劉和平，王宏遠(yuǎn)

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BPM短波授時(shí)信號模擬器的研制

劉和平1，王宏遠(yuǎn)2

（1. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 710600）

介紹了BPM短波授時(shí)信號模擬器的主要功能和工作原理，闡述了該模擬器的系統(tǒng)組成、輸入輸出及軟件流程。該模擬器以GPS信號作為時(shí)間源，以10 MHz的高穩(wěn)定恒溫晶振作為守時(shí)頻率源，并在程序控制下產(chǎn)生載頻與調(diào)制信號，放大輸出6路BPM短波模擬信號。測試結(jié)果表明，該模擬器的功能與技術(shù)指標(biāo)符合BPM短波授時(shí)信號的要求。

BPM授時(shí)系統(tǒng)；短波授時(shí)；時(shí)號模擬器

BPM短波授時(shí)是一種方便而經(jīng)濟(jì)的授時(shí)方法，主要針對同步允差為毫秒量級的應(yīng)用，同時(shí)可作為某些高精度無線電授時(shí)方式的粗（初）同步引導(dǎo)。

BPM短波授時(shí)信號由中國科學(xué)院國家授時(shí)中心發(fā)播，BPM短波授時(shí)臺每天以2.5 MHz，5 MHz，10 MHz和15 MHz 4種載頻發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，覆蓋全國陸地和近海海域，授時(shí)精度為毫秒量級。協(xié)調(diào)時(shí)秒信號是用１kHz音頻信號中的10個(gè)周波去調(diào)制其發(fā)射載頻以產(chǎn)生長度為10個(gè)周波的授時(shí)信號，其起點(diǎn)（零相位）為協(xié)調(diào)時(shí)的秒起點(diǎn)。每秒產(chǎn)生1個(gè)這樣的時(shí)號，兩個(gè)時(shí)號起始點(diǎn)之間的間隔為協(xié)調(diào)時(shí)的1 s。協(xié)調(diào)時(shí)整分信號是用１kHz音頻信號中的300個(gè)周波調(diào)制其發(fā)射載頻以產(chǎn)生長度為300個(gè)周波的授時(shí)信號，其起點(diǎn)（零相位）為協(xié)調(diào)時(shí)的整分起點(diǎn)。BPM短波授時(shí)信號模擬器就是要產(chǎn)生并輸出這樣的信號[1]。

BPM短波授時(shí)信號的傳播信道受電離層變化和太陽活動的影響較大，尤其在日出、日落和電離層擾動期間有時(shí)出現(xiàn)無法正常接收和使用BPM短波信號的現(xiàn)象，給BPM接收設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)和時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的測試造成不便，因此我們研制了BPM短波授時(shí)信號模擬器。該模擬器提供6路5 MHz、10 MHz 和15 MHz 的BPM短波模擬授時(shí)信號，對于BPM定時(shí)設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)和調(diào)試以及時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的測試和試驗(yàn)具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BPM短波授時(shí)信號模擬器總體電路采用CPLD（complex programmable logic device，復(fù)雜可編程邏輯器件）、FLASH（一種快閃存儲器）和單片機(jī)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用DDS（direct digital synthesis，直接數(shù)字合成）技術(shù)、D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)和高頻無線電技術(shù)設(shè)計(jì)，達(dá)到了具有小型化和便攜性特點(diǎn)的要求。利用GPS提供的位置和時(shí)間信息，實(shí)時(shí)解算出信號路徑傳播時(shí)延，保證了模擬器輸出信號與真實(shí)的BPM短波授時(shí)信號具有相同的特征，并實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步。

1.1 BPM短波授時(shí)信號模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BPM短波授時(shí)信號模擬器主要由以下部分組成：GPS單元、人機(jī)接口單元、頻標(biāo)單元、DDS載頻單元、BPM格式脈沖產(chǎn)生單元、BPM模擬調(diào)制信號產(chǎn)生單元、BPM高頻時(shí)號幅度調(diào)制單元、6路射頻時(shí)號隔離放大輸出單元、模擬調(diào)制信號監(jiān)聽單元和電源管理單元共10個(gè)部分。模擬器電路總體框圖如圖1所示。

GPS接收單元采用美國Trimble公司推出的Copernicus GPS接收器，提供模擬器的時(shí)間/位置參考源，其串口輸出的時(shí)間/位置信息送入1#MPU（微處理器），輸出的1 PPS（GPS）（1 PPS-1 pulse per second）用于同步頻標(biāo)單元。

10 MHz高穩(wěn)恒溫晶振與頻標(biāo)單元將10 MHz晶振頻率進(jìn)行緩沖和107分頻，該分頻鏈經(jīng)1 PPS（GPS） 同步后產(chǎn)生1 MHz，100 kHz頻標(biāo)和1 PPS（本地），其電路功能由CPLD完成。

