Rapco 1814 RKE01.2011

Rapco 1814B1

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Nell’usato recente, ossia con meno di dieci anni di vita, è possibile rintracciare a prezzi molto competitivi anche strumenti di alta classe. E’ questo il caso del Rapco 1814, un super “orologio”.

Dietro la sobria e per certi versi anonima livrea del contenitore rack 19” da una unità, si cela un preciso generatore di tempo campione, continuamente mantenuto in passo dalla costellazione dei satelliti GPS con uscite PPS e IRIG/XR3.

La Rapco

Questa azienda inglese, è stata per oltre 40 anni, riferimento mondiale nei sistemi di tempo e frequenza campione, con svariate applicazioni nei campi dell’audio digitale, trasmissioni televisive, laboratori di ricerca, ground station controllo missione e telefonia mobile. Da alcuni anni, ha cambiato ragione sociale ed oggi si presenta come Spectracom, parte del gruppo Orolia. Prima di entrare nella descrizione specifica dell’apparato, vorrei richiamare alcune nozioni relative alle funzioni di trasmissione tempo campione del quale lo standard IRIG è riferimento.

Il sistema IRIG

Cominciamo col ricordare che IRIG è l’acronimo di Inter Range Instrumentation Group. Il sistema, nato negli anni ’60 serve a correlare dati rilevati in posti distinti, mettendo in comune l’informazione “tempo”. Tipiche applicazioni sono i controlli delle missioni spaziali, dei satelliti, la missilistica civile e militare, la radioastronomia.

La standardizzazione del formato, si rese necessaria per massimizzare la compatibilità fra enti e luoghi diversi nel mondo. I codici IRIG sono di natura seriale (un carattere dietro l’altro) e tipicamente trasportati da portanti sinusoidali a frequenza audio modulate in ampiezza oppure da segnali TTL con rapidi fronti di salita.

Lo standard IRIG ha una lunga storia, inizialmente definito nel 1960, (std.104-60), è poi stato aggiornato nel 1995 (200-95), nel 1998 con l’aggiunta della modulazione Manchester (200-98) ed infine nel 2004 come 200-04 (inserendo il campo “anno” nel formato).

Il sistema IRIG non è l’unico standard di trasmissione di informazione di tempo, ma certamente è il più diffuso. Il Rapco in analisi, può ad esempio generare codici di tempo anche secondo lo standard XR3.

I formati IRIG

A seconda del campo di applicazione, si sono sviluppati diverse versioni del formato, ognuna con specifica risoluzione temporale, così come riassunto in tabella:

Formato

Rate

Risoluzione temporale

IRIG-A

1,000 PPS (impulsi al secondo)

1 ms

IRIG-B

100 PPS

10 ms

IRIG-D

1 PPM (impulsi al minuto)

1 minuto

IRIG-E

10 PPS

0.1 secondi

IRIG-G

10,000 PPS

0.1 ms

IRIG-H

1 PPS

1 secondo

Nota: IRIG-C fu sostituito da IRIG-H

La nomenclatura IRIG

Il nome di un codice IRIG consiste di una lettera seguita da tre numeri. Ogni lettera e tripletta di cifre, esprime in maniera univoca tutti gli attributi di quella specifica implementazione del protocollo. Nella tavola qui sotto, quelli definiti nella norma 200-98.

IRIG A

IRIG B

IRIG D

IRIG E

IRIG G

IRIG H

A000

B000

D001

E001

G001

H001

A003

B003

D002

E002

G002

H002

A130

B120

D111

E111

G141

H111

A132

B122

D112

E112

G142

H112

A133

B123

D121

E121

H121

D122

E122

H122

Codificati secondo le regole espresse nella tavola seguente:

Prima lettera:
Risoluzione temporale

A
B
D
E
G
H

1,000 PPS (1 ms)
100 PPS (10 ms)
1 PPM (1 minuto)
10 PPS (100 ms)
10,000 PPS (100μs)
1 PPS (1 secondo)

1° cifra:

Tipo di segnale

0


1

DC Level Shift (DCLS), modulazione di larghezza, nessuna portante
Portante sinusoidale modulata in ampiezza

2° cifra:
Risoluzione della portante

0
1
2
3
4

Nessuna portante (DCLS)
100 Hz / 10 ms
1 kHz / 1 ms
10 kHz / 100 μs
100 kHz / 10 μs

3° cifra:
Codifica delle informazioni

0
1
2
3
4*
5*
6*
7*

BCD, CF, SBS
BCD, CF
BCD
BCD, SBS
BCD, BCD_Anno, CF, SBS
BCD, BCD_Anno, CF
BCD, BCD_Anno
BCD, BCD_Anno, SBS

* La norma 200-04 ha aggiunto l’informazione “anno”
Le abbreviazioni sopra impiegate significano:

