BPM短波多频点定时系统的制作方法

本发明涉及一种定时系统，属于无线电授时和定时
技术领域：
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背景技术：
：bpm短波授时系统作为大科学装置之一，由中国科学院国家授时中心承担发播任务，通过电离层一次或多次反射进行时间信号传递，可覆盖我国陆地和近海海域，授时精度为1ms，具有覆盖范围广、发射设备简单、接收成本低等优点。其主要功能是进行定时和校频，也应用于通信、无线电波传播、气象和电离层等相关科学研究。bpm短波授时系统每天以四个频率(2.5mhz±5khz、5mhz±5khz、10mhz±5khz、15mhz±10khz)交替发播标准时间和标准频率信号，通过调幅方式发播协调世界时utc时号、世界时ut1时号、无调制载波及bpm呼号。四个频率的发播时间如表1所示，各频点发播程序如表2所示。表1bpm授时系统发播时间发射频率/mhzutc时间北京时间2.507:30—01：0015:30—09：005.000:00—24：0000:00—24：0010.000:00—24：0000:00—24：0015.001:00—09：0009:00—17：00表2bpm授时系统各频点发播程序1)59m00s～00m00s6)29m00s～30m00sbpm呼号(1分钟)2)00m00s～10m00s7)30m00s～40m00sutc时号(10分钟)3)10m00s～15m00s8)40m00s～45m00s无调制载波(5分钟)4)15m00s～25m00s9)45m00s～55m00sutc时号(10分钟)5)25m00s～29m00s7)55m00s～59m00sut1时号(4分钟)utc和ut1时号均采用1khz的标准音频调制，起始时刻为正弦波的零相位，utc时号包含10ms的秒时号和300ms的分时号，ut1包含100ms的秒时号和300ms的分时号，具体格式如下所示：式中，m(t)为发播时号信号，f0频率1khz；bpm呼号在每小时的59m00s～00m00s和29m00s～30m00s发播，前40s为莫尔斯电码：—····――·——，后20s为女声普通话语音广播：bpm标准时间标准频率发波台。同时为避免与周边国家短波授时台(如日本的jty和印度的ata等授时台)的相互干扰，bpm的utc时号超前utc(ntsc)20ms发播。目前，基于全球卫星导航系统的定时终端使用比较广泛，但卫星导航系统存在信号功率低，容易受到遮挡和干扰等问题，因此短波授时仍作为重要授时手段使用。短波主要靠天波进行传播，传播信道属于变参信号，信号很容易受到电离层变化和其他无线电系统干扰的影响，且时号不是连续发播，接收信号时有时无。现在我国大部分用户使用的短波接收机依然是模拟技术，多数采用传统的超外差调谐的方式和分立元件构成，例如1987年范荣美、吕彩田、李为丰在论文中提出的《bpm定时仪研究》及国家授时中心研制的po23bpm短波定时仪，这些设备存在结构复杂、精度低、数字化程度低、需要手动选择接收频点等问题。1988年范荣美在专利“中点检测技术及短波时号定时仪”中提出利用中点检测技术进行时号检测，其要求接收时号是对称的，且检测效率不高。随着数字化技术的发展和应用，出现了一些数字化短波接收手段，例如西安电子科技大学马卓、张伟、刘维、杜栓义在专利提出的“利用短波授时信号校准本地时钟的方法”利用傅里叶变化技术实现校准本地时钟，但需要根据发播程序确定接收信号时间。总结现有bpm定时终端，不同程度上存在自动化程度低、时号检测效率低、数字化程度不高、需要手动选择接收频点和调节信号增益等问题。因此研制多频点接收，全数字化接收，自动化程度高的bpm定时接收机，对我国bpm授时系统的建设和发展以及研制新型bpm定时接收机有着非常重要的意义。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种bpm多频点定时系统，采用全数字接收方式，在任何地点均可接收bpm短波授时信号，输出标准的utc秒信号和分信号，具有多频点接收、自动化程度高、定时精度高、全数字化等特点，可满足我国bpm短波用户对bpm定时系统低成本和全自动的需求。