一种寄生于调频电台的无线授时系统和方法与流程

1.本技术涉及时间同步技术领域，特别是涉及一种寄生于调频电台的无线授时系统和方法。


背景技术：

2.授时是传递时间信息，严格来说就是将某一标准时间信号传递给需要时间信息的用户(包括但不局限于手机、电脑、电视机等)，以使得整个系统的时间同步。简单来说，当你发现手机时间慢了几秒，参考电脑时间校准的过程，也算是一种授时。我们需要授时，需要一个统一的标准时间。同时，授时技术也伴随着我们人类社会在不断发展。目前授时方法主要包括以下方面：无线电授时、网络授时、卫星授时以及光纤授时。
3.目前这些授时技术需要采用专门的设备或者传输路线，或者专用专业的频段资源，或者采用专用光纤传输，目前也有人提出采用调频电台进行授时的方法，也是利用到了调频电台的sca1附加信道，也是需要单独占用频率资源。常规的有线传输方式距离有限，传输距离远的话成本很高，无线传输一般是采用长波或者短波定频传输的方式，需要专门的长波短波发射基地，陈本高，覆盖范围有限。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够不占用额外的频率资源和带宽，通过调频电台寄生信号即可实现高精度授时的一种寄生于调频电台的无线授时系统和方法。
5.一种寄生于调频电台的无线授时系统，所述系统包括：发射端和接收端；所述发射端与所述接收端通过无线电波进行数据传输。
6.所述发射端是在原有的调频电台发射端的基础上进行改进得到的，改进点为：增加一个时间编码器和一个信号合成器；发射端载频信号为频率为1khz的正弦波。
7.所述时间编码器，用于采用自定义编码方式对utc时间信号进行编码，得到时间编码信号，并将所述时间编码信号和电台的待调制语音信号输入到所述信号合成器中；所述时间编码信号的频率为10hz、码元长度为10个整周期。
8.所述信号合成器，用于将接收到的电台的待调制语音信号与时间编码信号合成为一路合成信号，并将合成信号输入到调制器中。
9.所述接收端包括解调器；所述解调器用于对接收到的经过调制器调制后的合成信号进行解调，得到解调后的合成信号，所述解调后的合成信号包括解调后的时间编码信号和音频信号。
10.进一步的，所述接收端，还包括信号分路器、20hz低通滤波器以及授时信号解码模块。
11.所述信号分路器，用于将所述解调后的合成信号分为两路解调后的合成信号，将第一路解调后的合成信号作为音频信号后续处理，并将第二路解调后的合成信号输入到
20hz低通滤波器中。
12.所述20hz低通滤波器，用于对接收到的第二路解调后的合成信号进行低通滤波，得到解调后的时间编码信号。
13.所述授时信号解码模块，用于对接收到的解调后的时间编码信号进行解码，得到解码后的utc时间信号。
14.进一步的，所述时间编码器采用的自定义编码方式为：起始位为1bit，年的后两位占用7bits，月占用4bits，日占用5bits，日内总秒数占用17bits，总共需要34bits；时间编码信号的码元包括：p码元，h码元和l码元，其中p码元表示帧数据的开始，为起始位，也是整分钟的起始点，用于准确对齐时刻点；h码元表示数字1；l码元表示数字0；码元长度固定为1秒，由10个整周期的10hz信号所组成；当幅度的高电平持续时间和低电平持续时间之比为4:1时为p码元，当幅度的高电平持续时间和低电平持续时间之比为1:1时为h码元，当幅度的高电平持续时间和低电平持续时间之比为1:4时为l码元；码元内部采用ask调制方式，调制比例可配置。
15.进一步的，一对正交信号包括：正弦信号和余弦信号。
16.所述授时信号解码模块包括两条由第一乘法器、1个低通滤波器以及第二乘法器组成解码支路、1个加法器、1个比较器以及1个计数方式的解码模块；
17.第一条解码支路，用于接收所述正弦信号和解调后的时间编码信号，并通过所述第一乘法器将所述正弦信号和解调后的时间编码信号相乘，并将得到的相乘信号经过所述低通滤波器进行滤波，并通过所述第二乘法器对滤波后的信号求平方，得到正弦解调信号。
