柯小燕,向渝,王善和,華宇

(1.中國科學院 國家授時中心,西安 710600；2.中國科學院 精密導航定位與定時技術重點實驗室,西安 710600；3.中國科學院大學,北京 100049)

0 引言

我國調(diào)頻廣播的頻率范圍為87～108 MHz,各電臺頻道帶寬為200 kHz[1],利用53～100 kHz頻段可以擴展出RDS,SCA1,SCA2等多個附加信道以提高頻率的利用率,如RDS附加信道用于城市交通車輛定位系統(tǒng)、SCA附加信道用于氣象預警信息發(fā)布系統(tǒng)等。本文選用調(diào)頻廣播的SCA1附加信道來發(fā)送標準時間信息。調(diào)頻廣播可以實現(xiàn)優(yōu)于毫秒級別的授時精度。利用現(xiàn)有的調(diào)頻廣播的SCA附加信道傳遞標準時間信息不會對調(diào)頻廣播造成干擾,因此是一種性價比較高的授時方法。

中國科學院國家授時中心在調(diào)頻廣播授時技術的研究方面已制定了具體的實施方案并有完善的實驗平臺。本文就調(diào)頻廣播授時系統(tǒng)做了簡要的介紹,并對接收端進行了仿真,最終提取了時間信息,論證了該方案的可行性。

1 調(diào)頻廣播授時原理

經(jīng)過對現(xiàn)有的FM調(diào)頻廣播發(fā)射系統(tǒng)的分析,結合時間傳遞方法與技術,給出了調(diào)頻廣播授時原理,包括授時信息的編碼、插播與解調(diào)等。

1.1 系統(tǒng)組成

調(diào)頻廣播授時系統(tǒng)主要由現(xiàn)有的FM調(diào)頻廣播發(fā)射系統(tǒng)、標準時間SCA插播系統(tǒng)、定時接收機三大部分組成。如圖1所示。

圖1 FM調(diào)頻廣播授時系統(tǒng)組成框圖

現(xiàn)有FM調(diào)頻廣播發(fā)射系統(tǒng)主要由立體聲編碼器、FM調(diào)頻廣播激勵器、功放、發(fā)射天線等組成。為實現(xiàn)授時功能,需增加標準時間SCA(sub-carrier data channel broadcast)插播系統(tǒng),其主要功能是將本地維持的標準時間信息實時編碼并進行BPSK(binary phase shift keying)調(diào)制,生成滿足SCA附加信道要求的副載波調(diào)制信號,然后由FM(frequency modulation)調(diào)頻廣播激勵器將其與立體聲信號相加后對主載波進行FM調(diào)制,再經(jīng)功放后由發(fā)射天線發(fā)射出去[2-4]。在接收端用定時接收機接收該廣播信號,經(jīng)下變頻和基帶處理從副載波中解調(diào)出時間信息。

1.2 系統(tǒng)授時原理

我國的調(diào)頻廣播主要采用導頻制雙聲道調(diào)頻立體聲廣播制式。單個電臺頻譜分布如圖2所示。其中,SCA1頻段的中心頻率為67 kHz,SCA2頻段的中心頻率為92 kHz,均可作為調(diào)頻附加信道傳輸信息,且在原理上是一致的[5]。在本方案中選用SCA1頻段來發(fā)送授時信息。

圖2 調(diào)頻廣播頻譜分布圖

調(diào)頻附加信道數(shù)據(jù)廣播是利用現(xiàn)有調(diào)頻廣播的附加信道來傳送各種業(yè)務信息的調(diào)頻多工數(shù)據(jù)廣播技術,它可以使同一部發(fā)射機在同一個主頻率上,除了傳送原有的廣播節(jié)目外,還可以在附加信道同時傳送一路或多路的語言、數(shù)據(jù)節(jié)目,實現(xiàn)“一主多副”的調(diào)頻多工廣播[6-7]。

根據(jù)我國GB4311-2000國家標準[8]規(guī)定：SCA信道副載波對主載波調(diào)制的最大頻偏為±7.5 kHz,因此為保證授時信號插播的可靠性,在本方案中,授時基帶信號帶寬設計為 5 kHz。信號幀周期設計為1 s,幀結構如圖3所示,其中幀頭由一組127個碼片的偽隨機碼序列構成,其生成多項式為x7+x3+1,簡稱為PN0碼,其第一個碼片上升沿與標準秒時刻對齊；授時信息由11 bit的起始符、34 bit的時間信息及8 bit的CRC校驗位組成；保留位占24 bit,用全零填充,該部分信息用周期為63碼片的偽隨機序列進行擴頻生成3 339碼片的授時信息和1 534碼片的保留位。偽隨機序列生成多項式為x6+x+1。

