金曉臻，華宇

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基于PN碼的電話信道時(shí)延測量方法研究

金曉臻1,2,3，華宇1,2

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)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）

針對(duì)目前電話授時(shí)系統(tǒng)中授時(shí)準(zhǔn)確度低的缺點(diǎn)，提出了一種基于PN碼的時(shí)延測量方法，該方法將PN碼引入電話信道的時(shí)延測量中，服務(wù)器端將PN碼信號(hào)經(jīng)幅度調(diào)制和DA轉(zhuǎn)換后通過電話信道傳輸至用戶端，用戶端先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行AD采樣，幅度解調(diào)，再利用PN碼信號(hào)的自相關(guān)特性對(duì)其進(jìn)行快速捕獲，進(jìn)而完成信道時(shí)延測量。通過實(shí)驗(yàn)測試表明：該方法可以用于電話信道的時(shí)延測量，能夠?qū)⒉煌娫挾司珠g的時(shí)延測量波動(dòng)值由毫秒級(jí)減小到125μs，從而為提高電話授時(shí)準(zhǔn)確度打下了基礎(chǔ)。

時(shí)延測量；PN碼；波動(dòng)值

0 引言

電話授時(shí)是一種通過電話線傳遞時(shí)間信號(hào)的有線授時(shí)方式，與其他有線授時(shí)方式相比具有費(fèi)用低，申請(qǐng)時(shí)間快捷方便等特點(diǎn)，20世紀(jì)90年代在國外得到了廣泛的應(yīng)用[1]。與無線授時(shí)方式相比，電話授時(shí)具有接收設(shè)備簡單，接收信號(hào)不受周邊環(huán)境影響等優(yōu)勢[2]。然而電話授時(shí)的授時(shí)準(zhǔn)確度與無線授時(shí)方式相比存在較大差距，本文的研究目的旨在減小電話信道時(shí)延測量的波動(dòng)值，從而提高電話授時(shí)準(zhǔn)確度，使其更好地滿足中等精度用戶的需求。

無論是有線還是無線授時(shí)方式，時(shí)間傳遞的關(guān)鍵都在于傳輸路徑時(shí)延的測量，目前應(yīng)用于電話授時(shí)系統(tǒng)時(shí)延測量的主要方法是十幾年前發(fā)展的字符檢測法，字符檢測法由于外置調(diào)制解調(diào)器的使用以及收發(fā)兩端處理器對(duì)字符的檢測精度低等因素制約了時(shí)延測量準(zhǔn)確度的進(jìn)一步提高。中國科學(xué)院國家授時(shí)中心的科研人員還曾用檢測載波相位的方法測量電話信道時(shí)延[3]，但由于載波在長距離傳輸過程中抗干擾性較差并沒有得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于PN碼的電話信道時(shí)延測量方法，省去了外置調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用，同時(shí)在物理層檢測PN碼使時(shí)延測量信號(hào)檢測精度更高，實(shí)驗(yàn)證明：這種方法可以減小時(shí)延測量的波動(dòng)值，為提高電話授時(shí)準(zhǔn)確度打下了基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)電話信道時(shí)延測量方法

1.1 傳統(tǒng)電話授時(shí)系統(tǒng)介紹

電話授時(shí)系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)基于公共交換網(wǎng)絡(luò)（PSTN，public switched telephone network）完成時(shí)間的傳遞，主要包括：主鐘、時(shí)間服務(wù)器、調(diào)制解調(diào)器、用戶端等幾部分，其中國家授時(shí)中心綜合原子時(shí)主鐘為服務(wù)器提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，時(shí)間服務(wù)器主要功能是測定電話信道的時(shí)延及向用戶端發(fā)送時(shí)碼，調(diào)制解調(diào)器作用是對(duì)時(shí)間服務(wù)器和用戶端收發(fā)的字符進(jìn)行AD和DA轉(zhuǎn)換，用戶端參與時(shí)延測量，接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)并進(jìn)行時(shí)間顯示和秒脈沖輸出。

圖1 電話授時(shí)系統(tǒng)組成

1.2 傳統(tǒng)電話信道時(shí)延測量原理

服務(wù)器端和用戶端進(jìn)行字符傳輸時(shí)都需要用到調(diào)制解調(diào)器，而調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)字符時(shí)的時(shí)間波動(dòng)會(huì)被引入到電話授時(shí)的時(shí)延測量中，另外兩端的處理器對(duì)于字符的檢測精度不高，僅為毫秒級(jí)，故這種方法測量的傳輸時(shí)延準(zhǔn)確度并不高，國家授時(shí)中心于1998年測量的不同電話端局的時(shí)間同步精度僅為5 ms[4]，時(shí)間同步精度主要由時(shí)延測量波動(dòng)引起，毫秒級(jí)的檢測精度以及調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用會(huì)引起較大的時(shí)延波動(dòng)，使這種方法測得的時(shí)延值與電話信道實(shí)際的時(shí)延值相差較大。

