（译文）IRIG-B对时编码快速入门

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原文 PDF：https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/FTD/tekron/tekronwhitepapers/-A-guide-to-IRIG-B.pdf

IRIG-B3

概论

其中 IRIG-B 格式是最值得关注的。IRIG-B 是电力、工业自动化和控制行业中最常用的版本。
如图 1 所示：IRIG-B 是一个 100 Hz 的信号，每一帧包含 100 位数据，每个数据在 10 ms 的时间帧内传输，完成一帧传输的总时间为 1 秒（下表是信号相关参数表）
The time code that is worth focusing on is the IRIG-B format. IRIG-B is the most common version used within the Power, industrial automation and control industries. Referring to figure 1, IRIG-B is a 1 kHz signal which contains 100 bits of data, each transmitted over a 10 ms time frame, taking a total time of 1 second for a complete transmission (what amouthful…refer to table 1 for a summary）

IRIG-B 信号格式

IRIG-B 调制类型

调制方式决定了实际输出信号的波形、表示 0/1信号的样式。IRIG-B具有三种不同的调制类型：

1. 直流（DCLS）：通常这是 0-5 V 直流脉宽调制信号，其中不同的脉宽表示编码数据。由于其高精度（时钟输出精度可 < 100 ns），这是当今最常用的调制方法。DCLS IRIG-B 信号的如图 2 中黄色的轨迹所示。
   Direct Current Level Shift (DCLS) – typically this is a 0-5 Vdc pulse width modulated signal, where the different pulse widths represent coded data. This is the most common modulation method used today due to its high accuracy (< 100 ns at the port). An example of a DCLS signal is shown by the yellow trace in figure 2.
   
2. 载波调制–调幅（AM）：用1 kHz 的正弦波载波信号以 3：1 的比例调制。此信号无直流成分，适合远距离传输，这使得AM 在过去很受欢迎。但由于信号精度较低（时钟输出精度 < 2μs），现在 AM 不再是首选。AM IRIG-B 信号的一个示例可以在图2中的绿色轨迹上看到。
   Amplitude Modulated (AM) – modulated with a 1 kHz sine wave carrier signal with a 3:1 ratio, this signal has no DC content. This made AM popular in the past as it allowed the signal to be transmitted over long distances. Due to the low signal accuracy (< 2 microseconds at the port) AM is no longer the signal of choice. An example of an AM IRIG-B signal can be seen on the green trace in figure 2.
   
3. AM 调制 + 曼彻斯特编码：使用1 kHz 的方波作为载波；使用相位调制而不是 DCLS（曼彻斯特编码），该信号不包含直流偏置。这种调制方法可长距离传输，并时保持高精度（时钟精度 <100 ns）。这种调制方法是 IRIG-B最不常见的调制类型。
   Modified Manchester Modulation – Modified Manchester modulation is the least common modulation type for IRIG-B. Using a 1 kHz square wave with phase modulation rather than DC level shift, this signal contains no DC bias. This allows for transmission over long distances, while maintaining a high accuracy (<100 ns)
   

每种调制方式的精度和传输特性总结在下表中
The accuracy and transmission characteristics of each modulation type are summarised in table 2.

载波频率

1. 无载波 – 直流（DCLS IRIG-B）不需要载波调制，因此没有载波频率
   No carrier – DCLS requires no carrier frequency
   
2. 1 kHz载波 –【AM 调制】和【AM + 曼彻斯特编码】通常使用 1 kHz载波
   1 kHz carrier – AM and Modified Manchester both commonly use a 1 kHz carrier
   

综上，有三种 IRIG-B 格式代码：

1. IRIG-B00z – 没有载波 –> 直流 IRIG-B 信号（DCLS IRIG-B）
   IRIG-B00z – This is a DCLS IRIG-B signal with no carrier.
   
2. IRIG-B12z – 调幅（AM）信号，载波为1 kHz正弦波（AM IRIG-B）
   IRIG-B12z – This is an amplitude modulated (AM) signal with a 1 kHz carrier sine wave
   