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种bpm短波多频点定时系统，包括通道选择单元、解调搜索单元和定时输出单元。所述的通道选择单元接收bpm授时台发送的四个频点授时信号，实时计算出其中信号功率最大的一个频点授时信号，通过ad采样将各频点授时信号均变为固定载频点2.5mhz数字信号，然后经过带通滤波器送入解调搜索单元；所述的解调搜索单元对接收到的数字信号进行解调和低通滤波，得到两路1khz的正交时号信号，将得到的正交时号信号与本地1khz正交时号信号进行四路折叠匹配相关，相关结果求取平方和，经过相关延迟相减得到两个相关值峰，然后通过短时自适应门限方法计算出门限值，最后利用相关值和门限值对两个相关峰进行检测，得到两个相关峰最大值的位置送入定时输出模块；所述的定时输出单元首先通过信号相关峰的出现的位置和理论位置关系对信号进行识别，识别出utc秒时号和分时号，接着将utc秒时号进行滤波处理防止误判，滤波后结果进行时延计算得到utc秒时号准确位置，通过utc秒时号初始位置对本地秒信号进行同步，同时通过秒信号计数和识别的分时号对本地分信号进行同步。所述的通道选择单元包括时钟基准模块、采样时钟产生模块、ad采样模块、fir带通滤波器模块、信号强度检测模块和通道选择模块；首先通道选择模块自动按顺序从四个频点中设置接收频点，给出通道号；时钟基准模块接收来自外部的时钟源，通过锁相环产生系统所需的工作时钟；采样时钟产生模块根据通道选择模块设定的通道号通过工作时钟分频产生四个频点的采样时钟，采样后各频点信号均为2.5mhz；ad采样模块通过采样时钟将所选频点的模拟信号转换成数字信号，完成对信号的采样、量化和编码；fir带通滤波器模块对ad采样信号进行滤波，滤除带外噪声和干扰，并将滤波结果送入信号强度检测模块；信号强度检测模块通过快速傅里叶变化对接收信号进行计算，计算出对应通道号2.5mhz频点信号功率；最后，通道选择模块根据每一个频点信号功率判断四个频点中信号功率最大的一个作为系统接收信号；通道选择单元按照设定周期重复计算功率最大的信号。所述解调搜索单元包括解调模块、低通滤波器模块、相关延迟相减模块、自适应门限模块和自动搜索模块；解调模块使用本地rom表中存储的一周2.5mhz正交载波与fir滤波器输出信号进行混频，得到两路正交混频信号；低通滤波模块分别对两路正交混频信号进行滤波，滤除高频分量和噪声，得到两路1khz正交时号信号，并通过累加平均的方式进行降采样；相关延迟相减模块采用四路折叠匹配相关器将两路1khz正交信号与本地rom表中存储的10ms正交1khz信号分别进行匹配相关得到四个相关值，匹配相关时长为10ms，将四个相关值平方和相加后得到相关值r(t)，相关值r(t)延迟10ms得到延迟相关值r(t+10ms)，通过相减r(t)-r(t+10ms)得到相关延迟相减结果r′(t)；自适应门限模块按照设定周期对相关延迟相减结果r′(t)累加求平均计算出信号检测的门限值，平均结果乘以8得到动态自适应门限v；自动搜索模块在时钟的驱动下计数作为搜索基准计数，通过比较r′(t)和门限v，连续判断一个搜索基准计数内相关延迟相减结果r′(t)中最大的两个极值点，记录两个极值点在一个搜索基准计数内计数的位置n1和n2，并在一个搜索基准计数结束时将位置值n1和n2送入定时输出单元，然后检测下一个基准计数内最大极值点位置。所述定时输出单元包括时号识别模块、峰值滤波模块、时延计算模块、utc秒信号产生模块和utc分信号产生模块；时号识别模块接收解调搜索单元送来的位置n1和n2，通过判断n1和n2的位置差δn＝n2-n1对时号进行识别，若δn为f*10ms，则判定为utc秒时号，n1为utc秒时号相关位置；若δn为f*990ms，也判定为utc秒时号，索引值n2为utc秒时号相关位置，满足以上两种条件时产生utc秒时号标识和索引值n(n为n1或n2)；若δn为f*300ms或f*700ms，则判定为分时号，产生分信号标识；若δn为f*100ms或f*900ms，则判定为ut1秒时号；时号识别模块中连续5次识别出utc秒时号，且前后一次n的值误差在±10内，则认为utc秒时号识别正确；将识别的utc秒时号位置n送入峰值滤波模块中；峰值滤波模块将时号识别模块中utc秒时号相关位置n送入存储长度为20的移位寄存器