CN106911415A - 一种利用fm调频广播实现授时的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用FM调频广播实现授时的方法，在FM调频广播的SCA信道中，利用伪随机码扩频调制技术，将标准时间信息插入调频广播信号中并进行广播；接收端通过接收该调频广播信号并从中解调出时刻信息和时间信息，从而实现高精度授时服务。本发明通过对时间信息的编码和PN码的扩频增益，在不影响现有FM调频广播正常工作的前提下，提供了一种授时方法。5KHz的带宽对应的时间精度是0.2毫秒，扣除传输距离的影响后，本发明的授时精度为亚毫秒级。

Description

一种利用FM调频广播实现授时的方法

技术领域

本发明涉及一种利用FM调频广播实现授时的技术，具体涉及到利用FM调频附加信道SCA信道实现扩频调制，从而实现时间码和时刻信息的高精度传递，属于通信技术领域。

背景技术

FM调频附加信道(FM-SCA)广播是通过调频广播开展的一种辅助通信业务，亦即是在现有的FM调频广播中利用增加附加信道来传送各种业务信息，简称为SCA。SCA广播在广泛应用于传送交通信息、金融信息、气象信息和背景音乐，以及无线电寻呼等业务，取得了一定的社会效益和经济效益。但是近年来随着电视广播和网络的迅速发展，利用FM-SCA调频广播辅助通信业务大幅减少，并且随着智能手机和3G、4G网络的普及，人们越来越少地依靠SCA广播获取金融信息、气象等信息，导致FM-SCA广播缺乏竞争力。

目前常用的授时方式包括长波授时、短波授时和卫星授时，但是长波授时存在尚未完成我国国土全覆盖、建站成本高、接收设备复杂等缺陷，短波授时精度较低，卫星授时易受干扰和受地理条件影响大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用FM调频广播SCA信道实现授时的方法，通过将标准时间信息插入到调频广播的SCA信道中，随广播信号对外广播，从而达到充分利用FM调频广播实现高精度授时服务的目的。本发明中的授时方法建设快、成本低、使用简单，可灵活布置于各个城市广播电台，尤其在长短波的覆盖盲区和卫星授时信号较弱的区域，对关系我国国民经济和国防建设的长短波授时系统形成一种补充和增强，对提高广播基础设施的使用效能、扩充和丰富我国时间频率服务体系具有重要的意义，同时，本发明是广电部门利用现有频率资源实现利益最大化的一个新的经济增长点，具有良好的社会效益与经济效益。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在FM调频广播的SCA信道中，利用伪随机码(PRN)扩频调制技术，将标准时间信息(包括时刻信息和时码信息)插入调频广播信号中并进行广播；接收端通过接收该调频广播信号并从中解调出时刻信息和时间信息，从而实现高精度授时服务。

本发明具体包括以下步骤：

1)时间信息的插播，包括以下步骤：

1.1)在调频广播发播台利用原子钟保持时间，同时将该时间溯源到中国科学院国家授时中心所保持的时间上；

1.2)对每秒时刻信息和时码信息进行编码，按每秒一帧进行编码，每帧授时信息由帧头、时码信息、CRC校验位和保留位组成；所述的帧头即时刻信息；每帧的帧头相同，均采用伪随机序列PRN码，其周期长度为127个码片，本原多项式X⁷+X³+1，记作PN0码；所述的时码信息由起始符、年、月、日、时、分、秒组成，采用二进制编码，起始符为11比特；所述的CRC校验位为8比特，对时间信息进行校验，CRC生成多项式为X⁸+X²+X+1；所述的保留位由24比特组成，以0填充；

1.3)对授时信息采用两级调制，即BPSK-FM调制，步骤如下：

1.3.1)对授时信息进行扩频，对每一帧的时码信息、CRC校验位、保留位中的数据采用本原多项式X⁶+X+1生成的PN码进行扩频，在扩频后的码流之前插入长度为127码片的PN0码作为帧头，生成一帧完整授时信息的码流，其中，本原多项式X⁶+X+1生成的PN码记作PN1码；