18.依此类推，第二条解码支路，用于对解调后的时间编码信号采用所述余弦信号进行余弦解调，得到余弦解调信号。
19.所述加法器，用于将所述正弦解调信号和余弦解调信号进行加和，得到加和信号。
20.所述比较器，用于将所述加和信号与预设门限电平进行比较。
21.所述计数方式的解码模块，用于对比较器输出的信号进行高电平计数，并根据得到的计数值确定码元种类，并根据码元种类对时间编码信号的码元进行解码，并根据得到解码后的时间编码信号得到授时信息。
22.进一步的，根据得到解码后的时间编码信号得到授时信息，包括：
23.从解调后的时间编码信号的p码元的上升沿确定原始起始时刻点，并对分钟的原始起始时刻进行补偿，得到起始时刻点。
24.根据解调后的时间编码信号中紧跟p码后面的33个码元进行解码，得到起始时刻点对应的准确的utc时间值。
25.将所述起始时刻点及对应的准确的utc时间值组成完整的授时信息，完成对本地设备进行授时。
26.进一步的，所述20hz低通滤波器为开关电容滤波器。
27.进一步的，所述信号合成器包括加法器。
28.一种寄生于调频电台的无线授时方法，所述方法用于采用上述任一种所述寄生于调频电台的无线授时系统对用户进行授时；所述方法包括：
29.发射端：
30.采用频率为1khz的正弦波作为载频信号，并采用自定义编码方式对utc时间信号
进行编码，得到频率为10hz、码元长度为10个整周期的时间编码信号。
31.将所述时间编码信号和电台的待调制语音信号采用信号合成器进行合成，得到合成信号。
32.对所述合成信号进行调制，得到调制合成信号，并通过无线电波对所述调制合成信号发送至接收端。
33.接收端：
34.接收所述调制合成信号，并采用与发射端载频信号频率相同的一对正交信号对调制后的合成信号进行解调，得到解调后的合成信号，所述解调后的合成信号包括解调后的时间编码信号和音频信号。
35.当接收端需要正常接收时间信号时，将所述解调后的合成信号分为两路信号，将第一路信号作为音频信号输入到音频信号后续处理模块；将第二路信号采用20hz低通滤波器进行滤波，得到解调后的时间编码信号，并对解调后的时间编码信号进行解码得到utc时间信号。
36.上述一种寄生于调频电台的无线授时系统和方法，所述系统包括：发射端和接收端；发射端与接收端通过无线电波进行数据传输；发射端是在原有的调频电台发射端的基础上进行改进得到的，改进点为：增加一个时间编码器和一个信号合成器；发射端载频信号为频率为1khz的正弦波，接收端包括解调器。时间编码器用于采用自定义编码方式对utc时间信号进行编码，得到时间编码信号，信号合成器用于并将时间编码信号和电台的待调制语音信号进行合成，得到合成信号；其中时间编码信号的频率为10hz、码元长度为10个整周期。解调器用于对调制后的合成信号进行解调，得到解调后的合成信号，解调后的合成信号包括解调后的时间编码信号和音频信号。本系统在不占用额外的频率和带宽资源的条件下，能够产生亚毫秒级的授时信号，给本地设备授时；本系统在已有的基础设计条件下，稍加改造就可以实现全国全覆盖的授时方式，降低成本。
附图说明
37.图1为一个实施例中寄生于调频电台的无线授时系统组成框图；
38.图2为另一个实施例中合成信号的频谱结构；
39.图3为另一个实施例中接收端组成框图；
40.图4为另一个实施例中三种码元图，其中(a)为p码元，(b)为h码元，(c)为l码元；
41.图5为另一个实施例中授时信号解码模块组成框图；
42.图6为一个实施例中寄生于调频电台的无线授时方法的流程示意图。
具体实施方式
43.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
44.一般来说，语音信号的频率范围为：300hz～3.4khz，放宽到专业音频领域，音频信号的频率范围为：20hz～20khz，也就是意味着低于20hz的频率，人耳根本听不到，没办法来