，然后进行从大到小排序，取中间两个值的平均值作为秒时号相关峰位置n′，从而完成utc秒时号位置的滤波和误判值剔除，得到秒时号相关峰位置；当1分钟内未成功识别出utc秒时号，清除移位寄存器，重新开始峰值滤波模块；时延计算模块计算接收系统定时信号相对于发射台的总定时时延δt＝tr-t20ms+td，式中tr为接收终端处理时延，定时系统通过接收bpm授时模拟器信号后输出的1pps信号与模拟源输出的1pps信号的时差测量均值获取；t20ms为发播utc秒时号超前utc(ntsc)20ms；td为传播时延；υd为电磁波传输速度；将秒信号时延换算为秒信号调整量nδt＝δt×f，utc秒时号出现的位置为n′-nδt；utc秒信号产生模块是由100khz时钟产生一个1s的计数，秒信号起始位置为自动搜索模块中utc秒时号在1s基准计数中的位置n′-nδt，实现了utc秒信号的同步；utc分信号产生模块在utc秒信号的触发下进行秒计数，计数范围为0～59，计数为0时输出utc分信号，当时号识别模块中产生分信号标识，则utc秒信号和分信号重合，将秒计数置为0，实现分信号的同步。本发明的有益效果是：(1)本发明可接收bpm短波台发出的四个频点，通过自适应选频接收信号强度最好的一个频点信号，无需手动选择频点；(2)本发明采用相关延迟相减方法获取信号相关峰，信号识别准确率高，无需通过发播时间判定此刻是否接收信号；(3)本发明采用短时自适应门限技术，无需调节接收信号增益；(4)本发明对时号峰值检测结果进行滤波获得秒信号位置，具有较高的定时精度；(5)本发明采用全数字解调和处理方式，在一般fpga芯片上就可实现，集成化程度高可节省硬件电路资源，可靠性较高，能够，满足bpm短波用户的精度要求。附图说明图1是本发明总体功能框架图图2是bpm短波授时系统时号波形示意图图3是本发明信号处理流程框图图4是一路折叠匹配相关器结构图图5是时号经过四路折叠匹配相关平方相加后仿真图图6是时号相关延迟相减结果仿真图图7是bpm定时系统总定时延迟示意图图8是在5mhz频点上实测的时差图具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。本发明提供一种bpm短波多频点定时系统，用于bpm短波授时信号的数字化接收和处理，为用户提供标准的utc秒信号和分信号。bpm多频点定时系统，包括通道选择单元，解调搜索单元和定时输出单元。通道选择单元是接收bpm授时台发送的四个频点授时信号，实时计算出其中信号最好的一个频点授时信号，通过ad采样各频点均变为固定载频点2.5mhz数字信号，然后经过带通滤波，将其送入解调搜索单元；解调搜索单元对接收到的数字信号进行解调和低通滤波，得到两路1khz的正交时号信号，接着与本地1khz正交时号信号进行四路折叠匹配相关，相关结果求取平方和，在经过相关延迟相减得到两个相关值峰，然后通过短时自适应门限方法计算出门限值，最后利用相关值和门限值对两个相关峰进行检测，得到两个相关峰最大值的位置送入定时输出模块；定时输出单元首先通过信号相关峰的出现的位置和理论位置关系对信号进行识别，识别出utc秒时号和分时号，接着将utc秒时号进行滤波处理防止误判，滤波后结果进行时延计算得到utc秒时号准确位置，通过utc秒时号初始位置对本地秒信号进行同步，同时通过秒信号计数和识别的分时号对本地分信号进行同步。所述的通道选择单元包括时钟基准模块、采样时钟产生模块、ad采样模块、fir带通滤波器模块、信号强度检测模块和通道选择模块。首先通道选择模块自动按顺序从四个频点(2.5mhz、5mhz、10mhz、15mhz)中设置接收频点，给出通道号；时钟基准模块接收来自外部的时钟源，通过锁相环产生系统所需的工作时钟；采样时钟产生模块根据通道选择模块设定的通道号通过工作时钟分频产生四个频点(2.5mhz、5mhz、10mhz、15mhz)的采样时钟(12.5mhz、7.5mhz、12.5mhz、12.5mhz)，采样后各频点信号均为2.5mhz；ad采样模块通过采样时钟将所选频点的模拟信号转换成数字信号，完成对信号的采样、量化和编码；fir带通滤波器模块对ad采样信号进行滤波，滤除带外噪声和干扰，fir滤波器带宽一般取8khz，并将滤波结果送入信号强度检测模块。