[实战] IRIG-B协议详解及Verilog实现（完整代码）

IRIG-B(B码)协议详解及Verilog实现

代码下载（含Verilog实现与python编码实现）

一、IRIG-B协议概述

IRIG-B（InterRange Instrumentation Group-B）是由美国靶场仪器组制定的时间同步标准，广泛应用于电力、通信、航空航天及军事领域。其核心特点为每秒传输一帧时间码（1帧/s），包含100个码元，每个码元持续10ms。协议支持直流（DC）和交流（AC）两种调制方式，其中：

• IRIG-B(DC)：采用脉宽调制，同步精度达几十纳秒，接口为TTL或RS422。
• IRIG-B(AC)：通过1kHz正弦波载波幅度调制，同步精度为10~20微秒，接口为平衡接口。

二、帧格式详细解析

IRIG-B的帧结构以秒为周期，每帧包含100个码元，通过脉宽和位置标识编码时间信息及控制功能。

1. 码元类型与索引计数

• 码元类型：
  • “0”码元：脉宽2ms（占索引计数间隔的20%）。
  • “1”码元：脉宽5ms（占索引计数间隔的50%）。
  • 位置识别标志“P”：脉宽8ms（占索引计数间隔的80%），每10个码元出现一次（P0~P9）。
• 索引计数：
  • 从帧参考点（Pr）开始，以10ms为间隔递增，范围0~99。
  • 帧参考点由连续两个“P”码元标识，第二个“P”码元前沿为“准时”参考点。用易懂的话描述就是，每帧的P0的上升沿为1秒的开始，连续的两个P，其实是由上一帧的P9和下一帧的P0组成。

简单易懂的说法就是每个码元都是1个10ms的脉冲，占空比为20%表示0，站控比为50%表示1，占空比80%表示P。也就是每个0由2ms高和8ms低构成，1由5ms高和5ms低构成，P由8ms高和2ms低构成。

2. 时间编码字段

时间信息采用二进制编码十进制（BCD）格式，按“秒-分-时-天”顺序排列：
具体帧结构如下所示
IRIG-B帧结构分组表（0-99码元）

码元范围	字段名称	编码内容	说明
0	P0（帧头标识）	8ms高电平 + 2ms低电平	帧起始标志
1-4	BCD秒个位	秒个位（0-9）	权重1、2、4、8
6-8	BCD秒十位	秒十位（0-5）	权重1、2、4（高位补0）
10-13	BCD分个位	分个位（0-9）	权重1、2、4、8
15-17	BCD分十位	分十位（0-5）	权重1、2、4（高位补0）
20-23	BCD时个位	时个位（0-9）	权重1、2、4、8
25-26	BCD时十位	时十位（0-2）	权重1、2（高位补0）
30-33	BCD日个位	年积日个位（0-9）	权重1、2、4、8
35-38	BCD日十位	年积日十位（0-9）	权重1、2、4、8
40-41	BCD日百位	年积日百位（0-3）	权重1、2（高位补0）
50-58	BCD年信息	年个位/十位（00-99）	控制字段扩展
60-78	控制/备用字段	闰秒标志、校验位、自定义用途	用户可编程
80-97	二进制天内秒	一天以内的秒技术，二进制表示	标准二进制

具体结构如下图所示

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关键字段说明

1. 位置标识符（P类型）：

   • P0-P10：共11个位置标识符（码元0,9,19,29,39,49,59,69,79,89,99），用于同步和字段分隔，波形固定为8ms高电平+2ms低电平。

2. 时间字段：

   • 二进制秒（80-97）：直接编码0-86399的二进制值（低位在低码元，如Bit0在码元80）。
   • BCD时间：每个时间单位（秒、分、时、日、年）拆分为个位和十位的BCD码，例如：
     • 秒=23 → 个位=3（BCD 0011，码元1-4），十位=2（BCD 0010，码元6-8）。

3. 年积日（DOY）：

   • 由年、月、日计算得出（如2023年10月1日对应DOY=274），编码为3位BCD：
     • 274 → 百位=2（码元30-33），十位=7（码元35-38），个位=4（码元40-41）。