圖2 字符檢測法原理

由于字符檢測法自身的局限性，難以通過它減小時(shí)延測量波動(dòng)值，在對(duì)電話信道特性和PN碼進(jìn)行了大量研究后，本文提出了一種基于PN碼（pseudo-noise code）的電話信道時(shí)延測量方法。

2 基于PN碼的信道時(shí)延測量方法

2.1 基于PN碼的時(shí)延測量原理

基于PN碼的時(shí)延測量原理如圖3所示，服務(wù)器端將本地的1PPS信號(hào)作為PN碼產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，后將PN碼信號(hào)與正弦波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，使調(diào)制后的信號(hào)滿足電話信道的帶寬要求，然后將調(diào)制信號(hào)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后變?yōu)槟M信號(hào)送入公共電話交換網(wǎng)絡(luò)；用戶端對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行AD采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再根據(jù)相干解調(diào)的原理進(jìn)行幅度解調(diào)，并采用匹配濾波器的方式對(duì)去載波后的信號(hào)進(jìn)行快速捕獲，匹配濾波器可以在1s內(nèi)完成對(duì)一個(gè)周期PN碼信號(hào)的捕獲并產(chǎn)生最大相關(guān)峰值，在最大相關(guān)峰處可生成1PPS信號(hào)，再將此1 PPS信號(hào)與服務(wù)器端的1 PPS信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)值即為電話信道的傳輸時(shí)延值。

圖3 基于PN碼的時(shí)延測量原理

2.2 時(shí)延測量信號(hào)設(shè)計(jì)

2.2.1 PN碼特性

PN碼是一種具有類似于隨機(jī)噪聲統(tǒng)計(jì)特性的周期性數(shù)字序列，PN碼由邏輯0和1構(gòu)成且便于重復(fù)產(chǎn)生與處理，由于具有隨機(jī)噪聲的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能避免隨機(jī)噪聲不可預(yù)期的缺點(diǎn)，故在通信領(lǐng)域得到了較廣泛應(yīng)用[5]。

工程上，常采用移位寄存器產(chǎn)生PN碼，它具有以下特性[6]：

① 均衡性：每個(gè)周期內(nèi)，碼元0和碼元1的數(shù)目基本相等；

③ 相關(guān)特性：序列具有雙值自相關(guān)性函數(shù)，即[7]

2.2.2 時(shí)延測量信號(hào)設(shè)計(jì)

PN碼的基礎(chǔ)組成為序列，而Gold碼是序列的復(fù)合碼，它是將兩個(gè)碼長和碼周期相同的序列經(jīng)模2相加產(chǎn)生，與序列相比，Gold碼除具有更好的自相關(guān)性外，并且結(jié)構(gòu)更簡單，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。C/A碼是GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的一種Gold碼，也被稱為粗捕獲碼，它是經(jīng)序列優(yōu)選對(duì)異或運(yùn)算后產(chǎn)生的一種短碼[8]。

2.3 PN碼信號(hào)調(diào)制

由于電話信道帶寬范圍為0.3～3.4kHz，為了使PN碼信號(hào)通過電話信道時(shí)盡量不損失頻率成分，考慮將PN碼信號(hào)的頻譜在頻域內(nèi)進(jìn)行搬移以滿足電話帶寬的要求，另外PN碼良好的自相關(guān)特性使其具有較強(qiáng)的抗干擾性能，因而對(duì)調(diào)制方式的抗噪聲性能要求不高，故選取接收設(shè)備簡單，頻帶利用率高的幅度調(diào)制對(duì)PN碼信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將2kHz的正弦波信號(hào)與上述PN碼信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的頻譜示意圖如圖4所示[7]。

圖4 幅度調(diào)制頻譜示意圖

2.4 PN碼信號(hào)解調(diào)與捕獲

根據(jù)相干解調(diào)的原理，接收端將采集到的調(diào)制信號(hào)通過帶通濾波器后分為，兩個(gè)支路，分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行同相和正交的相乘運(yùn)算，再經(jīng)過低通濾波器后送入匹配濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲，將匹配濾波器的輸出信號(hào)平方求和后可去除收發(fā)兩端載波相位差引起的幅度變化，最終輸出信號(hào)為1 PPS信號(hào)。接收端對(duì)PN碼信號(hào)的解調(diào)和捕獲原理如圖5所示。

