contrib/ntp/html/driver6.htm

   1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN">
   2 <html>
   3 <head>
   4 <meta name="generator" content="HTML Tidy, see www.w3.org">
   5 <title>IRIG Audio Decoder</title>
   6 </head>
   7 <body>
   8 <h3>IRIG Audio Decoder</h3>
   9
  10 <hr>
  11 <h4>Synopsis</h4>
  12
  13 Address: 127.127.6.<i>u</i> <br>
  14 Reference ID: <tt>IRIG</tt> <br>
  15 Driver ID: <tt>IRIG_AUDIO</tt> <br>
  16 Audio Device: <tt>/dev/audio</tt> and <tt>/dev/audioctl</tt>
  17
  18 <p>Note: This driver supersedes an older one of the same name,
  19 address and ID which required replacing the original kernel audio
  20 driver with another which works only on older Sun SPARCstation
  21 systems. The new driver described here uses the stock kernel audio
  22 driver and works in SunOS 4.1.3 and Solaris 2.6 versions and
  23 probably all versions in between. The new driver requires no
  24 modification of the operating system. While it is generic and
  25 likely portable to other systems, it is somewhat slower than the
  26 original, since the extensive signal conditioning, filtering and
  27 decoding is done in user space, not kernel space.</p>
  28
  29 <h4>Description</h4>
  30
  31 This driver supports the Inter-Range Instrumentation Group (IRIG)
  32 standard time distribution signal using the audio codec native to
  33 some workstations. This signal is generated by several radio
  34 clocks, including those made by Arbiter, Austron, Bancomm, Odetics,
  35 Spectracom and TrueTime, among others, although it is often an
  36 add-on option. The signal is connected via an optional attenuator
  37 box and cable to either the microphone or line-in port. The driver
  38 receives, demodulates and decodes the IRIG-B and IRIG-E signal
  39 formats using internal filters designed to reduce the effects of
  40 noise and interference.
  41
  42 <p>This driver incorporates several features in common with other
  43 audio drivers such as described in the <a href="driver7.htm">Radio
  44 CHU Audio Demodulator/Decoder</a> and the <a href="driver36.htm">
  45 Radio WWV/H Audio Demodulator/Decoder</a> pages. They include
  46 automatic gain control (AGC), selectable audio codec port and
  47 signal monitoring capabilities. For a discussion of these common
  48 features, as well as a guide to hookup, debugging and monitoring,
  49 see the <a href="audio.htm">Reference Clock Audio Drivers</a>
  50 page.</p>
  51
  52 <p>The IRIG signal format uses an amplitude-modulated carrier with
  53 pulse-width modulated data bits. For IRIG-B, the carrier frequency
  54 is 1000 Hz and bit rate 100 b/s; for IRIG-E, the carrier frequenchy
  55 is 100 Hz and bit rate 10 b/s. While IRIG-B provides the best
  56 accuracy, generally within a few tens of microseconds relative to
  57 IRIG time, it can also generate a significant load on the processor
  58 with older workstations. Generally, the accuracy with IRIG-E is
  59 about ten times worse than IRIG-B, but the processor load is ten
  60 times less.</p>
  61
  62 <p>The program processes 8000-Hz mu-law companded samples using
  63 separate signal filters for IRIG-B and IRIG-E, a comb filter,
  64 envelope detector and automatic threshold corrector. Cycle
  65 crossings relative to the corrected slice level determine the width
  66 of each pulse and its value - zero, one or position identifier. The
  67 data encode 20 BCD digits which determine the second, minute, hour
  68 and day of the year and sometimes the year and synchronization
  69 condition. The comb filter exponentially averages the corresponding
  70 samples of successive baud intervals in order to reliably identify
  71 the reference carrier cycle. A type-II phase-lock loop (PLL)
  72 performs additional integration and interpolation to accurately
  73 determine the zero crossing of that cycle, which determines the
  74 reference timestamp. A pulse-width discriminator demodulates the
  75 data pulses, which are then encoded as the BCD digits of the
  76 timecode. The timecode and reference timestamp are updated once
  77 each second with IRIG-B (ten seconds with IRIG-E) and local clock
  78 offset samples saved for later processing. At poll intervals of 64
  79 s, the saved samples are processed by a trimmed-mean filter and
  80 used to update the system clock.</p>
  81
  82 <p>Infinite impulse response (IIR) filters are used with both
  83 IRIG-B and IRIG-E formats. An 800-Hz highpass filter is used for
  84 IRIG-B and a 130-Hz lowpass filter for IRIG-E. These are intended
  85 for use with noisy signals, such as might be received over a
  86 telephone line or radio circuit, or when interfering signals may be
  87 present in the audio passband. The driver determines which IRIG
  88 format is in use by sampling the amplitude of each filter output
  89 and selecting the one with maximum signal. An automatic gain
  90 control feature provides protection against overdriven or
  91 underdriven input signal amplitudes. It is designed to maintain
  92 adequate demodulator signal amplitude while avoiding occasional
  93 noise spikes. In order to assure reliable capture, the decompanded
  94 input signal amplitude must be greater than 100 units and the codec
  95 sample frequency error less than 250 PPM (.025 percent).</p>
  96
  97 <p>The program performs a number of error checks to protect against
  98 overdriven or underdriven input signal levels, incorrect signal
  99 format or improper hardware configuration. Specifically, if any of
 100 the following errors occur for a timecode, the data are rejected.