4. 控制与扩展：

   • 码元50~57 年的个位和十位
   • 码元58：关键控制位，通常用于闰秒指示。
   • 码元90-98：用户自定义，可加入CRC校验或扩展信息。

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帧结构示意图

[P0] 1-8  [P1] 10-13 14-17 [P2] 20-23 24-27 [P3] ... [P10]
|-二进制秒-|------BCD秒-----|------BCD分-----| ...    |--帧尾--|

3. 控制功能码元（CF）

位于P5~P8之间，共27位，用于扩展功能或自定义协议，例如：

• 状态标识、设备编号或特殊命令。
• 码元50~57用做年的个位和十位
• 无统一标准编码，由设备生产商自定义。

4. 纯二进制秒码（SBS）

从P8开始，占17位，表示从午夜开始的秒数（0~86399），每日重复。

三、编码与信号特性

• 编码方式：
  • 脉宽调制：通过脉宽差异区分“0”和“1”。
  • 载波调制（AC）：1kHz正弦波，调制比10:3，正交过零点与码元前沿对齐。
• 信号传输：
  • DC码：抗干扰性强，适合短距离高精度同步。
  • AC码：支持远距离传输，但精度略低。

四、时间编码实现

以2025-12-03 01:03:04为例

1. 时间参数转换

• 日期计算：2025年12月3日为第337天（非闰年）

  • 非闰年，12月3日对应年积日 337（计算方式：31天（1月）+28天（2月）+31天（3月）+30天（4月）+31天（5月）+30天（6月）+31天（7月）+31天（8月）+30天（9月） +31天 （10月）+30天（11）月 + 3天（12月3日）= 337）。

• BCD编码表：

字段	十进制值	7位BCD编码	码元填充位置
秒（S）	04	0000100	十位 码元1-4（0000）,个位 6-8（0100）
分（M）	03	0000011	十位 码元10-13（0000）,个位 15-17（011）
时（H）	01	000001	十位 码元20-23（0000）,个位 25-27（01）
天（D）	337	0101010001	百位 码元30-33（0101）,35-38（0001）,40-41（0001）

2. 帧数据填充规则

1. 秒信息填充：

   • 码元1-4：0000（低位）
   • 码元6-8：100（高位，补零至4位）

2. 分信息填充：

   • 码元10-13：0000（低位）
   • 码元15-17：011（高位，补零至4位）

3. 时信息填充：

   • 码元20-23：0000（低位）
   • 码元25-27：01（高位，补零至4位）

4. 天信息填充：

   • 码元30-33：0101（337的高4位）
   • 码元35-38：0001（337的中4位）
   • 码元40-41：0001（337的低4位，补零）

五、从数字编码到物理信号

1. 波形生成原理

每个码元由10ms周期构成，通过脉宽调制实现数字编码：

码元类型	高电平持续时间	低电平持续时间	典型应用场景
“0”	2ms	8ms	秒/分/时低位编码
“1”	5ms	5ms	天信息高位编码
“P”	8ms	2ms	帧同步与位置标识

使用python生成完成编码和波形生成，python代码如下:

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Mon Apr 28 20:36:41 2025

@author: Neol
"""

import matplotlib.pyplot as plt  
import numpy as np  
  
# 定义时间参数  
year = 2025  
month = 12  
day = 3  
hour = 1  
minute = 3  
second = 4  
  
# 计算年积日（非闰年）  
days_in_month = [31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31]  
day_of_year = sum(days_in_month[:month-1]) + day  
  
# 转换为BCD编码  
def to_bcd(value, bits):  
    return [int(b) for b in format(value, '0{}b'.format(bits)).zfill(bits)]  
  
second_bcd = to_bcd(second, 7)  # 0-59需要7位  
minute_bcd = to_bcd(minute, 7)  
hour_bcd = to_bcd(hour, 6)     # 0-23需要6位  
day_bcd = to_bcd(day_of_year, 10)  # 1-366需要10位  
  
