GPS在电台播出系统的应用

河南人民广播电台技术部 张 滨

全球卫星定位系统（GPS）在全球范围内提供定时和定位功能，全球任何地点的GPS 用户通过低成本的GPS 接收机接收卫星发出的信号，获取准确的时间位置信息、同步时标及标准时间。随着现代广播电台走向了自动化、智能化、数字化，自动播出音频工作站系统接收全球卫星定位系统的标准时间信号，令系统时钟同步；整点播报时间准确，使各台报时准点一致。河南人民广播电台随着科学技术的发展，不断采用一些新的科技成果，以提升本台播出系统的技术实力。本文，笔者介绍了本台如何将GPS利用于播出系统的时钟系统。

一、时钟系统组成

时钟系统为电台提供标准时间，以青岛广播电视科研所的GPS 作为基本时钟源，通过较准高稳时钟后提供更精确的标准时间,再通过时码分配驱动器为子钟、显示器、工控机提供标准时间信号，为计算机自动播出系统提供ASCⅡTIME RS232 信号，使数字音频录、播网络系统按照标准时间可准确的运行，确保节目的准点、按时播出。该系统组成如图1所示。

图1 时钟系统

二、运行原理

1.GPS 基本原理。GPS 是NAVSTAR/GPS（Navigation Satellite Timing 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。该系统由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°的轨道面上，其卫星配置基本保证了地球任何位置均能同时观测到至少4颗GPS卫星。

GPS 向全球范围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 接收机接收卫星发出的信号，获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间。GPS 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，所以需要接收4 颗卫星的位置。若用户已知自己的确切位置，那么接收1颗卫星的数据也可以完成定时。

由于GPS 采用被动定位原理，星载高稳定度的频率标准是精密定位和授时的关键。工作卫星上一般采用的是铯原子钟作为频标。GPS卫星上的卫星钟通过和地面的GPS主钟标准时间进行对比，这样就可以使卫星钟与GPS 主钟标准时间保持精确同步。GPS 卫星发射的几种不同频率的信号，都是来自卫星上同一个基准频率。GPS 接收机对GPS 卫星发射的信号进行处理，经过一套严密的误差校正，使输出的信号达到很高的长期稳定性。定时精度能够达到30ns 以内。在精确定位服务（PPS，Precise Position Service）下，GPS 提供的时间信号与世界协调时间（UTC，Universal Time Coordinated）之间小于15ns。若采用差分GPS技术，则与UTC之差能达到几个纳秒。因此，GPS系统不仅是一个全天候的导航定位系统，而且是一个高精度的定时系统；利用GPS信息中的标准时间个定时信号，能实现标准时间尺度的建立和高精度的时间（频率）的统一与同步，以及高精度时间频率的比对。

2.卫星校时钟。卫星校时钟采用专用的卫星接收机系统GPS 并解调出AC 码，得到高精度的时间码个秒脉冲，作为示时钟系统的校准信号。

3.高稳时钟。高稳时钟，作为时钟系统的核心，其内部使用高稳晶振，即使校准源校时信号中断，仍可以较高的稳定度维护运行。

高稳晶振输出5 MHz正弦波信号，经整形放大，送分频网络分频，产生标准1 Hz信号，即秒脉冲。单片机对秒脉冲计数并换算成时间，时码紧随秒脉冲串行输出，形成完整的串行压缩BCD码。外部输入的校准时间码被单片机读入，经判断认为正确之后，读入时间码校准高稳时钟，由单片机控制选通电子开关，则随后引入的校准时码可同步分频网络，使本地时钟的相位同步于校准源。

4.HLC62 时码分配驱动器。主要用途是将一路时码输入，转为多路时码输出，用于时钟系统码的多路时码的分配。

主要特点有输入为高阻，波形经整形后驱动输出；输出为低阻，各路隔离。

5.校时卡或子钟。

（1）校时卡核心为高性能微型计算机，它与高性能可编程门阵列逻辑IC 等配合，可进行复杂的信号处理、数据计算。当PC机要求读钟时，校时卡将时间码准时送出，而校准PC机主板钟。

（2）子钟电路分为校时接口、信号处理、单片机控制、信号转换、译码显示等主要模块。校时模块输出统一的串行时码，经整形处理后，送译码显示单元显示。各直播室、录音室及重要机房均配有子钟显示单元。

三、校时在播出网络系统中的应用

1.播出网络的时钟同步。时间同步对于整个播出网络的重要性不言而喻，必须要有一个稳定可靠的时钟同步网络为其提供保证。时钟源由GPS 校时卡提供，各个服务器及终端工作站都安装了校时程序，按一定时间间隔与域服务器的时间进行校准；域服务器不断与校时站进行时间锁定，用于网络的时间同步。置于每个直播间的主备DAW工作站及各应急DAW工作站都安装了校时软件，设定为每30 s与域服务器校对一次时间，各工作站的PC 时间如有与网络时间偏差，按网络时间进行校正。工作原理如图2所示。

图2 时钟同步网络

2.时间信号用于整点报时。广播电台的报时信号成为最重要的校时基准，电台报时信号是否精确、稳定，有时甚至影响到该电台在社会上的公信力。由于计算机的CMOS 时间不精确，特别是在计算机工作繁忙的时候，时间出现偏差，容易造成各个系列台的报时不同步，有时相差几秒，甚至几十秒。而GPS的标准时间信号令时钟同步，从而使得各台报时准点一致，很好解决了这个问题。当时间到整点时，语音报时机的报时信号被触发，报时机将按当时的时间将预先存储在其内的报时语音送出，该信号被分为两路，一路被送入模拟矩阵，一路被送入ATM交换机（以转换为ATM网络信号），两路可任选一路分配到直播室的调音台上进行播出。其工作流程如图3所示。

图3 报时授时系统

电台在数字化、自动化、网络化播出的今天，对于时间的要求越来越严格，同步播出，零时差切换必须一个精确的时间同步网络于支持。该时钟系统结构简单，技术理念先进，在实际运行中可靠、稳定、准确。由于GPS全球卫星定位系统归美国政府所有，受控于美国国防部，对世界各地的用户未有任何政府承诺，而且用户只支付了GPS 接收机的费用，并未支付GPS 系统的使用费用，因此这种授时系统自主性差，故而也带来一些不稳定因素。例如故意降低GPS精度，关闭GPS在某个地区的发送信号，增加随机扰码，周围环境对GPS无线信号的干扰等。