 101 Secifically, if any of the following errors occur for a time
 102 measurement, the data are rejected.</p>
 103
 104 <ol>
 105 <li>The peak carrier amplitude is less than 100 units. This usually
 106 means dead IRIG signal source, broken cable or wrong input
 107 port.</li>
 108
 109 <li>The frequency error is greater than &plusmn;250 PPM (.025
 110 percent). This usually means broken codec hardware or wrong codec
 111 configuration.</li>
 112
 113 <li>The modulation index is less than 0.5. This usually means
 114 overdriven IRIG signal or wrong IRIG format.</li>
 115
 116 <li>A frame synchronization error has occured. This usually means
 117 wrong IRIG signal format or the IRIG signal source has lost
 118 synchronization (signature control).</li>
 119
 120 <li>A data decoding error has occured. This usually means wrong
 121 IRIG signal format.</li>
 122
 123 <li>The current second of the day is not exactly one greater than
 124 the previous one. This usually means a very noisy IRIG signal or
 125 insufficient CPU resources.</li>
 126
 127 <li>An audio codec error (overrun) occured. This usually means
 128 insufficient CPU resources, as sometimes happens with Sun SPARC
 129 IPCs when doing something useful.</li>
 130 </ol>
 131
 132 Note that additional checks are done elsewhere in the reference
 133 clock interface routines.
 134
 135 <p>Unlike other drivers, which can have multiple instantiations,
 136 this one supports only one. It does not seem likely that more than
 137 one audio codec would be useful in a single machine. More than one
 138 would probably chew up too much CPU time anyway.</p>
 139
 140 <h4>IRIG-B Timecode Format</h4>
 141
 142 The 100 elements of the IRIG timecode are numbered from 0 through
 143 99. Position identifiers occur at elements 0, 9, 19 and every ten
 144 thereafter to 99. The control function (CF) elements begin at
 145 element 50 (CF 1) and extend to element 78 (CF 27). The
 146 straight-binary-seconds (SBS) field, which encodes the seconds of
 147 the UTC day, begins at element 80 (CF 28) and extends to element 97
 148 (CF 44). The encoding of elements 50 (CF 1) through 78 (CF 27) is
 149 device dependent. This driver presently decodes the CF elements,
 150 but does nothing with them.
 151
 152 <p>Where feasible, the IRIG signal source should be operated with
 153 signature control so that, if the signal is lost or mutilated, the
 154 source produces an unmodulated signal, rather than possibly random
 155 digits. The driver will automatically reject the data and declare
 156 itself unsynchronized in this case. Some devices, in particular
 157 Spectracom radio/satellite clocks, provide additional year and
 158 status indication in the format:</p>
 159
 160 <pre>
 161      Element   CF        Function
 162      -------------------------------------
 163      55        6         time sync status
 164      60-63     10-13     BCD year units
 165      65-68     15-18     BCD year tens
 166 </pre>
 167
 168 Other devices set these elements to zero.
 169
 170 <h4>Performance</h4>
 171
 172 The mu-law companded data format allows considerable latitude in
 173 signal levels; however, an automatic gain control (AGC) function is
 174 implemented to further compensate for varying input signal levels
 175 and to avoid signal distortion. For proper operation, the IRIG
 176 signal source should be configured for analog signal levels, NOT
 177 digital TTL levels.