传输语音信号，但是从另外一个角度，低于20hz的频率段还是可以用来传递一些其他可用信息，本专利就是采用调频电台的低频段来传输时间信号。
45.授时信号一般来说需要传输准确的和完善的时间信息，蕴含了两方面的信息，一方面为准确的时间对齐信号，也就是时刻点，另外一方面的信息就是该时刻点所对应的准确的utc时间值。根据信道是单向还是双向的情况可以分为单向授时和双向比对授时，由于电台传输的信号为单向传输，因此仅仅考虑单向授时的情况。单向授时中最常见的方式是有线传输1pps+tod传输方式就是采用时刻点和时间码分为两个信道传输的。当然也有很多传输方式将时刻点和时间码结合起来用一个信道传输，比如b码，b码又分为交流b码和直流b码，该方式是将两方面的信息融合到一个信道中传输。本发明中编码方式借鉴交流b码的设计思路，交流b码的信号频率为1khz，但是这个频率信号为音频范围内，可相应将交流b码的频率降低至10hz，编码方式采用自定义编码，相应的授时频次扩展为60秒授时一次。
46.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种寄生于调频电台的无线授时系统，该系统包括：发射端10和接收端20；发射端10与接收端20通过无线电波进行数据传输。
47.发射端10是在原有的调频电台发射端的基础上进行改进得到的，也就是只要把电台的待调制语音信号与时间编码信号合成后变成一路合成信号输入给调制器即可，合成信号的频谱结构如图2所示。具体改进点为：增加一个时间编码器101和一个信号合成器102；发射端10载频信号为频率为1khz的正弦波。
48.时间编码器101，用于采用自定义编码方式对utc时间信号进行编码，得到时间编码信号，并将时间编码信号和电台的待调制语音信号输入到信号合成器中；时间编码信号的频率为10hz、码元长度为10个整周期。
49.信号合成器102，用于将接收到的电台的待调制语音信号与时间编码信号合成为一路合成信号，并将合成信号输入到调制器中。
50.接收端20包括解调器201；解调器201用于对接收到的经过调制器调制后的合成信号进行解调，得到解调后的合成信号，解调后的合成信号包括解调后的时间编码信号和音频信号。
51.具体的，在接收端，如果普通的收音机接收信号，可以不做任何改变，因为解调后是电台音频信号和时间编码信号的合成信号，合成信号的频谱结构如图2所示，时间编码信号的合成信号频率维10hz，不在音频的范围内，耳朵不会有任何感受，听到的只有电台的音频信号，
52.上述一种寄生于调频电台的无线授时系统中，所述系统包括：发射端和接收端；发射端与接收端通过无线电波进行数据传输；发射端是在原有的调频电台发射端的基础上进行改进得到的，改进点为：增加一个时间编码器和一个信号合成器；发射端载频信号为频率为1khz的正弦波，接收端包括解调器。时间编码器用于采用自定义编码方式对utc时间信号进行编码，得到时间编码信号，信号合成器用于并将时间编码信号和电台的待调制语音信号进行合成，得到合成信号；其中时间编码信号的频率为10hz、码元长度为10个整周期。解调器用于对调制后的合成信号进行解调，得到解调后的合成信号，解调后的合成信号包括解调后的时间编码信号和音频信号。本系统在不占用额外的频率和带宽资源的条件下，能够产生亚毫秒级的授时信号，给本地设备授时；本系统在已有的基础设计条
件下，稍加改造就可以实现全国全覆盖的授时方式，降低成本。
53.进一步的，如图3所示，接收端，还包括信号分路器202、20hz低通滤波器203以及授时信号解码模块204；信号分路器202，用于将解调后的合成信号分为两路解调后的合成信号，将第一路解调后的合成信号作为音频信号后续处理，并将第二路解调后的合成信号输入到20hz低通滤波器203中；20hz低通滤波器203，用于对接收到的第二路解调后的合成信号进行低通滤波，得到解调后的时间编码信号；授时信号解码模块204，用于对解调后的时间编码信号进行解码，得到解码后的utc时间信号。