1.3.2)将步骤1.3.1)中输出的码流对67KHz载波或92KHz载波进行BPSK调制，生成一次调制信号，其中，帧头的第一个码片与1PPS信号上升沿对齐，即PN0码的起始时刻与秒时刻对齐；

1.3.3)将生成的一次调制信号进行带通滤波，滤波器中心频率为与载波对应的67KHz或92KHz，带宽为5KHz，将经过带通滤波的信号与音频信号叠加并进行FM调频，再经放大后由天线对外广播；

2)授时信息的接收，包括以下步骤：

2.1)接收天线接收FM调频广播信号，经FM解调得到基带信号，对基带信号进行带通滤波，滤波器中心频率为与载波对应的67KHz或92KHz，带宽为5KHz，再进行BPSK解调后得到码流信息；

2.2)将码流通过帧头匹配滤波器，匹配成功(即输出绝对值超过125)时认为捕获到帧头，此时输出秒脉冲信号；此后每63个码片与PN1码相关，相关结果小于0，判断此数据为0，否则为1；保存判断结果；

2.3)当保存数据个数达到53个时，一帧数据接收完毕，提取最后8比特与前45个比特进行CRC校验，若没通过CRC校验，丢弃该帧，清空已保存数据，回到2.2)，若通过CRC校验，提取53个数据的前11个与起始符比较，确认数据是否反相，若反相，53个数据均取其反相值；

2.4)按照时间编码的规则解调时码信息，输出时码信息，清空已保存数据，回到2.2)。

本发明的有益效果是：通过对时间信息的编码和PN码的扩频增益，在不影响现有FM调频广播正常工作的前提下，提供了一种授时方法。5KHz的带宽对应的时间精度是0.2毫秒，扣除传输距离的影响后，本发明的授时精度为亚毫秒级。

附图说明

图1是本发明授时信息帧结构图。

图2是本发明授时信息调制与广播示意图。

图3是本发明接收端信号处理流程图。

图4是本发明解调时间信息流程图。

具体实施方式

本发明具体包括以下步骤：

1)时间信息的插播，包括以下步骤

1.1)在调频广播发播台利用原子钟保持时间，同时将该时间溯源到中国科学院国家授时中心所保持的时间上；

1.2)对每秒时刻信息和时码信息进行编码，按每秒一帧进行编码，每帧授时信息由帧头、时码信息、CRC校验位和保留位组成；所述的帧头即时刻信息；每帧的帧头相同，均采用伪随机序列PRN码，其周期长度为127个码片，本原多项式X⁷+X³+1，记作PN0码；

所述的时码信息由起始符、年、月、日、时、分、秒，共45比特组成，采用二进制编码，具体编码如下：

起始符：11比特，为固定的11100010010；

年：7比特，表示以2000年为基准，到当前时间的年数；

月：5比特，表示当前时间的月；

日：5比特，表示当前时间的日；

时：5比特，表示当前时间的时；

分：6比特，表示当前时间的分；

秒：6比特，表示当前时间的秒；

CRC校验位对时间信息进行校验，由8比特组成，CRC生成多项式为X⁸+X²+X+1；保留位由24比特组成，以0填充；

1.3)对授时信息采用两级调制，即BPSK-FM调制，步骤如下：

1.3.1)首先对授时信息进行扩频，对每一帧的时码信息、CRC校验位、保留位中的77比特数据采用本原多项式X⁶+X+1生成的PN码进行扩频，在扩频后的码流之前插入长度为127码片的PN0码作为帧头，生成一帧完整授时信息的码流，其中，本原多项式X⁶+X+1生成的PN码记作PN1码；

1.3.2)将步骤1.3.1)中输出的码流对67KHz载波或92KHz载波进行BPSK调制，生成一次调制信号，其中，帧头的第一个码片与1PPS信号上升沿对齐，即PN0码的起始时刻与秒时刻对齐；