BCD – Binary Coded Decimal, codifica del tempo come: (OO,MM,SS,GGG)

SBS – Straight Binary Second of day, progressivo dell’n-esimo secondo dalla mezzanotte (0….86400)

CF – Control Functions, dipende dall’applicazione specifica

La versione “B”

sicuramente, fra tutti i formati, la versione “B” fu quella che ebbe la maggiore diffusione e successo. Infatti, uno dei primi usi dei sistemi IRIG era quello di fornire un marker di tempo registrabile su nastro magnetico assieme ad altre grandezze analogiche, tipicamente nelle basi missilistiche. L’IRIG-B, coi suoi 100bit/secondo e la portante ad 1kHz, rappresentò una scelta quasi perfetta per questo impiego. Occorre rammentare come all’epoca, questi segnali venissero anche instradati e trasmessi a lunga distanza per mezzo di comuni linee telefoniche dove ritardi e rotazioni di fase assumevano valori importanti. La robustezza di questo standard consentiva anche a distanze antipodali una risoluzione ed accuratezza di 1millisecondo.

L’ IRIG-B è basato su frames di 100 “elementi” per secondo. Un frame è descritto come:

 "frame" = 1 secondo
 "elemento" = 10 ms

IRIG-B elements
Esistono tre di tipi di “elementi” :

  • bit zero (“0”),

  • bit one (“1”)

  • position marker (“P”).

Ogni frame, inizia con due “position markers” consecutivi, in qualità di riferimento. Il codice poi prevede la trasmissione di 10 “sets” di 10 elementi ciascuno. Ogni “set” contiene 2 numeri binari (4 bit in decimale ciascuno) codificati in BCD, separati da uno “0” e terminato da un “position marker” come decimo elemento.

L’informazione così codificata viene applicata come modulazione d’ampiezza alla portante con rapporto 4:1 fra gli “uno” e gli “zero”.

Lo strumento

Si presenta in sobrio ed elegante contenitore rack 19” da una unità.

Sul frontale troviamo solo 3 spie a led che informano l’utente sulla presenza di alimentazione, sullo stato di aggancio alla rete GPS e l’eventuale attivazione dello stato di allarme. Completamente assente il comando di accensione, come si addice ad un vero orologio. Tutte le connessioni sono sul pannello posteriore, come visibile di seguito:

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Illustrazione 1: pannello posteriore Rapco e connessioni

  • a sinistra troviamo la spina di alimentazione, il porta fusibile e il cambiatensione 115/230Vac
  • al centro, il connettore N per l’antenna GPS e il connettore seriale RS232, in versione DB9

  • a destra, 3 connettori BNC rendono disponibili, il segnale PPS, l’uscita allarme (contatto pulito) e il segnale modulato di tempo

L’antenna GPS

per funzionare, il Rapco ha bisogno di ricevere i segnali della costellazione GPS. Per questo bisogna collegarlo ad una antenna amplificata. Sul connettore N, è presente la tensione di +5Vdc necessari ad alimentarla. Di questo se ne tenga presente in fase di scelta del modello, in quanto oggi sono disponibili sul mercato sia versioni a 5V sia a 3,3V. Data la relativa anzianità, il ricevitore non è particolarmente sensibile e gestisce solo 8 canali. E’ quindi opportuno curare bene l’installazione dell’antenna, in zona libera da ostacoli.

L’uscita seriale

Lo strumento dispone di una porta di comunicazione di tipo seriale in accordo allo standard EIA-RS232C. Può essere configurata come terminale (TERMINAL) trasmittente le informazioni di tempo e posizione, oppure per programmare ed interrogare lo strumento stesso (REMOTE).

Tutti i dettagli della comunicazione sono illustrati nel completo manuale d’uso che molto gentilmente Spectracom mi ha mandato dietro semplice richiesta email.

In sintesi comunque, il colloquio avviene coi seguenti parametri:

Baud rate: 4800

Parola: 8 bit

Parità: N

Stop bit: 1

anche abbreviato come 4800,8N1

Nel modo Terminal, solo 3 comandi sono accettati:

  • <ctrl>S : ferma lo scroll del display

  • <ctrl>Q : avvia lo scroll del display

  • ? : passa in modo “REMOTE”

Composizione dei frames “Terminal”

Per rimanere nello scopo illustrativo di questo articolo, vedremo ora solo la descrizione dei dati trasmessi in modalità terminale, che sono anche quelli più interessanti per un riuso amatoriale dell’apparato.