3. IRIG-B22z – AM + 曼彻斯特编码的 IRIG-B 信号
   IRIG-B22x – This is the modified Manchester modulation type with a 1 kHz square wave carrie
   

IRIG-B 编码表达式

这里在下表 3 中定义 IRIG-B 中不同编码内容使用的缩略词。编码内容的组合形成了编码表达式

1. IRIG-B004 – 没有载波、传送完整信息的 IRIG-B 信号（DCLS IRIG-B 信号，传送 4 号数据）
   IRIG-B004 – This is a DCLS IRIG-B signal with no carrier
   
2. IRIG-B124 – 使用载波调幅（AM）、载波为1 kHz正弦波、传送 4 号数据的 AM IRIG-B 信号
   IRIG-B124 – This is an amplitude modulated (AM) signal with a 1 kHz carrier sine wave
   
3. IRIG-B224 – 使用曼彻斯特编码、载波为 1 kHz方波、传送 4 号数据的 IRIG-B 信号
   IRIG-B224 – This is the modified Manchester modulation type with a 1 kHz square wave carrier
   

总结：IRIG-B 格式代码

IRIG-B 信号报文

物理IRIG-B信号由几个关键属性组成。了解这些属性并不重要，有助于全面了解 IRIG-B 信号的工作原理。也有助于在示波器上查看、分析 IRIG-B 信号。

起始标志

信号报文

• 时间信息的 BCD 码数被分成 10 个字节
  From the reference marker come the binary coded decimals which are split into ten 8-bit groups.
  
• 每个字节间被 8 ms 的位置标识符（P1 至 P0）分隔
  Each divided by 8 ms position identifiers (P1 to P0).
  
• 数据使用不同的脉冲宽度（脉宽调制）来编码
  The data contained in these blocks are coded using different pulse widths to represent either a binary 0 or a binary 1
  • 二进制 0 = 2 ms 宽度的脉冲
    A binary “0” is represented by a 2 ms pulse.
    
  • 二进制 1 = 5 ms 宽度的脉冲
    A binary “1” is represented by a 5 ms pulse.
    

  
  

• 获取位置标识符（Px）之间的所有位，可将 BCD 格式的二进制转换为十进制值，获得正确的时间和日期
  Taking all the bits between the position identifiers, you can convert binary to a decimal value to get the correct time and date.
  
• 秒、分、小时和年字段被分成两个 4 位部分。
  The seconds, minutes, hours and year field are broken into two 4-bit sections.
  • 前四位表示小数 0-9
    The first four bits represent decimals 0-9.
    
  • 后四位表示该数字整 10 倍，即 10、20、30、40、50
    The next four bits representing the 10’ s of that number – 0, 10, 20, 30, 40, 50.
    

  
  

具体每一位表示的内容如下
Please refer to table 5 for the full details.

控制功能

法国扩展标准 AFNOR NFS 87-500

1. 控制功能部分添加了额外的两个字段：【月 Month (0-12)】、【每月第几天 Day of Month (0-31)】
2. IRIG-B 中本年第几天最后一个字节未使用的位（42-48）用于显示星期（Day of Week 1-7）

IEEE C37.118.1（取代 IEEE-1344 和 C37.118）扩展标准

时间质量（TQ）

连续时间质量（CTQ）

设计和安装建议

传输介质：屏蔽双绞线（STP） / 同轴电缆

IRIG-B 最常使用同轴电缆作为传输介质。通常，RG58 电缆用于传输直流或载波 IFIG-B 信号，因为它易于布线，易于串接终端电阻，且具有良好的屏蔽特性。
The most common implementations of IRIG-B throughout the world use coaxial cable as the transmission medium. Generally, RG58 cabling is used to carry both AM and DCLS signals, as it is easy to wire, easy to clip on termination resistors and has good shielding characteristics.