 178
 179 <p>The accuracy of the system clock synchronized to the IRIG-B
 180 source with this driver and the <tt>ntpd</tt> daemon is 10-20 <font
 181 face="symbol">m</font>s with a Sun UltraSPARC II and maybe twice
 182 that with a Sun SPARC IPC. The processor resources consumed by the
 183 daemon can be significant, ranging from about 1.2 percent on the
 184 faster UltraSPARC II to 38 percent on the slower SPARC IPC.
 185 However, the overall timing accuracy is limited by the resolution
 186 and stability of the CPU clock oscillator and the interval between
 187 clock corrections, which is 64 s with this driver. This
 188 performance, while probably the best that can be achieved by the
 189 daemon itself, can be improved with assist from the PPS discipline
 190 as described elsewhere in the documentation.</p>
 191
 192 <h4>Monitor Data</h4>
 193
 194 The timecode format used for debugging and data recording includes
 195 data helpful in diagnosing problems with the IRIG signal and codec
 196 connections. With debugging enabled (-d on the ntpd command line),
 197 the driver produces one line for each timecode in the following
 198 format:
 199
 200 <p><tt>00 1 98 23 19:26:52 721 143 0.694 47 20 0.083 66.5
 201 3094572411.00027</tt></p>
 202
 203 <p>The first field containes the error flags in hex, where the hex
 204 bits are interpreted as below. This is followed by the IRIG status
 205 indicator, year of century, day of year and time of day. The status
 206 indicator and year are not produced by some IRIG devices. Following
 207 these fields are the signal amplitude (0-8100), codec gain (0-255),
 208 field phase (0-79), time constant (2-20), modulation index (0-1),
 209 carrier phase error (0&plusmn;0.5) and carrier frequency error
 210 (PPM). The last field is the on-time timestamp in NTP format. The
 211 fraction part is a good indicator of how well the driver is doing.
 212 With an UltrSPARC 30, this is normally within a few tens of
 213 microseconds relative to the IRIG-B signal and within a few hundred
 214 microseconds with IRIG-E.</p>
 215
 216 <h4>Fudge Factors</h4>
 217
 218 <dl>
 219 <dt><tt>time1 <i>time</i></tt></dt>
 220
 221 <dd>Specifies the time offset calibration factor, in seconds and
 222 fraction, with default 0.0.</dd>
 223
 224 <dt><tt>time2 <i>time</i></tt></dt>
 225
 226 <dd>Not used by this driver.</dd>
 227
 228 <dt><tt>stratum <i>number</i></tt></dt>
 229
 230 <dd>Specifies the driver stratum, in decimal from 0 to 15, with
 231 default 0.</dd>
 232
 233 <dt><tt>refid <i>string</i></tt></dt>
 234
 235 <dd>Specifies the driver reference identifier, an ASCII string from
 236 one to four characters, with default <tt>IRIG</tt>.</dd>
 237
 238 <dt><tt>flag1 0 | 1</tt></dt>
 239
 240 <dd>Not used by this driver.</dd>
 241
 242 <dt><tt>flag2 0 | 1</tt></dt>
 243
 244 <dd>Specifies the microphone port if set to zero or the line-in
 245 port if set to one. It does not seem useful to specify the compact
 246 disc player port.</dd>
 247
 248 <dt><tt>flag3 0 | 1</tt></dt>
 249
 250 <dd>Enables audio monitoring of the input signal. For this purpose,
 251 the speaker volume must be set before the driver is started.</dd>
 252
 253 <dt><tt>flag4 0 | 1</tt></dt>
 254
 255 <dd>Enable verbose <tt>clockstats</tt> recording if set.</dd>
 256 </dl>
 257
 258 <h4>Additional Information</h4>
 259
 260 <a href="refclock.htm">Reference Clock Drivers</a> <br>
 261 <a href="audio.htm">Reference Clock Audio Drivers</a>
 262
 263 <hr>
 264 <a href="index.htm"><img align="left" src="pic/home.gif" alt=
 265 "gif"></a>
 266
 267 <address><a href="mailto:mills@udel.edu">David L. Mills
 268 &lt;mills@udel.edu&gt;</a></address>
 269 </body>
 270 </html>
 271