1.3.3)将生成的一次调制信号进行带通滤波，滤波器中心频率为与载波对应的67KHz或92KHz，带宽为5KHz，将经过带通滤波的信号与音频信号叠加并进行FM调频，再经放大后由天线对外广播；

2)授时信息接收

2.1)接收天线接收FM调频广播信号，经FM解调得到基带信号，对基带信号进行带通滤波，滤波器中心频率为67KHz、带宽为5KHz或滤波器中心频率为92KHz、带宽为5KHz，再进行BPSK解调后得到码流信息；

2.2)将码流通过帧头匹配滤波器，匹配成功(即输出绝对值超过125)时认为捕获到帧头，此时输出秒脉冲信号；此后每63个码片与PN1码相关，相关结果小于0，判断此数据为0，否则为1；保存判断结果；

2.3)当保存数据个数达到53个时，一帧数据接收完毕，提取最后8比特与前45个比特进行CRC校验，若没通过CRC校验，丢弃该帧，清空已保存数据，回到2.2)，若通过CRC校验，提取53个数据的前11个与起始符比较，确认数据是否反相，若反相，53个数据均取其反相值；

2.4)按照时间编码的规则解调时码信息，输出时码信息，清空已保存数据，回到2.2)。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。SCA频段有67KHz和92KHz两个频点，其最大频偏均为7.5KHz，两个频点都可以实现授时，且方法完全相同，所以下面以67KHz为例进行说明。

1)时间信息的插播

1.1)标准时间信息

对于任何一种授时方法，其发播的时间应与UTC(协调世界时)同步。本技术方案采用在调频广播发播台利用原子钟保持时间，同时将该时间溯源到中国科学院国家授时中心所保持的时间(UTC(NTSC))上，即广播发播台保持的时间与中国科学院国家授时中心保持的时间同步。时间信息包括：频率信息(如10MHz)、时刻信息(如1PPS，每秒一个脉冲，其脉冲上升沿与秒时刻对齐)、时码信息(如：北京时间年、月、日、时、分、秒)等。本发明所涉及的授时信息包括时刻信息和时码信息。

1.2)授时信息编码

授时信息编码是对每秒时刻信息和时码信息进行编码，按每秒一帧进行编码，每帧授时信息由帧头(时刻信息)，时码信息，CRC校验位和保留位组成，如图1所示。

每帧的帧头都是相同的，采用一种伪随机序列(PRN码)，其周期长度为127个码片，其本原多项式X⁷+X³+1，记作PN0码。

时码信息由起始符、年、月、日、时、分、秒，共45比特组成。采用二进制编码，具体编码如下：

起始符：11比特，为固定的11100010010；

年：7比特，表示以2000年为基准，到当前时间的年数；

月：5比特，表示当前时间的月；

日：5比特，表示当前时间的日；

时：5比特，表示当前时间的时；

分：6比特，表示当前时间的分；

秒：6比特，表示当前时间的秒；

CRC校验位对时间信息进行校验，由8比特组成，CRC生成多项式为X⁸+X²+X+1，保留位由24比特组成，以0填充。

1.3)授时信息调制与广播

授时信息包括帧头、时码信息、CRC校验位和保留位，本方法中对授时信息采用两级调制，即BPSK-FM调制，如图2所示，步骤如下：

1.3.1)首先对授时信息进行扩频，对每一帧的时码信息、CRC校验位、保留位中的77比特数据采用本原多项式X⁶+X+1生成的PN码进行扩频，在扩频后的码流之前插入长度为127码片的PN0码作为帧头，生成一帧完整授时信息的码流，其中，本原多项式X⁶+X+1生成的PN码记作PN1码；

1.3.2)将步骤1.3.1)中输出的码流对67KHz载波进行BPSK调制，生成一次调制信号，其中，帧头的第一个码片与1PPS信号上升沿对齐，即PN0码的起始时刻与秒时刻对齐；