其次最常见的是使用屏蔽双绞线（STP）电缆，比如标准以太网电缆。 屏蔽双绞线有几个优点，包括电缆屏蔽层、高传输速率、良好的屏蔽特性（特别是平衡对）、低电容特性。
The next most common is to use shielded twisted pair (STP) cabling like that found in a standard Ethernet cable – except with a braided shield around the outside of the cable. Shielded twisted pair has several benefits including high transmission rates, good shielding characteristics (especially with balanced pairs) and low capacitance characteristics.

如果只用于传输 IRIG-B 信号，哪种介质更好？ STP，因为 STP 有较低的电缆电容。
In the case of the transmission of IRIG-B, which one is better? The answer is STP. The key reason as to why STP is better than coax, is the lower cable capacitance.

• 对于 RG58 同轴电缆，建议在距离大于 50 m时安装信号中继器
• 对于 STP 屏蔽双绞线，建议在距离大于 100 m时安装信号中继器

终端电阻

对于直流 IRIG-B（DCLS IRIG-B）

• 对于屏蔽双绞线电缆 STP ，电缆阻抗通常为120 Ω（如 Belden 9841）。
  For a shielded twisted pair cabling, the cable impedance is usually 120 Ω (e.g. Belden 9841)
  
• 对于同轴电缆，电缆阻抗取决于你使用的电缆类型。
  For coaxial cable it will depend on what type of cable you use, as to the terminating resistor.
  • 对于RG 58，建议端接 50 Ω 电阻。
    For RG58 you would expect to use a 50 Ω terminating resistor.
    
  • 对于RG 59，建议端接 75 Ω 电阻。
    For RG59 a 75 Ω resistor.
    

  
  

在选择电阻器时，还需要考虑额定功率。 直流 IRIG-B 信号通常为 5 V，因此可以使用以下公式计算额定功率：
When selecting a resistor you will also need to consider the power rating. As DCLS is generally a 5 V DC signal, you can calculate the power rating easily using:

$P=\frac{V^2}{R}$

对于调幅载波 IRIG-B（AM IRIG-B）

在开始计算之前，需要收集以下信息（设终端电阻阻抗为$R_{term}$）：
Before starting this calculation you will need to know the following information:

1. 时钟输出的内部阻抗$R_s$。 可在时钟源的手册中找到相关参数，这里以 120 Ω 为例。
   The internal impedance of the clock’s output. In the case of Tekron’s range this is 120 Ω
   
2. 连接到 IRIG-B 总线上的每个从设备的输入阻抗 $R_1,R_2,\dots ,R_n$。 可在从设备手册中找到相关参数，通常为 kΩ 级。这里设每个从设备的输入阻抗为 6 kΩ，连接 5 个从设备（n = 5）。
   The input impedance of each IED that is connected to the IRIG-B bus. For most relays this will be in the range of kΩ’s. For this example we are assuming all the relays have a 6 kΩ input impedance. This can be found on most relay manufacturers datasheets.
   
3. 从设备接口允许的最大输入电压$V_{req}$（峰-峰值）， 可在从设备手册中找到相关参数，范围通常为 5V 到 10V。
   The input voltage requirements of the IED’s. This is where you need to determine the maximum voltage input that the relay allows. This can be anywhere from 5 Vdc to 10 Vdc. This can be found on most relay manufacturers datasheets.
   
4. 时钟源的输出电压$V_{out}$（峰-峰值）， 可在时钟源手册中找到相关参数。这里设定为 8 V。
   he output voltage of the clock. In the case of Tekron this is 8 V.
   

基于以上信息，首先可计算 IRIG-B 总线上的总负载$R_L$。由于它们是并联的，可列出方程如下：
Now that you have this information, the first step is to calculate the total load on the IRIG-B bus. This can be done by adding together all the input impedances of the slave devices. As they are connected in parallel we would expect the equation to look like this:

$\frac{1}{R_L}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\cdots +\frac{1}{R_n}$

$\frac{1}{R_L}=\frac{1}{R_s}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}=\frac{1}{6000}+\frac{1}{6000}+\frac{1}{6000}+\frac{1}{6000}+\frac{1}{6000}=\frac{5}{6000}$

