在现代测量、控制及通信系统中，精准的时间同步是确保数据准确性和一致性的关键。我国众多领域，如靶场测量、工业控制、电力系统等，均广泛采用IRIG-B时间码作为时间同步的“金标准”。IRIG-B时间码，简称B码，分为直流（DC）与交流（AC）两种格式，它们在确保时间信息的准确传递上发挥着至关重要的作用。
随着技术的发展，FPGA已成为实现IRIG-B编码的优选平台，相比传统的MCU、DSP或数字逻辑电路，FPGA以其高度集成、灵活配置的特点，大大简化了设计复杂度，降低了成本，并提升了B码的精准度和系统灵活性。在FPGA中，通过查找表等纯硬件逻辑实现DC和AC编码，保证了每个码元上升沿的精准性，为系统提供了可靠的时间参考点。
为了进一步确保时间同步的准确性，我们还将GPS引擎与FPGA相结合。GPS引擎输出的100 pps信号，不仅用于触发B码的输出，还通过恢复得到的1 pps信号为B码提供精确的时间基准。此外，FPGA中的计时链预进位功能确保了绝对时间的精确性，为实时系统的时间同步以及多节点数据采集的严格同步提供了有力支持。
IRIG-B格式码是时间同步领域的重要标准，其设计确保了高精度的时间传递。该格式码每秒传输一次，总共包含100个码元，其中有一个关键的同步参考点以及十个索引标记。每个码元的宽度固定为10毫秒，这为我们提供了稳定的时间基准。在IRIG-B编码中，索引标记由高电平宽度为8毫秒的脉冲表示，这种特殊宽度的脉冲有助于接收端快速识别码的开始位置，从而实现精确的同步。逻辑1则用宽度为5毫秒的脉冲表示，而逻辑0则用2毫秒的脉冲表示。这种设计使得每个码元都能清晰地传递其代表的逻辑值。
当涉及到交流码时，情况又有所不同。交流码采用1千赫兹的正弦信号作为载波，其幅度变化范围在0.5至10伏特之间。调制比，即逻辑1和逻辑0的幅度之比，被设定在1/6至1/2之间。具体来说，逻辑1由5个幅度为U1的正弦波组成，而逻辑0则由2个幅度为U1的正弦波表示。索引标记则由8个U1幅度的正弦波组成，而在其他时间里，载波则保持为幅度为U0的正弦波。
这种设计使得IRIG-B格式码不仅能够在直流条件下稳定传输，还能够在交流环境下保持其高精度和稳定性。无论是用于航空航天、电力系统还是其他需要高精度时间同步的领域，IRIG-B格式码都展现出了其独特的优势和价值。
在构建IRIG-B编码器时，精准授时是关键。我们采用了Motorola的M12T GPS授时模块，以其卓越的定位与授时性能，为系统提供稳定的时基。Altera的FPGA则负责检测M12T输出的同步信号，经过编码后输出。此外，系统还能生成交流码、每秒脉冲数输出以及RS 232串行口时间码，实现多功能的授时应用。
M12T作为GPS授时模块的核心，其快速定位与重捕获能力，确保了授时的实时性与准确性。而Altera的FPGA与MAX5712 DAC的组合，则实现了高效的数字到模拟转换，为IRIG-B编码提供了稳定可靠的硬件支持。在FPGA中精确实现IRIG-B编码，关键在于基准时刻与索引脉冲的准确提取。传统的以秒脉冲为基准的方法存在抖动问题，影响码元宽度和同步精度。本文采用M12T产生的100 pps信号作为基准，确保每个码元上升沿的精准。
FPGA内部构建模100码元计数器和脉冲宽度检测器，通过对100 pps信号的精确处理，恢复出1 pps信号，并准确标记索引脉冲。这种方法不仅提高了时间同步的精度，还满足了等间隔数据采样的需求。此外，FPGA与M12T通过UART实现互联，简化配置与时间获取流程。UART设计包括发送和接收模块，确保配置数据的正确写入和时间信息的实时接收。通过预处理部分的RTC计时链，FPGA能够准确获取并转换绝对时间，实现IRIG-B编码的精确输出。