# 构建帧结构（简化示例，仅包含时间字段）  
frame = [  
    *second_bcd, 0, *second_bcd[4:],  # 秒信息（码元1-4,6-8）  
    0,0,0,0,  # 填充位  
    *minute_bcd, 0, *minute_bcd[4:],  # 分信息（码元10-13,15-17）  
    0,0,0,0,  # 填充位  
    *hour_bcd, 0, *hour_bcd[4:],      # 时信息（码元20-23,25-27）  
    0,0,0,    # 填充位  
    *day_bcd[:4], 0, *day_bcd[4:8], 0, *day_bcd[8:],  # 天信息（码元30-33,35-38,40-41）  
    *[0]*27,   # 控制功能码元（CF）  
    *[0]*17    # 纯二进制秒码（SBS）  
]  
  
# 生成波形（脉宽调制）  
time_points = []  
signal = []  
current_time = 0  
  
for bit in frame:  
    # 每个码元周期10ms  
    if bit == 0:  
        pulse_width = 2  # 2ms高电平  
    elif bit == 1:  
        pulse_width = 5  # 5ms高电平  
    else:  # P码元  
        pulse_width = 8  # 8ms高电平  
      
    # 生成高电平  
    time_points.extend([current_time + i for i in range(pulse_width)])  
    signal.extend([1]*pulse_width)  
      
    # 生成低电平  
    time_points.extend([current_time + i for i in range(pulse_width, 10)])  
    signal.extend([0]*(10 - pulse_width))  
      
    current_time += 10  
  
# 绘制前200ms波形（显示前20个码元）  
plt.figure(figsize=(12, 4))  
plt.step(time_points[:200], signal[:200], where='post')  
plt.title('IRIG-B(DC) Waveform Example (First 20 Code Elements)')  
plt.xlabel('Time (ms)')  
plt.ylabel('Amplitude')  
plt.yticks([0, 1], ['Low', 'High'])  
plt.grid(True)  
plt.show()

2. 示例波形分析（前20码元）

波形解析：

1. 帧同步建立（0-20ms）：

   • 码元0（P9）：8ms高电平（0-8ms）
   • 码元1（P0）：8ms高电平（10-18ms）
   • 第二个P码元前沿（18ms）为时间基准点

2. 秒信息编码（20-80ms）：

   • 码元2-5：0000（2ms脉宽）
   • 码元6：1（5ms脉宽）
   • 码元7-8：00（2ms脉宽）

3. 保留位填充（80-120ms）：

   • 码元9-12：0000（2ms脉宽）

4. 分信息编码（120-180ms）：

   • 码元13-16：0000（2ms脉宽）
   • 码元17：1（5ms脉宽）
   • 码元18-19：11（5ms脉宽）

可综合Verilog模块
代码下载（含Verilog实现与python编码实现）

六、协议特性与工程实践

1. 直流（DC）与交流（AC）调制对比

特性	DC码（TTL/RS422）	AC码（1kHz载波）
同步精度	20-50ns	1-20μs
传输距离	<10米（无中继）	>1公里（需中继）
抗干扰性	优（差分传输）	良（载波调制）
典型应用	发电厂保护装置、精密实验室	广域时间网络、军事通信系统

2. 扩展协议实践

• 年份信息嵌入：

  • 通过控制功能码元（CF）扩展：
  • 码元50-57：8位BCD编码（2025年→25年→个位码元50-53，0010，十位码元54-57，0101）

• 北斗融合方案：

  • 北斗终端输出TOD（Time Of Data）接口
  • 通过FPGA实现IRIG-B编码转换
  • 同步精度优于50ns（DC码）

七、应用场景与优势

• 应用场景：
  • 电力系统：同步发电厂、变电站设备时钟。
  • 通信网络：基站时间同步。
  • 航空航天：卫星发射、飞行器测控。
  • 工业自动化：生产线设备协同。
• 优势：
  • 高精度：DC码同步精度达纳秒级，AC码达微秒级。
  • 标准化：接口统一，兼容性强。
  • 可靠性：抗干扰设计，适应恶劣环境。

八、总结

IRIG-B协议通过每秒一帧的脉宽编码，实现了高精度时间同步。其帧格式严格定义了时间字段和控制功能，支持直流/交流两种调制方式，兼顾了短距离高精度和远距离传输需求。在电力、军事等关键领域，IRIG-B已成为不可或缺的时间同步标准。

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