因此总负载$R_L$为：
Solving for R_L:

$R_L=\frac{1}{5/6000}=1200\Omega$

根据并联电路分压原理，可得到：

$\frac{1/R_{term}+1/R_L}{R_S}=\frac{V_{req}}{V_{out}-V_{req}}\Rightarrow \frac{1}{R_{term}}+\frac{1}{R_L}=\frac{V_{req}\ast R_s}{V_{out}-V_{req}}$

整理得到终端电阻$R_{term}$的计算表达式：
Now that we know what RL is, we can work out the required terminating resistor by using the following equation:

$R_{term}=(\frac{V_{out}-V_{req}}{R_s\ast V_{req}}-\frac{1}{R_L}{)}^{-1}$

其中：

• $V_{out}$= 时钟源的输出电压（峰-峰值）。这里$V_{out}=8Vdc$
  The AM IRIG-B output voltage
  
• $V_{req}$= 从设备接口允许的最大输入电压（峰-峰值）。这里$V_{req}=6Vdc$
  The minimum required voltage for the slave device to operate
  
• $R_s$= 时钟输出的内部阻抗。这里$R_s=120\Omega$
  The output Impedance of the AM IRIG-B output
  
• $R_L$= 总负载。这里$R_L=1200\Omega$
  The total calculate load
  

带入公式后计算得到终端电阻$R_{term}$：
This gives us the following calculation:

$R_{term}=(\frac{V_{out}-V_{req}}{R_s\ast V_{req}}-\frac{1}{R_L}{)}^{-1}=(\frac{8-6}{120\ast 6}-\frac{1}{1200}{)}^{-1}=514.3\Omega$

使用直流 IRIG-B（DCLS IRIG-B）

• 时钟输出的驱动功率是多少？ 这些参数应该在 IRIG-B 时钟源的说明书中提供
  What is the drive power of the clocks output? For Tekron this is commonly 150 mA
  
• 从设备的输入阻抗是多少？或者电流消耗是多少？ 这些参数应在从设备的说明书中提供
  What is the input impedance of the IED? Or what is the current drain of the IED? These parameters should be available in the vendors datasheets
  
• 第一个从设备和最后一个从设备之间的距离
  The distance between the 1st IED and the last IED that you want to synchronise.
  

这里通过一个示例进行说明。以下等式可计算总负载电流$I_L$：

$I_L=I_1+I_2+I_3+\cdots +I_n+\frac{V_s}{R_{term}}$

其中：

• $I_L$= 总的电流负载
• $I_1$到$I_n$= 总线上每一路从设备的电流消耗
• $V_s$= 时钟的电源电压。通常为 5 V 直流。
• $R_{term}$= 与电缆阻抗匹配的终端电阻值（屏蔽双绞线 = 120 Ω）

• 输入电压范围（5 Vdc）
• 阻抗（kΩ）/ 电流负载（mA）

如果手册中已经说明了电流负载，则电流负载即为$I_n$。如果手册中只有电压范围和阻抗，则可根据欧姆定律计算额定电流负载：

$I_n=\frac{V}{R}$

这里：

• $V$= 输入电压 = 电源电压（对于直流 IRIG-B 信号，通常为 5V）
• $R$= 从设备的输入阻抗

$I_1=\frac{5}{5000}=1mA$

$I_L=25\times \frac{5}{5000}+\frac{5}{120}=67mA$

在知道当前线路电流负载后，检查此时$I_L$是否大于信号源能提供的驱动电流。
ow we know the total loading of the relays on the IRIG-B output. The next point is to check that this I L is not larger than the clocks drive power.

实际上要考虑时钟和最后一个继电器之间的电缆总长度。如果电缆长度超过 50 米，建议将剩余的设备接到另一个输出上，或者使用信号中继器重新生成此信号。原因有以下两点：
If the cable length is getting greater than 50 m it’s recommended that you either split the remaining relays off onto another output, or use a signal repeater to regenerate this signal. There are several reasons for this suggestion.

