In der heutigen Welt gibt es Branchen und Sektoren, in denen jede Mikrosekunde zählt. Dies gilt beispielsweise für den Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrtsektor, aber auch für den Energiesektor. Für Anwendungen in diesen Sektoren ist der Zeitstandard IRIG (Inter Range Instrumentation Group) von zentraler Bedeutung. Er ermöglicht es, komplexe logistische Abläufe zuverlässig und genau abzuwickeln, oder gewährleistet die Korrektur von Messungen in kritischen Telemetriesystemen.
Umgangssprachlich wird oft vom IRIG-Zeitcode gesprochen. Jedoch handelt es sich hierbei vielmehr um eine Gruppe von Codierungsformaten, anhand derer definiert wird, wie Zeitangaben generiert und zwischen verschiedenen Systemen und Geräten verteilt werden sollen. Was ist der IRIG-Zeitcode und welches sind seine verschiedenen Formate?
Die Zeitcodes nach IRIG
IRIG sind eine Gruppe von Formaten, die vom Range Commanders Council (RCC) in den 1950er-Jahren standardisiert wurde. Damals ging es darum, die Kommunikation bei Raketentests zu synchronisieren. Im Jahr 1956 wurden dann die ersten formalen Standards eingeführt. Auch heute noch wird der IRIG-Standard vom RCC gepflegt.
Der Zweck dieses Standards ist es, Zeitcodes zur Synchronisation verschiedener Netzwerkgeräte bereitzustellen, ein Bedarf, der sowohl im zivilen als auch im militärischen Bereich immer wichtiger wird. Die Ausrüstung wird dabei in zwei Klassen unterteilt: Generatoren und Empfänger. Die Generatoren erzeugen den Zeitcode entweder direkt selbst oder indem sie ihn von einer Quelle wie GPS oder einer Atomuhr abrufen. Die Empfänger empfangen die Daten und verbreiten sie möglicherweise weiter.
Der letzte IRIG-Standard stammt aus dem Jahr 2004. Es gibt eine Überarbeitung aus dem Jahr 2016, die jedoch nur einige kleinere Fehler des vorherigen Standards behob.
Das Prinzip hinter den IRIG-Standards ist, dass Informationen zu Zeitstempeln kontinuierlich versendet werden, um so die Synchronisation verschiedener Geräte zu ermöglichen. Die IRIG-Zeitcodes legen die Codierung des elektrischen Stroms fest, der zur Übertragung der Datenframes verwendet wird. In anderen Worten sendet IRIG also elektrische Impulse in einem Format, das den Zeitstempel codiert. Dadurch sind diese Standards besonders nützlich für den Einsatz auf kurze Distanzen.
Die unterschiedlichen Zeitcode-Formate
Es gibt viele IRIG-Formate.
Ein Zeitcode-Format wird durch eine Kombination aus einem Buchstaben und drei Ziffern definiert:
- Der Buchstabe bzw. das Format (A, B, D, E, G oder H) steht für die Geschwindigkeit und die Genauigkeit des Zeitcodes.
- Die erste Zahl steht für die verwendete Modulation. Dieser Wert liegt zwischen 0 und 2.
- Die zweite Ziffer gibt die Trägerfrequenz des Zeitcodes an. Dieser Wert liegt zwischen 0 und 5.
- Die letzte Ziffer steht für die möglichen Variationen des Inhalts des Datenframes. Dieser Wert liegt zwischen 0 und 7
Nicht alle Kombinationen sind möglich. Hier sehen Sie eine Übersichtstabelle der definierten Formate:
| Format | Modulation | Trägerfrequenz | Inhalt |
|---|---|---|---|
| A | 0,1 bis 2 | 0,3 bis 4,5 | 0,1 2,3 41 4,5 72 6,7 |
| B | 0,1 bis 2 | 0,2/3,4 (ftp) | 0,1 2,3 41 4,5 72 6,7 |
| D | 0,1 | 0,1 bis 2 | 1,2 |
| E | 0,1 | 0,1 bis 2 | 1,2 bis 5,6 |
| G | 0,1 bis 2 | 0,4 bis 5 | 1,2 bis 5,6 |
| H | 0,1 | 0,1 bis 2 | 1,2 |
Eine Kombination wird in der Regel in einem bestimmten Bereich verwendet. IRIG 106 ist zum Beispiel der Standard für Telemetrie in der Luftfahrt.