54.具体的，如果接收端需要正常接收时间信号，则解调后的合成信号分为两路，一路直接为音频信号送给音频信号后续处理，另外一路则通过一个低通滤波器，低通滤波器的截止频率可以设置为20hz，作为优选采用开关电容滤波器。滤波后音频信号被率除掉，只剩下10hz的时间编码信号。再通过解码恢复出utc时间信号。
55.进一步的，时间编码器采用的自定义编码方式为：起始位为1bit，年的后两位占用7bits，月占用4bits，日占用5bits，日内总秒数占用17bits，总共需要34bits；时间编码信号的码元包括：p码元，h码元和l码元，其中p码元表示帧数据的开始，为起始位，也是整分钟的起始点，用于准确对齐时刻点；h码元表示数字1；l码元表示数字0；码元长度固定为1秒，由10个整周期的10hz信号所组成；当幅度的高电平持续时间和低电平持续时间之比为4:1时为p码元，当幅度的高电平持续时间和低电平持续时间之比为1:1时为h码元，当幅度的高电平持续时间和低电平持续时间之比为1:4时为l码元；码元内部采用ask调制方式，调制比例可配置。
56.具体的，h码元为幅度为高的时间长度为800ms(8个整周期)，幅度为低的时间长度为200ms(2个整周期)，h码元为幅度为高的时间长度为500ms(5个整周期)，幅度为低的时间长度为500ms(5个整周期)，l码元为幅度为高的时间长度为200ms(2个整周期)，幅度为低的时间长度为800ms(8个整周期)，幅度高低之比(ah/a
l
)称之为调制比，调制比可以根据实际需求来配置，作为有选调制比为3：1；信号幅度可根据电台调制需要灵活配置增益和衰减，具体码元如图4所示，其中(a)为p码元，(b)为h码元，(c)为l码元。
57.进一步的，如图5所示授时信号解码模块的结构图。一对正交信号包括：正弦信号和余弦信号。授时信号解码模块包括两条由第一乘法器、1个低通滤波器以及第二乘法器组成解码支路、1个加法器、1个比较器以及1个计数方式的解码模块；第一条解码支路，用于接收正弦信号和解调后的时间编码信号，并通过第一乘法器将正弦信号和解调后的时间编码信号相乘，并将得到的相乘信号经过低通滤波器进行滤波，并通过第二乘法器对滤波后的信号求平方，得到正弦解调信号；依此类推，第二条解码支路，用于对解调后的时间编码信号采用余弦信号进行余弦解调，得到余弦解调信号；加法器，用于将正弦解调信号和余弦解调信号进行加和，得到加和信号；比较器，用于将加和信号与预设门限电平进行比较；计数方式的解码模块，用于对比较器输出的信号进行高电平计数，并根据得到的计数值确定码元种类，并根据码元种类对时间编码信号的码元进行解码，并根据得到解码后的时间编码信号得到授时信息。
58.具体的，图4中所述的三种码元图，每个码元可以用函数s(t1,t2)＝ahsin(2π
·
t1/t)+a
l
sin(2π
·
t2/t)，其中t为码元的周期，t＝100毫秒，t1∈[t0,t0+nt]，t2∈[t0+nt,t0+10t]所表示，其中，对于p码元，n＝8，对于h码元，n＝5，对于l码元，n＝2，接收端的授时信号
解码模块原理图如图5所示，其中图5中lpf代表低通滤波器。
[0059]
接收端产生和发射端载频一样的频率的正交信号一对，其中，为初始相位，先考虑对一个码元进行解调的方法，用正交信号分别与输入的码元相乘得到信号si(t)、sq(t)，其表达式如式(1)所示。
[0060][0061]
其中，t、t1、t2均为时间变量，t0为起始时间，n为周期数，n为大于等于1且小于等于10的整数，t为码元周期。
[0062]
将代入到式(1)中，得到式(2)和式(3)。
[0063][0064][0065]
对式(2)和式(3)通过积化和差后并经过低通滤波器(滤除高于20hz信号)进行滤波，得到信号的表达式如式(4)、(5)所示。
[0066][0067][0068]
其中，s'i(t)、s'q(t)分别为信号si(t)、sq(t)经过滤波后的信号，ah为码元的高幅度值，a
l
为码元的低幅度值。