圖3 幀結構

系統(tǒng)發(fā)射端的原理如圖4所示,由標準時間編碼器將標準時間信息編碼,由BPSK調(diào)制器將信號調(diào)制到SCA1頻段(中心頻率67 kHz)。然后將調(diào)制信號與立體聲廣播信號相加并進行FM調(diào)制,經(jīng)高功放、發(fā)射天線對外廣播。其中,BPSK調(diào)制的基帶信號是用M序列發(fā)生器產(chǎn)生的,利用數(shù)字信號的離散值控制載波的相位,在抗干擾能力和信號頻譜利用率方面,相比ASK,FSK,PSK性能最好。

圖4 系統(tǒng)發(fā)射端組成框圖

接收端的原理如圖5所示,對接收到的調(diào)頻廣播授時信號下變頻得到中頻信號,通過帶通濾波器后進行FM解調(diào),再經(jīng)過中心頻率為67 kHz帶寬5 kHz的帶通濾波得到BPSK調(diào)制信號；對調(diào)制信號用costas環(huán)捕獲、跟蹤并解調(diào),采用碼長為127的PN0碼相關,得到幀頭,用碼長為63的PN1碼解調(diào)出時碼。當接收機處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)時,根據(jù)PN0碼的相關峰可得到1 PPS信號,根據(jù)PN1碼的相關結果解出時碼信息。上述過程的仿真實驗,將在后續(xù)內(nèi)容中作詳細說明。

圖5 系統(tǒng)接收端原理框圖

2 解調(diào)技術

本節(jié)按照FM解調(diào)、PN碼捕獲與跟蹤、時碼解調(diào)的順序闡述調(diào)頻廣播授時的流程。

2.1 調(diào)頻廣播授時信號的非相干解調(diào)

SCA副載波調(diào)制信號屬于窄帶調(diào)頻信號,可以采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種[9-11]解調(diào)方法,在本文的仿真過程中選擇用非相干解調(diào)方法進行解調(diào)。

如圖6所示,非相干解調(diào)器由限幅器及帶通濾波器、鑒頻器和低通濾波器等組成。限幅器輸入為已調(diào)頻信號和噪聲,限幅器的作用是為了消除接收信號在幅度上可能出現(xiàn)的畸變；帶通濾波器的作用是用來限制帶外噪聲及高次諧波分量,使調(diào)頻信號順利通過。鑒頻器中的微分器把幅度恒定的調(diào)頻波SFM(t)變成幅度和頻率都隨調(diào)制信號m(t)變化的調(diào)幅調(diào)頻波Sd(t)。

圖6 FM非相干解調(diào)模型

設輸入調(diào)頻信號為

(1)

式(1)中,A為信號幅度,ωc為載波頻率,Kf是調(diào)制系數(shù),則微分器輸出為

(2)

包絡檢波的作用是從輸出信號的幅度變化中檢出調(diào)制信號。包絡檢波器輸出為

So(t)=Kd[ωc+Kfm(t)]=Kdωc+KdKfm(t)。

(3)

式(3)中,Kd為鑒頻靈敏度(單位是V/Hz),是已調(diào)信號單位頻偏對應的調(diào)制信號的幅度,經(jīng)低通濾波器后加隔直流電容,隔除無用的直流,得到解調(diào)輸出

mo(t)=KdKfm(t)。

(4)

在本仿真實驗中,選擇頻點為93.5 MHz的調(diào)頻廣播信號作為測試對象。接收端首先將93.5 MHz的廣播信號下變頻至200 kHz,以5倍的采樣率采樣,即fs=1 000 kHz。采用非相干解調(diào)的方法對采集到的數(shù)據(jù)做微分變換,并提取包絡,得到頻譜如圖7所示。

經(jīng)過微分和解包絡的廣播信號,即實現(xiàn)了式(2)和(3)變換,再經(jīng)過帶通濾波保留有用信號,即可進行下一步的BPSK解調(diào)。根據(jù)授時基帶信號帶寬的設計,仿真實驗中所采用的帶通濾波器的參數(shù)為62 kHz～72 kHz,帶通濾波后的結果如圖8所示。

2.2 PN碼的捕獲與跟蹤

對于無離散載頻分量的信號,可以采用非線性變換的方法從信號中獲取載頻,常用的方法有平方環(huán)法和科斯塔斯環(huán)法。平方環(huán)法在載波頻率上進行平方運算,使得頻率倍增,實現(xiàn)難度大[9,12]。而科斯塔斯環(huán)則用相乘器和較簡單的低通濾波器取代平方器,因此,在本仿真中,選用科斯塔斯環(huán)法提取載波,其原理如圖9所示。