1.3.3)将生成的一次调制信号进行带通滤波，滤波器中心频率为67KHz，带宽为5KHz，将经过带通滤波的信号与音频信号叠加并进行FM调频，再经放大后由天线对外广播。

2)授时信息接收(如图3、4所示)

2.1)接收天线接收FM调频广播信号，经FM解调得到基带信号，对基带信号进行67KHz，带宽为5KHz的带通滤波，再进行BPSK解调后得到码流信息；

2.2)将码流通过帧头匹配滤波器，匹配成功(即输出绝对值超过125)时认为捕获到帧头，此时输出秒脉冲信号；此后每63个码片与PN1码相关，相关结果小于0，判断此数据为0，否则为1，并将判断结果保存；

2.3)当保存数据个数达到53个时，一帧数据接收完毕，提取最后8比特与前45个比特进行CRC校验，若没通过CRC校验，丢弃该帧，清空已保存数据，回到2.2)，若通过CRC校验，提取53个数据的前11个与起始符比较，确认数据是否反相，若反相，53个数据均取其反相值；

2.4)按照时间编码的规则解调时码信息，输出时码信息，清空已保存数据，回到2.2)。

Claims (1)

1.一种利用FM调频广播实现授时的方法，其特征在于包括下述步骤：

1)时间信息的插播，包括以下步骤：

1.1)在调频广播发播台利用原子钟保持时间，同时将该时间溯源到中国科学院国家授时中心所保持的时间上；

1.2)对每秒时刻信息和时码信息进行编码，按每秒一帧进行编码，每帧授时信息由帧头、时码信息、CRC校验位和保留位组成；所述的帧头即时刻信息；每帧的帧头相同，均采用伪随机序列PRN码，其周期长度为127个码片，本原多项式X⁷+X³+1，记作PN0码；所述的时码信息由起始符、年、月、日、时、分、秒组成，采用二进制编码，起始符为11比特；所述的CRC校验位为8比特，对时间信息进行校验，CRC生成多项式为X⁸+X²+X+1；所述的保留位由24比特组成，以0填充；

1.3)对授时信息采用两级调制，即BPSK-FM调制，步骤如下：

1.3.1)对授时信息进行扩频，对每一帧的时码信息、CRC校验位、保留位中的数据采用本原多项式X⁶+X+1生成的PN码进行扩频，在扩频后的码流之前插入长度为127码片的PN0码作为帧头，生成一帧完整授时信息的码流，其中，本原多项式X⁶+X+1生成的PN码记作PN1码；

1.3.2)将步骤1.3.1)中输出的码流对67KHz载波或92KHz载波进行BPSK调制，生成一次调制信号，其中，帧头的第一个码片与1PPS信号上升沿对齐，即PN0码的起始时刻与秒时刻对齐；

1.3.3)将生成的一次调制信号进行带通滤波，滤波器中心频率为与载波对应的67KHz或92KHz，带宽为5KHz，将经过带通滤波的信号与音频信号叠加并进行FM调频，再经放大后由天线对外广播；

2)授时信息的接收，包括以下步骤：

2.1)接收天线接收FM调频广播信号，经FM解调得到基带信号，对基带信号进行带通滤波，滤波器中心频率为与载波对应的67KHz或92KHz，带宽为5KHz，再进行BPSK解调后得到码流信息；

2.2)将码流通过帧头匹配滤波器，匹配成功(即输出绝对值超过125)时认为捕获到帧头，此时输出秒脉冲信号；此后每63个码片与PN1码相关，相关结果小于0，判断此数据为0，否则为1；保存判断结果；

2.3)当保存数据个数达到53个时，一帧数据接收完毕，提取最后8比特与前45个比特进行CRC校验，若没通过CRC校验，丢弃该帧，清空已保存数据，回到2.2)，若通过CRC校验，提取53个数据的前11个与起始符比较，确认数据是否反相，若反相，53个数据均取其反相值；

2.4)按照时间编码的规则解调时码信息，输出时码信息，清空已保存数据，回到2.2)。