GPS在電臺播出系統的應用

河南人民廣播電臺技術部 張 濱

全球衛星定位系統（GPS）在全球范圍內提供定時和定位功能，全球任何地點的GPS 用戶通過低成本的GPS 接收機接收衛星發出的信號，獲取準確的時間位置信息、同步時標及標準時間。隨著現代廣播電臺走向了自動化、智能化、數字化，自動播出音頻工作站系統接收全球衛星定位系統的標準時間信號，令系統時鐘同步；整點播報時間準確，使各臺報時準點一致。河南人民廣播電臺隨著科學技術的發展，不斷采用一些新的科技成果，以提升本臺播出系統的技術實力。本文，筆者介紹了本臺如何將GPS利用于播出系統的時鐘系統。

一、時鐘系統組成

時鐘系統為電臺提供標準時間，以青島廣播電視科研所的GPS 作為基本時鐘源，通過較準高穩時鐘后提供更精確的標準時間,再通過時碼分配驅動器為子鐘、顯示器、工控機提供標準時間信號，為計算機自動播出系統提供ASCⅡTIME RS232 信號，使數字音頻錄、播網絡系統按照標準時間可準確的運行，確保節目的準點、按時播出。該系統組成如圖1所示。

圖1 時鐘系統

二、運行原理

1.GPS 基本原理。GPS 是NAVSTAR/GPS（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）的簡稱，是由美國國防部研制的導航衛星測距與授時、定位和導航系統。該系統由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成，這24顆衛星等間隔分布在6個互成60°的軌道面上，其衛星配置基本保證了地球任何位置均能同時觀測到至少4顆GPS衛星。

GPS 向全球范圍提供定時和定位的功能，全球任何地點的GPS 用戶通過低成本的GPS 接收機接收衛星發出的信號，獲取準確的空間位置信息、同步時標及標準時間。GPS 要實時完成定位和授時功能，需要4個參數：經度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標準時間的時刻偏差，所以需要接收4 顆衛星的位置。若用戶已知自己的確切位置，那么接收1顆衛星的數據也可以完成定時。

由于GPS 采用被動定位原理，星載高穩定度的頻率標準是精密定位和授時的關鍵。工作衛星上一般采用的是銫原子鐘作為頻標。GPS衛星上的衛星鐘通過和地面的GPS主鐘標準時間進行對比，這樣就可以使衛星鐘與GPS 主鐘標準時間保持精確同步。GPS 衛星發射的幾種不同頻率的信號，都是來自衛星上同一個基準頻率。GPS 接收機對GPS 衛星發射的信號進行處理，經過一套嚴密的誤差校正，使輸出的信號達到很高的長期穩定性。定時精度能夠達到30ns 以內。在精確定位服務（PPS，Precise Position Service）下，GPS 提供的時間信號與世界協調時間（UTC，Universal Time Coordinated）之間小于15ns。若采用差分GPS技術，則與UTC之差能達到幾個納秒。因此，GPS系統不僅是一個全天候的導航定位系統，而且是一個高精度的定時系統；利用GPS信息中的標準時間個定時信號，能實現標準時間尺度的建立和高精度的時間（頻率）的統一與同步，以及高精度時間頻率的比對。

2.衛星校時鐘。衛星校時鐘采用專用的衛星接收機系統GPS 并解調出AC 碼，得到高精度的時間碼個秒脈沖，作為示時鐘系統的校準信號。

3.高穩時鐘。高穩時鐘，作為時鐘系統的核心，其內部使用高穩晶振，即使校準源校時信號中斷，仍可以較高的穩定度維護運行。

高穩晶振輸出5 MHz正弦波信號，經整形放大，送分頻網絡分頻，產生標準1 Hz信號，即秒脈沖。單片機對秒脈沖計數并換算成時間，時碼緊隨秒脈沖串行輸出，形成完整的串行壓縮BCD碼。外部輸入的校準時間碼被單片機讀入，經判斷認為正確之后，讀入時間碼校準高穩時鐘，由單片機控制選通電子開關，則隨后引入的校準時碼可同步分頻網絡，使本地時鐘的相位同步于校準源。

4.HLC62 時碼分配驅動器。主要用途是將一路時碼輸入，轉為多路時碼輸出，用于時鐘系統碼的多路時碼的分配。

主要特點有輸入為高阻，波形經整形后驅動輸出；輸出為低阻，各路隔離。

5.校時卡或子鐘。

（1）校時卡核心為高性能微型計算機，它與高性能可編程門陣列邏輯IC 等配合，可進行復雜的信號處理、數據計算。當PC機要求讀鐘時，校時卡將時間碼準時送出，而校準PC機主板鐘。

（2）子鐘電路分為校時接口、信號處理、單片機控制、信號轉換、譯碼顯示等主要模塊。校時模塊輸出統一的串行時碼，經整形處理后，送譯碼顯示單元顯示。各直播室、錄音室及重要機房均配有子鐘顯示單元。

三、校時在播出網絡系統中的應用

1.播出網絡的時鐘同步。時間同步對于整個播出網絡的重要性不言而喻，必須要有一個穩定可靠的時鐘同步網絡為其提供保證。時鐘源由GPS 校時卡提供，各個服務器及終端工作站都安裝了校時程序，按一定時間間隔與域服務器的時間進行校準；域服務器不斷與校時站進行時間鎖定，用于網絡的時間同步。置于每個直播間的主備DAW工作站及各應急DAW工作站都安裝了校時軟件，設定為每30 s與域服務器校對一次時間，各工作站的PC 時間如有與網絡時間偏差，按網絡時間進行校正。工作原理如圖2所示。

圖2 時鐘同步網絡

2.時間信號用于整點報時。廣播電臺的報時信號成為最重要的校時基準，電臺報時信號是否精確、穩定，有時甚至影響到該電臺在社會上的公信力。由于計算機的CMOS 時間不精確，特別是在計算機工作繁忙的時候，時間出現偏差，容易造成各個系列臺的報時不同步，有時相差幾秒，甚至幾十秒。而GPS的標準時間信號令時鐘同步，從而使得各臺報時準點一致，很好解決了這個問題。當時間到整點時，語音報時機的報時信號被觸發，報時機將按當時的時間將預先存儲在其內的報時語音送出，該信號被分為兩路，一路被送入模擬矩陣，一路被送入ATM交換機（以轉換為ATM網絡信號），兩路可任選一路分配到直播室的調音臺上進行播出。其工作流程如圖3所示。

圖3 報時授時系統

電臺在數字化、自動化、網絡化播出的今天，對于時間的要求越來越嚴格，同步播出，零時差切換必須一個精確的時間同步網絡于支持。該時鐘系統結構簡單，技術理念先進，在實際運行中可靠、穩定、準確。由于GPS全球衛星定位系統歸美國政府所有，受控于美國國防部，對世界各地的用戶未有任何政府承諾，而且用戶只支付了GPS 接收機的費用，并未支付GPS 系統的使用費用，因此這種授時系統自主性差，故而也帶來一些不穩定因素。例如故意降低GPS精度，關閉GPS在某個地區的發送信號，增加隨機擾碼，周圍環境對GPS無線信號的干擾等。