信号强度检测模块通过快速傅里叶变化(2048点)对接收信号进行计算，计算出对应通道号2.5mhz频点信号功率；最后，通道选择模块根据每一个频点信号功率判断四个频点中信号功率最大的一个作为系统接收信号。通道选择单元根据信号发播格式对上述步骤每5分钟进行一次。所述解调搜索单元包括解调模块、低通滤波器模块、相关延迟相减模块、自适应门限模块和自动搜索模块。解调搜索单元是利用通道选择单元中fir滤波器输出的信号，频点为2.5mhz，工作时钟为12.5mhz。首先解调模块使用本地rom表中存储的一周2.5mhz正交载波与fir滤波器输出信号进行混频，得到两路正交混频信号；低通滤波模块分别对两路正交混频信号进行滤波，滤除高频分量和噪声，得到两路1khz正交时号信号，带宽为±3khz，并通过累加平均的方式进行降采样率至100khz(累加次数为125次)；相关延迟相减模块采用四路折叠匹配相关器将两路1khz正交信号与本地rom表中存储的10ms正交1khz信号分别进行匹配相关得到四个相关值，匹配相关时长为10ms，将四个相关值平方和相加后得到相关值r(t)，相关值r(t)延迟10ms得到延迟相关值r(t+10ms)，通过相减r(t)-r(t+10ms)得到相关延迟相减结果r′(t)。自适应门限模块通过延迟相减结果r′(t)计算出信号检测的门限值，计算方法是每2秒对相关延迟相减结果r′(t)累加求平均，平均结果乘以8得到动态自适应门限v，此过程连续重复执行；自动搜索模块在100khz时钟的驱动下，循环产生时长为1s的计数，作为搜索基准计数，通过比较r′(t)和门限v，连续判断1s基准计数内相关延迟相减结果r′(t)中最大的两个极值点，记录两个极值点在1s内计数的位置n1和n2，并在1s计数结束时将位置值n1和n2送入定时输出单元，然后检测下一个1s基准计数内最大极值点位置。所述定时输出单元包括时号识别模块、峰值滤波模块、时延计算模块、utc秒信号产生模块和utc分信号产生模块。时号识别模块接收解调搜索单元送来的位置n1和n2，通过判断n1和n2的位置差δn＝n2-n1对时号进行识别，判断过程如下描述：(1)utc秒时号判断：若δn为f*10ms，则判定为utc秒时号，n1为utc秒时号相关位置；若δn为f*990ms，也判定为utc秒时号，索引值n2为utc秒时号相关位置，满足以上两种条件时产生utc秒时号标识和索引值n(n为n1或n2)；(2)utc/ut1分时号判断：若δn为f*300ms或f*700ms，则判定为分时号，产生分信号标识。(3)ut1秒时号判断：若δn为f*100ms或f*900ms，则判定为ut1秒时号；时号识别模块中连续5次识别出utc秒时号，且前后一次n的值误差在±10内，则认为utc秒时号识别正确。将识别的utc秒时号位置n送入峰值滤波模块中。峰值滤波模块将时号识别模块中utc秒时号相关位置n送入存储长度为20的移位寄存器，然后进行从大到小排序，取中间两个值的平均值作为秒时号相关峰位置n′，从而完成utc秒时号位置的滤波和误判值剔除，得到较为准确的秒时号相关峰位置。因为短波发播不连续且信号传播不稳定，可能长时间搜索不到信号，因此当1分钟内未成功识别出utc秒时号，应清除移位寄存器，重新开始峰值滤波模块；时延计算模块计算接收系统定时信号相对于发射台的总定时时延，其计算公式为：δt＝tr-t20ms+td式中tr为接收终端处理时延，定时系统可通过接收bpm授时模拟器信号后输出的1pps信号与模拟源输出的1pps信号的时差测量均值获取；t20ms为发播utc秒时号超前utc(ntsc)20ms，为固定值；td为传播时延，可采用经验估算公式td＝d/υd进行估算，其中d为收发两地间的大地基线长度，υd为电磁波传输速度，取285000km/s。时号相关处理时钟为100khz，秒时号分辨率为1/f＝10us，因此需要将秒信号时延换算为秒信号调整量nδt＝δt×f，因此utc秒时号出现的位置为n′-nδt。utc秒信号产生模块是由100khz时钟产生一个1s的计数，秒信号起始位置为自动搜索模块中utc秒时号在1s基准计数中的位置n′-nδt，这样就实现了utc秒信号的同步；utc分信号产生模块在utc秒信号的触发下进行秒计数，计数范围为0～59，计数为0时输出utc分信号，当时号识别模块中产生分信号标识，则utc秒信号和分信号重合，将秒计数置为0，实现分信号的同步。