议向整个以太网络广播时间信息，各工作站分别安装锁时软件的客户端，根据接收到的信息比对本机时钟，如有差别实时调整本机的时钟，确保与外部授时源的时间同步精度。工作站发现时间差别的调整方式也不是采用跳跃方式，而是采用调整时间步进的方式，逐渐使时间跟上系统时钟。这样可以避免自动校时过程因为时间跳变引起系统不必要的逻辑混乱。
当然RS232串行时码输出也可以用于时钟服务器的校时接入，只要将RS232串行时码输出连接到时钟服务器的串口，并安装相应的校时软件即可校准时钟服务器的系统时间。此方式不需要安装PCI子钟卡，各工作站的网络校时方式和SZ码接入时相同。需要注意的是RS232输出口至时钟服务器的串口物理连线不可以大于10米的限制，否则电气性能得不到保证。但仍然不失为一种比较经济的时钟服务器解决方案。
河南广电局使用该授时系统运行至今两年来，工作稳定可靠，授时精度达到系统技术要求，确保了系统的安全播出，取得了良好的社会效益。