第一点，IRIG-B 信号在传输50 m之后，由于电缆电容的影响，直流方形 IRIG-B 信号边缘会变圆，信号质量下降将会比较严重。 可能导致从设备不能正常响应信号，或由于信号边缘不清晰导致数据的错误舍入，降低数据精度。
The first is that after 50 m of transmission, the square IRIG-B signal may start to show rounded edges as the cable capacitance starts to degrade the signal quality. It may even start to degrade to a point where IEDs will reject it as a valid signal, or the signal accuracy will decrease due to the rounded rising and falling signal edges.

第二点，要考虑的是信号在通过一段长导线时的累积传播延迟。 对于Belden 9841屏蔽双绞线电缆，传播延迟为 5.25 ns/m。超过 50 m 时 ，延迟增加到262.5 ns。对于大多数应用来说，若对时精度只要求 ms 级或更低，则这是可以接受的。但是在目标要求对时精度 < 1 μs 的应用中，这里的延迟将不可忽略，因为仅在电缆传输延迟上就可能损失 26% 的开销。
The second point to think about is the accumulated propagation delay of the signal as it passes down a long piece of wire. For Belden 9841 shielded twisted pair cabling the propagation delay is 5.25 ns/ m. Over 50 m this adds to 262.5 ns of delay. For most applications this is minimal, especially when your target accuracy is only 1 ms. But in an application where you are aiming for a < 1 μs accuracy, this is important as you could lose 26% of your overhead just in the cable transmission delay.

使用载波 IRIG-B（AM IRIG-B）

在 25 个从设备连接到总线的示例的情况下，关键问题变成：从设备的输入电压要求与从时钟供应的线电压之间的关系。
In the case of the example where 25 IEDs are connected to a bus, the key concern will now become the input voltage requirements for the IEDs compared to the line voltage supplied from the clock.

使用【终端电阻】章节的计算公式，确定对应从设备数量应使用的终端电阻，保证分压要求满足从设备需求。
Using the equation in the terminating resistor section, you will need to determine the voltage level which all the IEDs will accept, and then work through the equation to determine the best voltage divider to reach that.

同时还要根据精度要求，考虑电缆引起的传播延迟是否可以忽略。
You will need to take into consideration your accuracy targets, and factor in the propagation delay which is induced from the cable.

使用光纤传输

• 完美的介质隔离：在时钟输出和从设备之间，使用光纤收发器实现光纤链路，实现线路的物理隔离，如果其中一个进入故障状态，则故障电压、电流不会进入光纤介质，这可以保护设备。
  Perfect isolation – using a fibre link between a clock and a IED or media converter gives an isolation barrier which protects both devices, should one enter a fault state.
  
• 传输距离长：使用多模/单模光纤链路，可以传输长达 2km/25km 的信号，而无需中继器。
  Long transmission distances – using a multi/singlemode fibre link you can transmit a signal up to 2/25 kilometer without the need for repeaters.
  
• 抗辐电磁噪声：直流 IRIGB-B 信号是 5V 直流信号，对外部电磁噪声非常敏感。使用光纤链路可以消除这些问题，因为电磁噪声不会干扰光纤信号。
  Immune to Radiated noise – DCLS is a 5 Vdc signal which is quite susceptible to external noise. Using a fibre link you remove these concerns as electrical noise will not affect it.
  

• 光纤传输是点对点连接： 如果您有数百个需要从设备需要连接，需要一系列的分配单元来将单个光纤输出分成多个输出。这提供了完美的隔离，但会增加成本。
  Point to Point connection – If you have hundreds of IEDs that require IRIG-B, you now need a range of distribution units to split a single fibre output into many outputs. This gives perfect isolation, but my increase the cost of the installation.
  
• 光纤传输的菊花链式连接：如果使用菊花链（串联连接）所有设备，若单个设备出现故障，所有下游设备都可能失去同步。
  Daisy chained links – when using fibre across multiple IEDs, you need to daisy chain (series connection) all the devices. If a single device fails there is potential for all the downstream devices to lose sync
  

其他定时信号：定时脉冲信号

总结