基于无线通信的时间同步中继系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及时间同步技术领域，具体涉及一种基于无线通信的时间同步中继 系统。
【背景技术】
[0002] 时间同步不仅在人们日常生活中占据着重要的位置，也对国家的国防、军事起着 至关重要的作用。随着社会科学生产力的快速发展，时钟同步的应用领域也越来越广泛。当 前人们需要实时掌握发生在全球各地的各种信息，但这些信息容量大，包含范围广，为了让 这些信息快速、准确且可靠的传递就需要有高精度的时间同步。
[0003] 随着高精度原子钟技术的发展，时间计量精度也在不断提高，它和快速发展的通 信技术、高精度的时间间隔测量技术共同促进了时间同步技术的发展，大幅度提高了时间 同步的精度。
[0004] 目前，高精度的时间同步系统有单向时间同步和双向时间同步等方法。单向时间 同步和双向时间同步方法都是通过无线信号传输实现时间同步，这些无线信号采用的信号 频段无论是微波、短波或长波，都多少会周围障碍物（高楼、高植被或地球曲面等）的遮挡， 而使得时间同步终端之间不能直视，这会影响传输距离或时间同步精度，甚至使得终端不 能实现时间同步。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是现有时间同步方式会因周围障碍物而影响传 输距离或时间同步精度，提供一种基于无线通信的时间同步中继系统，其可以实现非直视 各终端之间的时间同步和数据传输。
[0006] 为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0007] 基于无线通信的时间同步中继系统，由信号发射部分和信号接收部分组成；其中 信号接收部分包括接收天线、接收射频前端单元、AD转换器和同步信号接收单元；接收天 线将接收到的射频信号经过接收射频前端单元的处理后下变频至模拟中频信号；该模拟中 频信号通过AD转换器转换为数字中频信号；同步信号接收单元对数字中频信号做载波解 调和伪码解扩，并把解调出的电文数据信息输出，同时根据接收信号中包含的时间信息输 出秒脉冲信号；信号发射部分包括同步信号生成单元、DA转换器、发射射频前端单元和发 射天线；同步信号生成单元利用信号接收部分输出的秒脉冲信号驯服本地时钟的秒脉冲信 号，并对信号接收部分解调出的电文数据信息重新编码和调制为数字中频信号；DA转换器 件将调制好的数字中频信号转换为模拟中频信号；该模拟中频信号经过发射射频前端单元 上变频至射频信号通过发射天线发射出去。
[0008] 上述同步信号生成单元包括基准秒脉冲生成模块、时钟管理模块、通信模块、扩频 码生成模块、载波生成模块和信号调制模块；基准秒脉冲生成模块，利用信号接收部分输出 的秒脉冲信号驯服本地时钟，并送入时钟管理模块；时钟管理模块，完成输入时钟的锁相和 倍频，为系统提供全局稳定时钟；通信模块，把来自信号接收部分的解调信息数据与帧头帧 尾组成完整的一帧，并由此形成电文数据；扩频码生成模块，用于产生扩频码；载波生成模 块，用于产生载波；信号调制模块，根据产生的扩频码和载波，完成通信电文的扩频和载波 调制，并发送至DA转换器。
[0009] 上述基准秒脉冲生成模块包括时钟计数器、计数比较器、电压转换器和压控晶振； 时钟计数器接收信号接收部分输出的秒脉冲信号，并在秒脉冲信号的控制下对压控晶振 的CLK时钟输出计数；计数比较器将时钟计数器输出的实际CLK时钟个数与压控晶振的额 定CLK时钟个数进行比较，判断压控晶振的时钟快慢；电压转换器根据计数比较器判断的 压控晶振的时钟快慢结果，去改变压控晶振的控制电压；压控晶振向时钟计数器输出实际 CLK时钟个数，同时接受控域电压转换器输出电压的控制，并最终实现时钟驯服。
[0010] 上述同步接收模块包括同步信号捕获模块、相干器、同步信号跟踪模块、秒脉冲信 号的输出模块和信号同步解码模块；同步信号捕获模块，通过对接收射频前端单元输出的 数字中频信号进行降采样处理、数字相关运算、非相干累加处理和峰值检测处理后，完成对 信号的搜索，获得电文数据的码相位和载波频率；相干器，对同步信号捕获模块输出的码相 位和载波频率做相关运算得到积分值；同步信号跟踪模块，根据同步信号捕获模块输出的 码相位和载波频率，完成对数字中频信号的解调和解扩，并对相干器输出的积分值进行鉴 频和鉴相处理；秒脉冲提取模块，对接收到的信号进入跟踪状态以后，本地产生的扩频码码 相位与接收信号的扩频码码相位保持同步，由此获得秒脉冲信号；信号同步解码模块，对同 步信号跟踪模块输出的信号进行同步和帧同步处理，从而获取通信电文。
[0011] 与现有技术相比，本实用新型不受周围障碍物，并能够实现非直视各终端之间的 时间同步和数据传输。
【附图说明】
[0012] 图1为基于无线通信的时间同步中继方法的原理图。
[0013] 图2为基于无线通信的时间同步中继系统组成结构图。
[0014] 图3为信号生成的流程图。
[0015] 图4为同步信号生成单元的原理框图。
[0016] 图5为基准秒脉冲生成模块的原理框图。
[0017] 图6为信号接收模块的原理框图。
【具体实施方式】