在直流编码模块中，时间被巧妙地转化为一连串的码元，每一个码元都承载着时间的秘密。秒、分、小时…这些时间的单位在码元中各有其位，它们按照特定的规律排列，形成了我们所说的IRIG-B码。为了生成这样的码，我们构建了一个模10的计数器，它像一个精准的节拍器，每毫秒跳动一次。而逻辑向量CMP，则像是一个翻译器，将计数器的值转化为对应的编码输出。每当PPM12信号响起，计数器与CMP都会重置，开始新一轮的编码过程。
而当我们进入交流编码的世界，事情就变得稍微复杂一些。交流信号，它连续而波动，与直流信号有着本质的不同。但是，通过数字调制，我们依然可以将IRIG-B的直流编码转化为交流编码。这里的关键在于奈奎斯特抽样定理，它告诉我们，只要抽样频率足够高，我们就能用抽样值来完全代表一个连续信号。
为了实现这一转化，我们构建了一个正弦查找表。这个表就像是一个字典，它告诉我们每一个抽样点应该对应的值是多少。当我们获得IRIG-B的直流编码后，就可以通过这个查找表，将其转化为交流编码。在这个过程中，我们还需要考虑到一些实际的因素，比如DAC的解析度、运放的动态范围，以及采样率和调制比等。这些因素都会影响到我们的编码效果，因此，在实际应用中，我们需要根据具体情况来调整这些参数，以获得最佳的编码效果。
DAC（数字模拟转换器）的选择对于整体系统的性能至关重要。不同的DAC具有不同的数字接口需求，因此在FPGA内部，我们必须构建与所选DAC相匹配的接口。以MAX5712为例，它需要一个SPI（串行外设接口）来实现与FPGA的数据传输。
在FPGA中设计SPI接口时，我们特别注意了数据写入和转换的精确控制。当写使能信号为高时，FPGA接收到的数据被写入内部的并行保持寄存器。随后，在LDAC脉冲的上升沿，这些数据被快速转移到移位寄存器，并启动时钟逻辑。在输出时钟的驱动下，数据最终从DAC的输出口输出，转换为模拟量。特别值得一提的是，SPI_CS信号的后沿标志着DAC开始其转换过程，确保输出与当前编码精确匹配。
交流调制是IRIG-B编码中的关键步骤。我们通过预先生成的正弦查找表来实现这一功能。这个查找表被转换成M4K ROM的初始化文件，并在FPGA中实例化。为了产生交流调制信号，我们设计了一个定时器和一个地址计数器。每当B码直流信号发生变化时，这两个组件都会被复位。定时器溢出后，地址计数器开始工作，按照预设的频率顺序输出查找表中的编码值。这样，当输入的直流B码信号作为ROM地址的高位时，ROM的输出即为DAC的调制输出。
通过这种方式设计的数字调制模块在实际应用中表现优异。通过示波器观察，我们可以看到清晰的输出波形。其中，100pps信号、直流编码输出信号、恢复的每秒脉冲数信号以及交流输出波形都清晰可见，且波形稳定，满足IRIG-B编码的时间同步要求。在IRIG-B编码输出部分，我们特别注重信号的稳定性和抗干扰能力。直流码输出经过高速光耦隔离，确保信号边沿清晰，减少干扰。而模拟调制电压输出则通过DAC接口、滤波和电压放大等步骤，确保输出的模拟信号准确、稳定。
在构建基于FPGA和M12T授时型GPS内核的IRIG-B编码模块时，我们充分利用了M12T提供的100 pps信号。这一信号不仅为IRIG-B编码器提供了稳定的触发源，更确保了编码输出的每个码元上升沿与GPS模块输出的时间基准严格一致。由此，我们实现了码元间隔的精确控制，每个码元的上升沿均可作为时间同步的可靠参考点。
FPGA的并发处理能力使得整个系统实时性能卓越，能够迅速响应各种时间同步需求。在编码方法上，我们采用了基于查找表的B码编码技术和数字调制方法。这种方法的优势在于资源占用小，设计流程简单，同时调制输出的高次谐波较小，信号边沿稳定，从而保证了编码的准确性和稳定性。
经过严格的软件仿真和系统测试，我们证实了本文实现的B码编码器性能卓越。其中，DC码参考点与M12T GPS模块的pps参考点之间的时间误差小于20 ns，与绝对时间参考点的误差也控制在40 ns以内。而AC码与DC码之间的延迟仅为100 ns，满足了高精度时间同步的需求。