圖7 微分解包絡后的信號頻譜圖 圖8 帶通濾波后的包絡頻譜圖

圖9 科斯塔斯環(huán)法原理框圖

接收信號S(t)=e(t)cos(ωct+θ)被送入兩路相乘器分別于本地產(chǎn)生的I路和Q路分別相乘,得到c點和d點的電壓：

(5)

(6)

式(5)和(6)中,θ和φ分別代表接收信號和本地載波的初始相位,e(t)代表信號幅度。經(jīng)過低通濾波得:

(7)

(8)

vf除以ve并求反正切即可得到環(huán)路濾波的輸入,即vg=φ-θ。用vg不斷更新本地載波頻率,縮小頻偏以達到頻率跟蹤。跟蹤結果如圖10所示。

本文仿真實驗所用擴頻碼由兩組PN碼,PN0和PN1組成。PN0用于檢測幀頭和獲取本地1 PPS信號,碼周期為127個碼片,PN1用于對標準時間信息擴頻,碼周期為63個碼片。PN碼序列有尖銳的自相關特性,在一個碼周期長度內(nèi)做相關累積,其最大相關值的位置出現(xiàn)在完全同步PN碼的結束時刻[13-14]。根據(jù)PN碼的這一特性,就可以找到幀頭,如圖11所示。

PN0碼做滑動相關,取得最大值處即是幀頭出現(xiàn)位置,對擴頻增益為127的PN碼,相關峰峰值應為127或-127,因此當滑動相關值的絕對值為127時,即捕獲到了幀頭,輸出1 PPS脈沖信號。對帶寬為5 kHz的調(diào)制信號,每個碼片對應的時長是0.2 ms,即200 μs。在不考慮信號傳播時延的情況下,若碼相關誤差為碼元寬度的1/10～1/100[15],則所對應的測量誤差可達2～20 μs。

圖10 頻率跟蹤結果

圖11 PN0碼滑動相關結果

仿真實驗中,以標準秒時刻為參考,測量相關峰出現(xiàn)的時刻與標準秒時刻之間的時間間隔,測量時長1 h,扣除固定偏差后,其結果如圖12所示,表明在仿真實驗中調(diào)頻廣播授時精度可達到微秒級。

圖12 授時精度

在PN碼捕獲與跟蹤成功后,即可對時碼進行解調(diào)。

2.3 時碼解調(diào)

在捕獲到幀頭后,需要對幀頭后的數(shù)據(jù)做進一步的解擴和時碼解調(diào)。圖13是待解擴的碼片信息,由1,-1組成,每63個碼片與PN1碼作相關,相關結果大于0則輸出1,小于0輸出-1。

由于科斯塔斯環(huán)輸出數(shù)據(jù)可能存在180° 相位模糊,導致數(shù)據(jù)反相。即解析信號中的起始符[-1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1]時,可能得到正確的數(shù)據(jù)：[-1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1]；也有可能得到翻轉的數(shù)據(jù)：[1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1],因此需要判斷是否存在數(shù)據(jù)翻轉。采用的方法是：將環(huán)路輸出的前11 bit(即起始符)與固定的[-1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1]序列作相關,結果將會是11或者-11。如果得到11,表明科斯塔斯環(huán)輸出的數(shù)據(jù)是正確的；如果得到-11,表明科斯塔斯環(huán)輸出的數(shù)據(jù)是翻轉的,需要將每一個數(shù)據(jù)取相反數(shù)。最終將數(shù)據(jù)1用0表示,數(shù)據(jù)-1用1表示,得到只用1,0表示的時間信息,如圖14所示。仿真實驗中,將2015年 9月 8日 11:20:04時碼數(shù)據(jù)按照圖3所示時間編碼的規(guī)則編碼,再通過調(diào)制并對外廣播,經(jīng)上述步驟解調(diào)后,正確得到了原時碼信息。

圖13 待解擴的碼片信息 圖14 時間信息

3 總結

本文介紹了利用調(diào)頻廣播附加信道授時的原理,通過仿真實驗,實現(xiàn)了調(diào)頻廣播授時信號的接收,包括調(diào)頻信號的解調(diào)、PN碼的捕獲與跟蹤,并對時碼信息進行解調(diào),提取了時間信息。通過仿真實驗驗證了該調(diào)頻廣播授時接收方案具有理論上的可行性,實際的解調(diào)效果及授時精度還有賴于具體授時系統(tǒng)的實現(xiàn)。