Die verschiedenen Formate
Die verschiedenen Formate des IRIG-Zeitcodes werden durch die Buchstaben A, B, D, E, G und H bestimmt. Der Unterschied zwischen diesen Formaten liegt in der Frequenz der gesendeten Synchronisationsimpulse (die Rate).
Was unterscheidet die Formate des IRIG-Zeitcodes?
- Standard A sendet 10 Frames pro Sekunde mit einer Geschwindigkeit von einem Bit pro Millisekunde.
- Standard B sendet einen Frame pro Sekunde mit einer Geschwindigkeit von einem Bit alle 10 Millisekunden.
- Der langsamste Standard D sendet einen Frame pro Stunde mit einer Geschwindigkeit von einem Bit pro Minute.
- Standard E sendet einen Frame alle 10 Sekunden mit einer Geschwindigkeit von einem Bit alle Zehntelsekunden.
- Standard G ist der schnellste und sendet 100 Frames pro Sekunde mit einer Geschwindigkeit von einem Bit alle Zehntelmillisekunden.
- Der Standard H sendet einen Frame pro Minute mit einer Geschwindigkeit von einem Bit pro Sekunde.
Die Wahl des Standards sollte daher auf Basis dessen erfolgen, welche Genauigkeit erwartet wird und welcher Versatz zwischen den verschiedenen Geräten akzeptabel ist. Es gibt also nicht das „beste“ Format, sondern nur ein Format, das für eine bestimmte Anwendung besser geeignet ist.
| Format | Rate |
|---|---|
| A | 1000 PPS(1) |
| B | 100 PPS |
| D | 1 PPM(2) |
| E | 10 PPS |
| G | 10000 PPS |
| H | 1 PPS |
(1) PPS: Impulse pro Sekunde
(2) PPM: Impulse pro Minute
Die verschiedenen Modulationen
Es gibt 3 Typen von Modulationstechniken:
| Format | Beschreibung |
|---|---|
| 0 | Pulsweitenmodulation ohne Trägerfrequenz (DCLS (1)) |
| 1 | Amplitudenmodulation auf einer sinusförmigen Trägerwelle |
| 2 | Manchester-Modulation |
(1) DCLS: DC Level Shift
- 0. Pulsweitenmodulation: Es wird ein analoges Signal mit Hilfe digitaler Schaltungen simuliert. Es gibt keine Trägerfrequenz, da Gleichstrom verwendet wird.
- 1. Amplitudenmodulation: Die Amplitude eines Sinussignals wird modifiziert, um die Informationsbits zu kodieren.
- 2. Manchester-Modulation: Diese letzte Modulationstechnik ist ein Sonderfall. Es gibt keine gleichbleibende Komponente und die Übergänge des Signals werden genutzt, um den Wert der Bits zu übertragen. Diese Methode hat mehrere Vorteile: Sie kann mit Wechselstrom gekoppelt werden, um so ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und eine einfachere Decodierung zu ermöglichen. Diese Technik wurde für die Übermittlung über Koaxialkabel oder Glasfaserkabel über kurze Entfernungen entwickelt.
Die verschiedenen Trägerfrequenzen
Um die Informationen zu übertragen, definieren die IRIG-Zeitcodes die möglichen Trägerfrequenzen. Nicht alle diese Frequenzen sind für alle Codierungsformate geeignet. Die folgende Tabelle zeigt, welche Frequenzen für jedes Format zulässig sind.
| (Code: | Trägerfrequenz | Auflösung: |
|---|---|---|
| 0 | / | Rate |
| 1 | 100 Hz | 10 ms |
| 2 | 1 kHz | 1 ms |
| 3 | 10 kHz | 0,1 ms |
| 4 | 100 kHz | 10 µs |
| 5 | 1 MHz | 1 µs |
Die Wahl der Trägerfrequenz wirkt sich auf die Auflösung aus, von der wiederum die gewünschte Genauigkeit der Anwendung direkt abhängt.