[0069]
将式(4)与式(5)表示的信号进行平方和得到的信号的表达式如式(6)所示。
[0070][0071]
从式(6)可以看出，对于单个码元解调后的结果可以得到两种直流电平，高电平为低电平为高低电平的时间之比如果为4：1则为p码元，高低电平之比为1：1则为h码元，高低电平之比为1：4则为l码元，该识别方法较为简单，比如可以采用合理的比较门限，只让高电平触发计数器计数，因为码元长度固定，通过计数值即判断码元种类。比较器把p、h和l三种码元的800ms、500ms和200ms高电平脉冲提取出来，供后续解码识别，解码只需要计数脉冲的宽度，如果为800ms左右则为p码，如果为500ms左右则为h码，如果为200ms左右则为l码。其中，预设门限电平的设置原则是使码元的识别度最大化，设置在两个电平之间的中间值最优。
[0072]
以上公式的推导中如果接收端正交载波信号的产生和发射端的正弦波存在一个
微小的频率差的情况下，如果两路信号完全正交，不难得出结果亦相同。
[0073]
在其中一个实施例中，根据得到解码后的时间编码信号得到授时信息，包括：从解调后的时间编码信号的p码元的上升沿确定原始起始时刻点，并对分钟的原始起始时刻进行补偿，得到起始时刻点；根据解调后的时间编码信号中紧跟p码后面的33个码元进行解码，得到起始时刻点对应的准确的utc时间值；将所述起始时刻点及对应的准确的utc时间值组成完整的授时信息，完成对本地设备进行授时。
[0074]
具体的，对于授时码流信号的解调分为两个过程，首先是提出整分钟的起始信号，通过解调后的p码的上升沿即为分钟的起始信号，当然信号处理有一定的时间延迟，但是改时间延迟为固定的延时，可以通过扣除的方式加以补偿，补偿后的精度可以达到亚毫秒量级。其次是依据是紧跟p码后面的33个码元解出具体的年月日时分秒，这样就得到了完整的授时信息，既有准确的时刻点，也有确定的时间码，可以给本地设备进行授时。
[0075]
进一步的，20hz低通滤波器为开关电容滤波器。
[0076]
进一步的，信号合成器包括加法器。
[0077]
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种寄生于调频电台的无线授时方法，该方法用于采用上述任一种寄生于调频电台的无线授时系统对用户进行授时；该方法包括：
[0078]
发射端：
[0079]
步骤600：采用频率为1khz的正弦波作为载频信号，并采用自定义编码方式对utc时间信号进行编码，得到频率为10hz、码元长度为10个整周期的时间编码信号。
[0080]
步骤602：将时间编码信号和电台的待调制语音信号采用信号合成器进行合成，得到合成信号。
[0081]
步骤604：对合成信号进行调制，得到调制合成信号，并通过无线电波对调制合成信号发送至接收端。
[0082]
接收端：
[0083]
步骤606：接收调制合成信号，并采用与发射端载频信号频率相同的一对正交信号对调制后的合成信号进行解调，得到解调后的合成信号，解调后的合成信号包括解调后的时间编码信号和音频信号。
[0084]
步骤608：当接收端需要正常接收时间信号时，将解调后的合成信号分为两路信号，将第一路信号作为音频信号输入到音频信号后续处理模块；将第二路信号采用20hz低通滤波器进行滤波，得到解调后的时间编码信号，并对解调后的时间编码信号进行解码得到utc时间信号。
[0085]
应该理解的是，虽然图6的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图6中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0086]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0087]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。