柯小燕,向渝,王善和,華宇

(1.中國科學(xué)院 國家授時中心,西安 710600；2.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué),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(kuò)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)時間信息。調(diào)頻廣播可以實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)院國家授時中心在調(diào)頻廣播授時技術(shù)的研究方面已制定了具體的實(shí)施方案并有完善的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jié)合時間傳遞方法與技術(shù),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(biāo)準(zhǔn)時間SCA插播系統(tǒng)、定時接收機(jī)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(shí)現(xiàn)授時功能,需增加標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)時間信息實(shí)時編碼并進(jìn)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(jìn)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(jī)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(dǎo)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(wù)信息的調(diào)頻多工數(shù)據(jù)廣播技術(shù),它可以使同一部發(fā)射機(jī)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)[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(shè)計為 5 kHz。信號幀周期設(shè)計為1 s,幀結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中幀頭由一組127個碼片的偽隨機(jī)碼序列構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(jī)序列進(jìn)行擴(kuò)頻生成3 339碼片的授時信息和1 534碼片的保留位。偽隨機(jī)序列生成多項式為x6+x+1。

圖3 幀結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)發(fā)射端的原理如圖4所示,由標(biāo)準(zhǔn)時間編碼器將標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(guān),得到幀頭,用碼長為63的PN1碼解調(diào)出時碼。當(dāng)接收機(jī)處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)時,根據(jù)PN0碼的相關(guān)峰可得到1 PPS信號,根據(jù)PN1碼的相關(guān)結(jié)果解出時碼信息。上述過程的仿真實(shí)驗(yàn),將在后續(xù)內(nèi)容中作詳細(xì)說明。

圖5 系統(tǒng)接收端原理框圖

2 解調(diào)技術(shù)

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(jìn)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(shè)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(luò)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(luò)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(yīng)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(shí)驗(yàn)中,選擇頻點(diǎn)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(luò),得到頻譜如圖7所示。

經(jīng)過微分和解包絡(luò)的廣播信號,即實(shí)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(jìn)行下一步的BPSK解調(diào)。根據(jù)授時基帶信號帶寬的設(shè)計,仿真實(shí)驗(yàn)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(jié)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(jìn)行平方運(yùn)算,使得頻率倍增,實(shí)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(luò)后的信號頻譜圖 圖8 帶通濾波后的包絡(luò)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(diǎn)和d點(diǎn)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(dá)到頻率跟蹤。跟蹤結(jié)果如圖10所示。

本文仿真實(shí)驗(yàn)所用擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)時間信息擴(kuò)頻,碼周期為63個碼片。PN碼序列有尖銳的自相關(guān)特性,在一個碼周期長度內(nèi)做相關(guān)累積,其最大相關(guān)值的位置出現(xiàn)在完全同步PN碼的結(jié)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(guān),取得最大值處即是幀頭出現(xiàn)位置,對擴(kuò)頻增益為127的PN碼,相關(guān)峰峰值應(yīng)為127或-127,因此當(dāng)滑動相關(guān)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(yīng)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(guān)誤差為碼元寬度的1/10～1/100[15],則所對應(yīng)的測量誤差可達(dá)2～20 μs。

圖10 頻率跟蹤結(jié)果

圖11 PN0碼滑動相關(guān)結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)中,以標(biāo)準(zhǔn)秒時刻為參考,測量相關(guān)峰出現(xiàn)的時刻與標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果如圖12所示,表明在仿真實(shí)驗(yàn)中調(diào)頻廣播授時精度可達(dá)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(jìn)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(jìn)一步的解擴(kuò)和時碼解調(diào)。圖13是待解擴(kuò)的碼片信息,由1,-1組成,每63個碼片與PN1碼作相關(guān),相關(guān)結(jié)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(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。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(guān),結(jié)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(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(kuò)的碼片信息 圖14 時間信息

3 總結(jié)

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(shí)驗(yàn),實(shí)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(jìn)行解調(diào),提取了時間信息。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該調(diào)頻廣播授時接收方案具有理論上的可行性,實(shí)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(shí)現(xiàn)。