圖5 PN碼信號(hào)解調(diào)與捕獲原理

2.4.1 PN碼信號(hào)解調(diào)

2.4.2 PN碼信號(hào)捕獲

與滑動(dòng)相關(guān)法相比，匹配濾波器法雖然算法復(fù)雜，消耗硬件資源多，但捕獲時(shí)間短，適合于電話授時(shí)的時(shí)延測量，下文將對(duì)基于匹配濾波器法捕獲PN碼信號(hào)的原理進(jìn)行分析。

匹配濾波器的輸出公式為[5]：

PN碼序列波形的連續(xù)相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為[5]：

以I支路為例分析，按照式（12）畫出輸出函數(shù)曲線如圖6所示。

由式（14）可以看出平方求和的最大相關(guān)值為定值，即經(jīng)捕獲后輸出的峰值幅度僅受用戶端接收信號(hào)的幅值影響，不會(huì)隨開機(jī)時(shí)刻的不同而變化。

3 基于PN碼的信道時(shí)延測量功能驗(yàn)證與性能測試

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)包括：算法驗(yàn)證平臺(tái)和信號(hào)連接平臺(tái)，服務(wù)器端和用戶端的算法驗(yàn)證平臺(tái)相同，如圖7所示，主芯片為Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片EP2S60F1020C4ES，DA和AD轉(zhuǎn)換芯片選用TI公司的TLV320AIC23B語音芯片，服務(wù)器端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)PN碼的產(chǎn)生，調(diào)制算法，而用戶端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)PN碼的解調(diào)，捕獲算法。服務(wù)器端和用戶端分別連接信號(hào)連接平臺(tái)，如圖8所示，信號(hào)連接平臺(tái)完成電話的連通，服務(wù)器端撥號(hào)和用戶端摘機(jī)的實(shí)現(xiàn)，并且還將完成兩端模擬信號(hào)與電話線的耦合。其中撥號(hào)和摘機(jī)由ARM芯片LPC2214配合電路完成。

圖7 算法驗(yàn)證平臺(tái)

圖8 信號(hào)連接平臺(tái)

3.1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PN碼的信道時(shí)延測量原理與字符法時(shí)延測量原理類似，可通過用戶端接收并回發(fā)PN碼的方式雙向測量，受硬件條件限制，目前只討論單向測時(shí)延的方式。實(shí)際應(yīng)用中服務(wù)器端與用戶端多位于不同地點(diǎn)，本文以GPS接收機(jī)輸出的1 PPS信號(hào)作為試驗(yàn)系統(tǒng)兩端的基準(zhǔn)，服務(wù)器端以GPS的1 PPS信號(hào)觸發(fā)PN碼信號(hào)發(fā)送，用戶端將捕獲PN碼后產(chǎn)生的1PPS信號(hào)和本地GPS的1PPS信號(hào)通過時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行比對(duì)，相當(dāng)于和服務(wù)器端PN碼的起始1PPS信號(hào)比對(duì)，故用戶端兩個(gè)1PPS信號(hào)的比對(duì)值即為電話信道的時(shí)延值，時(shí)延值可直接通過計(jì)算機(jī)采集。經(jīng)上文分析這種測量方法不含服務(wù)器和用戶端之間的鐘差，兩端GPS的1 PPS信號(hào)同步誤差為納秒級(jí)，可忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖9所示，其中時(shí)間服務(wù)器端包含時(shí)延測量信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制和發(fā)送等模塊，用戶端包含時(shí)延測量信號(hào)的接收、解調(diào)、捕獲等模塊。

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 功能驗(yàn)證

通過用戶端FPGA的在線邏輯分析儀對(duì)PN碼捕獲過程進(jìn)行測試來驗(yàn)證上述算法的有效性，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 用戶端PN碼捕獲測試

圖10中邏輯分析儀的采樣率設(shè)置為4 kHz，_dmfOut為支路匹配濾波器輸出，_dmfOut為支路匹配濾波器輸出，squareAddOut為，支路平方求和輸出。圖中相關(guān)峰值間隔為4000個(gè)點(diǎn)，即每秒鐘可通過捕獲服務(wù)器端發(fā)送的PN碼產(chǎn)生一個(gè)秒脈沖。驗(yàn)證了用戶端對(duì)時(shí)延測量信號(hào)解調(diào)與捕獲方法的有效性，進(jìn)而驗(yàn)證了基于PN碼進(jìn)行時(shí)延測量的可行性。