[0018] 一种基于无线通信的时间同步中继系统，如图1所示，由信号发射部分和信号接 收部分组成。信号接收部分包括接收天线、接收射频前端单元、AD转换器和同步信号接收 单元；接收天线将接收到的射频信号经过接收射频前端单元的处理后下变频至模拟中频信 号；该模拟中频信号通过AD转换器转换为数字中频信号；同步信号接收单元对数字中频 信号做载波解调和伪码解扩，并把解调出的电文数据信息输出，同时根据接收信号中包含 的时间信息输出秒脉冲信号。信号发射部分包括同步信号生成单元、DA转换器、发射射频 前端单元和发射天线；同步信号生成单元利用信号接收部分输出的秒脉冲信号驯服本地时 钟的秒脉冲信号，并对信号接收部分解调出的电文数据信息重新编码和调制为数字中频信 号；DA转换器件将调制好的数字中频信号转换为模拟中频信号；该模拟中频信号经过发射 射频前端单元上变频至射频信号通过发射天线发射出去。
[0019] 系统硬件平台主要是由FPGA和DSP组成，如图2所示，信号发射部分主要由FPGA 来实现，而信号接收部分主要由FPGA+DSP来实现，另外再加上一些外围器件构成。在信 号接收过程中，信号处理过程分为捕获、跟踪、数据解调和秒脉冲提取；其中信号的捕获在 FPGA中进行，其他处理是用DSP实现。在信号发射过程中，信号生成部分包括本地时钟驯 月艮、基准秒脉冲生成、信息编码和信号调制。
[0020] 下面详细介绍其组成：
[0021] 1、同步信号生成部分
[0022] 信号发射部分的主要功能是基准秒脉冲信号的生成、通信电文编码、信号调制、数 模转换、上变频和天线发射。利用信号接收部分获得的秒脉冲驯服本地时钟，并利用本地产 生驯服时钟的秒脉冲作为基准秒脉冲信号。信号接收部分以该基准秒脉冲信号为基准，同 步产生扩频码、载波、编码和信号调制，其中，编码是对信号接收部分解调出的通信电文重 新编码。信号生成的流程如图3所示。
[0023] 首先对信号接收部分解调出的电文信息再按照一定的格式编码组成完整的通信 电文D(t)。然后电文D(t)与伪码x(t)通过乘法器做模二加运算，形成包含数据信息的复合 码。最后将该复合码再与余弦信号AcosQjif^t+e)做BPSK调制得到数字中频信号f(t)， 数学表达式为
[0024]f(t) =A(x(t) ?D(t)) ?cos(2nf〇t+ 0 ) (1)
[0025] 其中，A为信号的幅度值，&为载波的中心频率，0为载波的初始相位。调制后的 中频信号再进入到AD转换器中转换为模拟信号，最后通后上变频器上变频为射频信号发 射出去。
[0026] 发射信号结构参数
[0027] 信号的主要组成部分分为：电文、扩频码、载波。主要的信号结构参数如下：
[0028] ①?信息速率：50bps;
[0029] ②?多址方式：CDMA;
[0030] ③?扩频方式：直接序列扩频0>SSS);
[0031] ④.扩频码码片速率：lMcps;
[0032] ⑤.扩频码：Gold码（1000个码片）；
[0033] ⑥?调制方式：BPSK;
[0034] ⑦.输出频率：16MHz中频。
[0035] 发射信号的FPGA实现总体结构
[0036] 基带信号的生成是基于FPGA硬件平台实现的，如图4所示，FPGA实现部分主要包 括基准秒脉冲生成模块、时钟管理模块、通信模块、扩频码生成模块、载波生成模块和信号 调制t吴块。
[0037] 1. 1、基准秒脉冲生成模块
[0038] 利用信号接收部分的秒脉冲信号驯服压控晶振（VC0)原理框图如图5所示，时钟 计数器对本地压控晶振的CLK时钟输出计数，例如，本振为16MHz的晶振，每秒应该输出 6400000个时钟数。在信号接收部分的pps秒脉的上升沿比较，并用计数比较器对两个计数 结果比较：
[0039] An=n-6400000 (2)
[0040]其中，n为压控晶振1秒输出的CLK个数，如果An大于0,说明本地时钟快了，减 小压控晶振的外部电压，即可以改变压控晶振的负载电容，使其振荡频率变小，即每秒输出 的CLK时钟数变小；相反，如果An小于0,说明本地时钟慢了，提高压控晶振的外部电压， 即可以改变压控晶振的负载电容，使其振荡频率变大，即每秒输出的CLK时钟数变大。
[0041] 在本实用新型中秒脉冲要实现高精度输出，还需要确定生成秒脉冲信号的最小时 间刻度标准，本最小时间刻度决定了秒脉冲信号的生成精度。在本系统中所采用的信号体 制为扩频调制和BPSK载波调制，而扩频调制中采用的对扩频码为GL0D码。设扩频码的周 期为N，即一个扩频码的长度有N个码片，码速率为K(Mcps)，那么扩频码持续一个周期的时 间T为
[0042]
(3)
[0043] 一个码片的时间宽度为1\为
[0044]
(4)
[0045] 信号接收部分对接收到的信号进行跟踪处理时，跟踪环路中的码环通过不断调整 本地产生的码相位，保持与接收信号中的码相位达到一致。若本地时钟精度高的话，那么 接收信号中一个码片的时间宽度T2应该十分接近于Ti。如果以一个码片作为计时刻度的 标准，那么在信号产生端累计KXTiXlO6个码片所需要的时间应该与信号接收部分累加 KXT2X106个码片所需的时间接近，若这两个数值有差别，微调节本地时钟，使得这两个脉 冲信号的相对位置基本是固定的，即系统也就达到了时间同步。
[0046] 1