系統(tǒng)控制與管理單元是模擬器的核心[2-3]。該單元除與人機(jī)界面交換信息外，在被GPS同步后的本地1 PPS啟動下產(chǎn)生軟件鐘。由GPS獲得的位置信息經(jīng)1#MPU串口發(fā)送給2#MPU并計(jì)算出電波傳播的時(shí)延后再回送給1#MPU。1#MPU利用內(nèi)部計(jì)數(shù)器對100 kHz頻標(biāo)計(jì)數(shù)，處理BPM時(shí)號的超前秒信號的20 ms時(shí)延與電波傳播時(shí)延后，在BPM發(fā)播程序控制下產(chǎn)生BPM格式脈沖。

BPM格式脈沖產(chǎn)生單元是在1#MPU的I/O接口控制下由CPLD電路產(chǎn)生10 ms和300 ms寬度的脈沖后輸出BPM格式脈沖的。BPM模擬調(diào)制信號產(chǎn)生單元是由29分頻鏈（CPLD電路構(gòu)成的地址發(fā)生器）、1 kHz窄脈沖產(chǎn)生器（CPLD電路構(gòu)成）、1 kHz數(shù)字正弦波存儲器（FLASH）、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器及放大電路組成，并受BPM格式脈沖同步控制與調(diào)制后輸出BPM 模擬調(diào)制信號。

DDS載頻合成單元由2#MPU、DDS直接數(shù)字頻率合成器（這里采用DDS芯片AD9852）和驅(qū)動放大器CLC 449組成。DDS芯片AD9852受2#MPU 控制，產(chǎn)生5 MHz，10 MHz和15 MHz的相位連續(xù)的高穩(wěn)載頻信號，DDS芯片的時(shí)鐘驅(qū)動信號由10 MHz高穩(wěn)晶振提供。2#MPU 接收1#MPU的載頻定義字，計(jì)算出對應(yīng)于DDS芯片的頻率數(shù)據(jù)并控制輸出當(dāng)前設(shè)置的BPM載頻頻率，經(jīng)CLC 449放大驅(qū)動輸出。

BPM射頻時(shí)號調(diào)制單元由乘積調(diào)制器MC 1496及外圍電路完成。1 kHz 的BPM模擬調(diào)制信號和相應(yīng)載波分別加到調(diào)制器MC 1496的輸入端，其輸出是BPM模擬授時(shí)信號，經(jīng)CLC 449驅(qū)動放大后加到6個(gè)隔離放大器的輸入端。6路BPM射頻時(shí)號隔離放大器輸出單元均由CLC 449構(gòu)成，CLC 449具有超寬的頻帶，極高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，保證提供高品質(zhì)的射頻信號。

在BPM音頻時(shí)號監(jiān)聽單元中，BPM 模擬調(diào)制信號經(jīng)功率放大后驅(qū)動揚(yáng)聲器，該單元用于實(shí)時(shí)監(jiān)聽信號的發(fā)播情況。

電源管理單元由兩組獨(dú)立的線性電源組成。模擬電源+12 V/-12 V/+5 V與數(shù)字電源+12 V/+5 V獨(dú)立配置，以降低噪聲增強(qiáng)抗干擾能力。

1.2 BPM短波授時(shí)信號模擬器發(fā)播程序設(shè)計(jì)

我國的BPM短波授時(shí)系統(tǒng)遵循一定的發(fā)播程序。為方便使用，本文所述的BPM短波授時(shí)信號模擬器具有兩種工作模式。模式1為默認(rèn)模式，按BPM發(fā)播程序輸出5 MHz /10 MHz /15 MHz 高頻時(shí)號；通過人機(jī)接口切換還可工作在模式2，連續(xù)發(fā)播BPM 5 MHz /10 MHz /15 MHz高頻時(shí)號。該BPM短波授時(shí)信號模擬器以BPM短波授時(shí)臺（位于陜西蒲城）為基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)位置的變化實(shí)時(shí)自動修正BPM時(shí)號的時(shí)延，以保持輸出的模擬授時(shí)信號與BPM短波授時(shí)臺所發(fā)播的BPM時(shí)號同步。該BPM短波授時(shí)信號模擬器發(fā)播頻率和發(fā)播程序如表1所示。

表1 BPM短波授時(shí)信號模擬器發(fā)播程序表

2 BPM短波授時(shí)信號模擬器的軟件設(shè)計(jì)

該BPM短波授時(shí)信號模擬器的軟件是由1#MPU和2#MPU協(xié)同完成的。1#MPU采用89S52單片機(jī)，分為4個(gè)程序段：主程序、INT0中斷、T0中斷和T1中斷。2#MPU（也采用89S52單片機(jī)）完成時(shí)延計(jì)算與DDS載頻控制。

2.1 1# MPU主程序流程

1#MPU主程序完成系統(tǒng)初始化、串口數(shù)據(jù)查詢和按鍵管理以及LCD顯示功能。系統(tǒng)初始化后，如果接收到有效的串口時(shí)延信息，則保存時(shí)延信息并置位串口時(shí)延接收有效標(biāo)志位，之后查詢按鍵是否按下并執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能。其程序流程如圖2所示。

圖2 短波授時(shí)信號模擬器主程序

2.2 INT0中斷流程

1#MPU INT0中斷程序由本地1 PPS觸發(fā)，完成工作模式管理、BPM信號時(shí)延處理、串口收發(fā)信息、顯示屏管理、軟件鐘和在發(fā)播模式1下的發(fā)播程序掃描，其中斷流程如圖3所示。