3.3 性能測試

基于以上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別對(duì)來自同一電話端局的國家授時(shí)中心內(nèi)部電話，來自不同電話端局的臨潼到西安市區(qū)的市話，來自省級(jí)交換中心的臨潼到渭南的省內(nèi)長話以及西安市內(nèi)IP網(wǎng)絡(luò)電話等電話信道的時(shí)延進(jìn)行了測試，測試時(shí)間為5 min，測試結(jié)果如圖11至圖14所示。

圖11 同一電話端局內(nèi)部電話測試圖

圖12 不同電話端局市話測試圖

圖13 省內(nèi)長話測試圖

圖14 市內(nèi)IP網(wǎng)絡(luò)電話測試圖

圖11至圖14的測量均值和測量標(biāo)準(zhǔn)差可以用表1表示。

表1 時(shí)延測量值

通過表1可以看出，基于圖9所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測出電話信道的時(shí)延值，時(shí)延均值可通過數(shù)據(jù)傳輸方式在用戶端扣除，故相對(duì)于時(shí)延均值，我們更注重時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差反映了信道時(shí)延的波動(dòng)，將會(huì)決定授時(shí)的準(zhǔn)確度，表1中數(shù)據(jù)顯示標(biāo)準(zhǔn)差均在125μs以內(nèi)，表明時(shí)延測量波動(dòng)值可以達(dá)到125μs。圖11和圖12顯示：同一電話端局的內(nèi)部電話和不同電話端局的市話的時(shí)延測量值圍繞均值在上下波動(dòng)；而圖13和圖14顯示：省內(nèi)長話和IP網(wǎng)絡(luò)電話的時(shí)延測量值朝某一個(gè)方向單向變化，測量結(jié)果顯示并未對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差產(chǎn)生很大影響，而長時(shí)間測量可能會(huì)使時(shí)延測量波動(dòng)值變大，主要原因在于省內(nèi)長話和IP網(wǎng)絡(luò)電話的服務(wù)器端時(shí)間源和用戶端時(shí)間源的頻率差引起了時(shí)差的線性變化，而時(shí)差的變化被計(jì)入到時(shí)延的測量中，實(shí)際電話授時(shí)的授時(shí)時(shí)間很短，通常在1 min以內(nèi)可以完成，因而以上通道時(shí)延的單向變化趨勢對(duì)于電話授時(shí)準(zhǔn)確度的影響較小。

4 結(jié)論

目前無線授時(shí)方式的授時(shí)準(zhǔn)確度較高，且應(yīng)用廣泛，但是對(duì)于接收無線信號(hào)受限的環(huán)境，有線授時(shí)方式可以作為重要的補(bǔ)充，而提高有線授時(shí)方式的授時(shí)準(zhǔn)確度成為促進(jìn)其應(yīng)用的關(guān)鍵。本文基于電話信道特性，將PN碼信號(hào)應(yīng)用于信道時(shí)延的測量，提出了一種基于PN碼的信道時(shí)延測量方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明本方法可以精確測量電話信道時(shí)延，并可將傳統(tǒng)電話授時(shí)毫秒級(jí)的時(shí)延測量波動(dòng)值減小到125μs，為提高電話授時(shí)準(zhǔn)確度打下了基礎(chǔ)。

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Research on method of time delay measurement in telephone channel based on PN code

JIN Xiao-zhen1,2,3, HUA Yu1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precise Navigation and Timing Technology, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A new time delay measurement method is proposed to improve the timing accuracy in telephone time service system, PN code is used to measure time delay in the method. The PN code is modulated firstly by sine wave, and then the modulated signal is converted to analog signal. The analog signal is transmitted from time server to user terminal through telephone channel. Then the received analog signal is converted to digital signal which is demodulated to PN code signal. Because PN code can be quickly captured duo to its auto-correlation characteristic, it can be used to measure the time delay in telephone channel. The experiment results between different telephone interoffice proved that the time delay fluctuation in telephone channel can be decreased from millisecond to less than 125 microseconds, it is a foundation work for improving the accuracy of telephone time service.

time delay measurement; PN code; fluctuation

TN911.7

A

1674-0637(2017)04-0221-10

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-04-0221-10

2017-04-17

中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（29Y607YR00011）

金曉臻，男，博士研究生，助理研究員，主要從事授時(shí)方法與技術(shù)研究。