I dati sono trasmessi codificati ASCII, secondo la seguente temporizzazione:

  • ogni secondo: tempo e data

  • ogni 10 secondi: posizione e stato satelliti

Un esempio dei frames trasmessi in 10 secondi è riportato di seguito:

Position : 44 54.008 N 010 33.228 E 0061 M

PDOP : 02

Sat PRN : 20,06,19,28,32,11,22

Sat level : 08,01,17,04,11,05,04

Fix Type : 3D

UTC Time : 06:36:11 05/04/2010

UTC Time : 06:36:12 05/04/2010

UTC Time : 06:36:13 05/04/2010

UTC Time : 06:36:14 05/04/2010

UTC Time : 06:36:15 05/04/2010

UTC Time : 06:36:16 05/04/2010

UTC Time : 06:36:17 05/04/2010

UTC Time : 06:36:18 05/04/2010

UTC Time : 06:36:19 05/04/2010

UTC Time : 06:36:20 05/04/2010

Testo 1: Sequenza di 10 frame RS232

dove:

  • Position è formattato come: <latitudine> <longitudine> <altitudine>

  • la quota è indicata in metri rispetto ai livelli della WGS-84

  • PDOP: Position Diluition Of Precision statistic. E’ un indicatore della precisione del dato “posizione”. Normalmente è inferiore a 06, con 01 valore ottimo. Nel caso invece non sia possibile determinare la posizione, assume valore 00.

  • Sat PRN: è l’elenco dei satelliti GPS correntemente ricevuti

  • Sat level: è l’indice arbitrario, variabile da 0 a 30, dell’intensità del segnale ricevuto da ogni satellite in uso.

  • Fix Type: indica lo stato corrente, dove: 1D significa solo un satellite agganciato, nessuna informazione di posizione, tempo. 2D, almeno due satelliti usabili, informazione di posizione bidimensionale (solo latitudine e longitudine), tempo. 3D, almeno tre satelliti agganciati, posizione, quota, tempo.

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Illustrazione 2: La mia interfaccia grafica


La mia interfaccia grafica

per decodificare i dati trasmessi dalla seriale e farne una rappresentazione grafica sul video, ho sviluppato un piccolo programmino con Labview ® il cui sorgente è disponibile su richiesta. L’interfaccia grafica è minimale e riporta in “bella copia” le informazioni che sarebbero comunque visibili con un comune programma terminale. Unico “vezzo” il calcolo del valore medio del segnale ricevuto fra i vari satelliti in uso.

L’uscita PPS

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Illustrazione 3: Il segnale TTL-PPS

sul connettore J11, 1 Hz/1 PPS è disponibile a livello TTL (0-5V) l’onda quadra con periodo di 1 secondo. Questo segnale è generato partendo da un oscillatore termostatato a 10 MHz, attivo anche in assenza di segnale GPS, quindi sempre presente. La media delle informazioni di tempo ricevute dai satelliti, tiene aggiustato in fase l’oscillatore con una ripetizione ogni 8 secondi. Mediamente quindi, il fronte del segnale PPS ha una precisione entro un microsecondo rispetto al reale UTC.

Rapco 1814_html_5ecc5b4Illustrazione 4: Forma d’onda uscita IRG-B


L’uscita TimeCode

Come prima accennato, il 1814 può generare codici in quattro formati standard: IRIG-A, IRIG-B, XR3 ed XR3/2137. La scelta è possibile tramite la programmazione via linea seriale e il default è l’IRIG-B, nella forma B126.

Il segnale in uscita si presenta come una sinusoide a frequenza fissa di 1 kHz, modulato in ampiezza con cambio ampiezza sul passaggio per lo zero.

Ha una impedenza d’uscita di soli 100 Ohm, quindi idonea a pilotare lunghe linee di trasmissione o una molteplicità di carichi.

Conclusioni

L’acquisto di questo strumento è stato per me un’ottima opportunità per studiare un argomento, quello degli standard IRIG, assolutamente sconosciuto. La sua classe ed utilità in laboratorio è indiscutibile. E’ possibile ad esempio mantenere al passo il proprio PC, sincronizzare misure, correlarle fra posti diversi con altissima precisione. Non c’è bisogno di “essere la NASA” per goderne appieno! Buon tempo a tutti dunque!

Bibliografia

wsmrc2vger.wsmr.army.mil/rcc/manuals/200-04/TT-45.pdf

en.wikipedia.org/wiki/IRIG_timecode

www.spectracom.co.uk/

www.pes-psrc.org/i/IRIG%20Connection%20Requirements.doc

irig.org/

www.telemetry.org/

wsmrc2vger.wsmr.army.mil/rcc/

www.spectracom.co.uk/

neutrino.phys.washington.edu/~berns/SUPERK/GPS/irigcode.html

neutrino.phys.washington.edu/~berns/SUPERK/GPS/irigcode.gif

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