参照图1总体功能框架图，本发明公开了bpm短波多频点定时系统，主要包括通道选择单元，解调搜索单元和定时输出单元。系统计算出四个频点信号的强度，选择出最强的短波信号进行解调，采用相关延迟相减和自适应门限技术对语音信号进行搜索捕获，通过判断信号相关峰值的出现的位置进行时号识别，对识别位置结果进行滤波，并进行时延修正，从而实现utc秒信号和分信号的同步。依据图2bpm短波时号示意图和图3信号处理流程框，实现方案包括如下：步骤1：信号采集，时钟基准产生整个系统工作时钟12.5mhz，根据短波信号四个频点(2.5mhz、5mhz、10mhz、15mhz)使用进行数字采集，分别产生其采样时钟为12.5mhz、7.5mhz、12.5mhz和12.5mhz，采样后信号频率统一为2.5mhz。步骤2：通道选择，通道选择器按照接收顺序设置对应频点的通道号，并产生该频点信号的采样频率，通过ad芯片对该频点信号进行采集，将采样后的数字信号通过fir带通滤波器，滤除带外噪声和干扰，滤波器采用128阶的hamming窗，带宽为±3khz。然后将fir输出信号进行快速傅里叶变化(fft)，fft时钟速率为12.5mhz，点数为2048点；通过fft计算出信号功率谱，检测每个通道2.5mhz频点上信号强度，通过比较选择信号功率最大的一个作为接收频点。根据短波信号发播程序，该步骤每5分钟重复一次。步骤3：信号解调，本地rom表存储采样时钟为12.5mhz，频率为2.5mhz，长度为1个周期的标准数字正交单载波信号，在dds驱动下循环产生本地rom读取地址，生成正交支路的载波。其中dds工作时钟为12.5mhz，累加器字长为2^32，频率控制字为858993459。正交支路载波分别与步骤2得到的2.5mhz信号相乘，通过低通滤波器，得到两路正交语音调制信号。其中低通滤波器采用128阶的taylor窗，工作时钟为100khz，带宽2khz。最后通过累加平均的方式将两路正交语音信号降采样至100khz(累加次数为125次)。步骤4：时号相关，利用步骤3获取的两路正交语音信号，与本地存储的10ms正交语音信号进行四路折叠匹配滤波，设计折叠匹配滤波器如图4所示，数据通道折叠次数为10次，每折中rom长度为100，本地语音信号数据rom长度为10ms，在工作时钟的驱动下循环相关，通过四路折叠匹配相关结果取平方和得到相关值，utc/ut1时号经过匹配相关后波形如图5所示。然后利用相关延迟相减方法获取延迟相减相关结果。步骤5：信号捕获，利用步骤4中的延迟相减相关结果进行2秒累加求平均，平均结果乘以8得到动态自适应门限；同时通过100khz时钟产生1s的基准计数，范围为0～99999，检测出1s内两个相关结果的极大值，记录极大值位置n1和n2，此步骤在1s基准计数内进行，计数结束后重新开始检测。步骤6：时号识别，利用步骤5极大值位置n1和n2进行时号识别，计算δn＝n2-n1，结合图6中utc/ut1分秒时号相关峰出现的位置关系，按照技术方案中时号识别模块中判断条件进行识别时号，给出utc秒时号和分时号标识，记录utc秒时号出现位置n(n1或n2)。步骤7：峰值滤波，峰值滤波通过对步骤6中判定出utc秒时号标识，对秒时号相关峰值位置送至移位寄存器，存储长度20次，然后按从大到小排序，取中间两个值的平均值作为接收utc秒时号位置。当1分钟内未识别出utc秒时号时，应清除移位寄存器，重新开始峰值滤波模块。步骤8：秒信号调整量计算，图7为定时系统总定时延迟示意图，按照技术方案中时延计算模块所述方法计算出utc秒时号在1s基准计数中的位置n′-nδt。步骤9：utc秒信号产生，utc秒信号是用100khz时钟进行循环计数产生的。首先根据步骤8计算的utc秒时号位置，在1s基准计数的n′-nδt，调整本地秒计数为0，对本地秒信号进行校准；当未检测到utc秒时号时通过计数器维持秒信号产生。图8是在临潼接收5mhz频点信号，秒信号与utc(ntsc)秒信号比较实测的时差结果。步骤10：utc分信号产生，utc分信号使用utc秒信号累加计数(0-59)产生，当步骤6中识别出分时号，清除本地秒触发计数为0，从而对本地utc分信号进行校准，当没有分信号标识时通过秒信号累加60次进行维持产生。当前第1页12