2.3 計(jì)數(shù)器中斷

計(jì)數(shù)器T0和T1是100 kHz 頻標(biāo)的計(jì)數(shù)器，是為配合INT0中斷程序中的BPM信號時(shí)延處理與1 PPS/1 PPM（1 pulse per minute，即分脈沖）生成而設(shè)計(jì)的。計(jì)數(shù)器T0產(chǎn)生1 PPS信號，計(jì)數(shù)器T1產(chǎn)生1 PPM信號。T0中斷服務(wù)流程圖如圖4所示。

圖4 短波授時(shí)信號模擬器T0中斷程序流程

2.4 2# MPU 程序流程

2#MPU也采用89S52單片機(jī)，主要完成時(shí)延計(jì)算、串口接收發(fā)送和DDS載頻控制[4-5]。主程序在完成初始化后，串口接收來自1#MPU的位置與控制信息；根據(jù)短波電波傳播的大圓計(jì)算公式計(jì)算出BPM發(fā)射臺到接收點(diǎn)的傳播時(shí)延；根據(jù)控制信息控制 AD9852產(chǎn)生5 MHz/10 MHz /15 MHz的載頻頻率輸出[6-7]。其程序流程如圖5所示。

圖5 短波授時(shí)信號模擬器2#MPU程序流程

3 BPM短波授時(shí)信號模擬器測試分析

BPM短波授時(shí)信號模擬器輸出以下幾路信號：一路與1 PPS（GPS）同步的1 PPS（本地）信號；一路1 PPS/1 PPM（BPM）信號；一路BPM模擬調(diào)制信號；6路5 MHz/10 MHz/15 MHz的BPM高頻時(shí)號。

測試表明：1 PPS（本地）與1 PPS（GPS）的鐘差絕對值小于300 ns；1 PPS（本地）的頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-8；1 PPS/1 PPM（BPM）比1 PPS（本地）超前19.75 ms；BPM模擬調(diào)制信號符合BPM信號規(guī)范。

3.1 輸出幅度測試

由測試結(jié)果可見，模擬器的輸出幅度峰-峰值均在340 mV左右，符合接收機(jī)使用要求。

3.2 鐘差時(shí)間測量

將該模擬器輸出的高頻時(shí)號連接到NT-100 BPM短波自動校時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鐘的天線輸入端，接收5 MHz/10 MHz/15 MHz載頻時(shí)號，將NT-100 BPM短波自動校時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鐘的1 PPS輸入到FPC-6 GPS時(shí)間頻率校驗(yàn)儀（由中國科學(xué)院國家授時(shí)中心研制）并與其1 PPS進(jìn)行鐘差測量。以10 MHz載頻的某路時(shí)號為例的測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 短波模擬器10 MHz載頻鐘差測量（每秒一個(gè)采樣點(diǎn)）

由以上測試結(jié)果可見，對于模擬器10 MHz載頻輸出的BPM模擬短波授時(shí)信號，經(jīng)NT-100 BPM短波自動校時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鐘接收后輸出的1 PPS信號與FPC-6 GPS 時(shí)間頻率校驗(yàn)儀的1 PPS之間的鐘差為0~0.5 ms。這些誤差主要是由接收機(jī)延時(shí)（電路與軟件）、系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差產(chǎn)生的。隨機(jī)誤差的峰-峰值在0.5 ms以內(nèi)，滿足短波接收的精度要求。

4 結(jié)語

BPM短波授時(shí)信號模擬器是新研制的一種便攜式授時(shí)儀器，其功能與主要指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求，能確保 BPM時(shí)號的清晰可辨和穩(wěn)定發(fā)播，可滿足BPM定時(shí)設(shè)備和時(shí)統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)調(diào)試、測試和外場聯(lián)調(diào)試驗(yàn)使用。在后續(xù)的工作中，如果能夠?qū)δM器的高頻時(shí)號輸出幅度靈活調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)模擬器自身時(shí)延控制與補(bǔ)償，將會對定時(shí)接收機(jī)的靈敏度測試和BPM短波外場場強(qiáng)測試帶來更有效的幫助。

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[7] 漆貫榮. 時(shí)間科學(xué)技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

A BPM Short-wave Time-service Signal Simulator

LIU He-ping1, WANG Hong-yuan2

(1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China;2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

The main function and principle of a BPM short-wave time-service signal simulator is introduced. The components, input/output interfaces and software flow chart for this simulator are expounded. The clock of time-keeping of the simulator, whose time source is traced to GPS, is driven by a 10 MHz OCXO, a cryetal oscillator with high stability and constant temperature. The simulator produces the carrier frequency and modulating signal under the program control, and provides 6 channels of amplified BPM signals. Some tests indicate that the technical indexes of this BPM signal simulator meet the demand of BPM short-wave time-service signal.

BPM time-service system; short-wave time-service; time-signal simulator

2009-08-05

劉和平，男，研究員，主要從事時(shí)頻技術(shù)研究與設(shè)備研制工作。

P127.1

A

1674-0637(2010)01-0016-07