Die verschiedenen kodierten Ausdrücke
Es können verschiedene Informationen mit den Datenframes der Zeitcodes übermittelt werden.
Es ist möglich, die Zeit in binär kodierter Dezimalform (BCDTOY), das Jahr in binär kodierter Dezimalform (BCDYEAR), eine Kontrollfunktion (CF) nach Ermessen des Benutzers und die Anzahl der verstrichenen Sekunden des Tages (SBS) zu kodieren.
Die letzte Ziffer der dreistelligen Sequenz des Zeitcodes gibt die Informationen an, die verschlüsselt werden. Die folgende Tabelle fasst die verschiedenen Möglichkeiten zusammen.
| (Code: | Codierte Information |
|---|---|
| 0 | BCDTOY(1), SBS(2), CF(3) |
| 1 | BCDTOY, CF |
| 2 | BCDTOY |
| 3 | BCDTOY, SBS |
| 4 | BCDTOY, BCDYEAR(4), SBS, CF |
| 5 | BCDTOY, BCDYEAR, CF |
| 6 | BCDTOY, BCDYEAR |
| 7 | BCDTOY, BCDYEAR, SBS |
(1) BCDTOY: die Zeit in binär kodierter Dezimalform (HH,MM,SS,DDD)
(2) SBS: Anzahl der verstrichenen Sekunden des Tages
(3) CF: Kontrollfunktion oder checksum
(4) BCDYEAR: das Jahr in binär kodierter Dezimalform
Der spezielle Fall von IRIG B
Der IRIG-Zeitcode B ist das am häufigsten verwendete Format. Jede Sekunde werden Datenframes von 100 Bit gesendet.
Die folgende Abbildung zeigt einen IRIG-B-Datenrahmen, wie er auf ein elektrisches Signal moduliert wird.
Welches sind die Anwendungsmöglichkeiten der IRIG-Zeitcodes?
Die IRIG-Zeitcodes sind immer noch aktuell und es gibt immer noch sehr viele Anwendungsmöglichkeiten:
- Verteidigungssysteme. Militärische Operationen sind von einer genauen Synchronisation abhängig, damit Truppenbewegungen, der Einsatz von Waffensystemen und die Sammlung von Informationen koordiniert werden können.
- Luftfahrt. IRIG wird typischerweise für die Telemetrie verwendet.
- Stromkraftwerke und -netze. IRIG wird genutzt, um Schutzrelais, SCADA-Systeme und Störungsschreiber zu synchronisieren und so die Integrität und Zuverlässigkeit des Stromnetzes zu gewährleisten.
- Telekommunikation. Protokolle wie NTP und PTP kommen zwar in Telekommunikationsnetzen am häufigsten zum Einsatz, jedoch wird IRIG manchmal in der Infrastruktur verwendet.
- Audiovisuelle Medien. IRIG kann verwendet werden, um Audio und Video, die mit verschiedenen Geräten aufgenommen wurden, zu synchronisieren.
- Überwachungssysteme. IRIG wird verwendet, um Videos mit einem Zeitstempel zu versehen, damit sie als Beweismittel zugelassen werden können.
- Transport. Logistische Kontrollsysteme nutzen IRIG für die Synchronisation von Signalen, Aufzeichnungen und Sicherheitssystemen.
Zahlreiche Anwendungen sind möglich, und das obwohl immer neue Technologien und neue Synchronisationsprotokolle aufkommen. Die Rolle von IRIG als unerlässlicher Standard für Anwendungen, bei denen eine hochpräzise Synchronisation erforderlich ist, bleibt unangefochten.
Mit mehr als 150 Jahren Erfahrung in der Zeiterfassung par in Zeitsystemen und einer Präsenz in mehr als 140 Ländern ist Bodet Time ein führender französischer Akteur auf dem Gebiet der Zeitsynchronisation und Zeitfrequenz. Das Sortiment der Netsilon-Zeitserver besteht aus Generatoren und Empfängern von IRIG-Zeitcodes.