CN107171761B - 利用短波授时信号校准本地时钟的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用短波授时信号来校准本地时钟的方法，主要解决现有技术硬件复杂度高、抗噪声性能低的问题。其实现步骤为：1)接收的信号经采样后传给DSP芯片并与本地序列对应点相乘；2)将1)处理后的信号做傅里叶变换得到准信噪比；3)将对应位置的准信噪比叠加；4)通过叠加后最大准信噪比的位置推得信号的起点位置；5)从信号的起点位置取点做分段相关傅里叶变换确定收到信号的长度；6)根据信号的长度和信号的发播时间表确定具体时间并校准本地时钟。本发明仅利用了傅里叶变换算法，不需要对信号做复杂的滤波，大大降低了硬件复杂度，且具有较强的抗噪声性能，可用于短波电台同步建链时各个电台的时间同步。
Description
技术领域
本发明属于短波通信技术领域，特别涉及一种利用短波授时对本地时钟进行校准的方法，可用于短波电台同步建链时各个电台的时间同步。
背景技术
短波授时是一种利用短波无线电信号进行时间校准的方法，精度为1ms。无线电台发播的时间信号经过电离层的一次或多次反射，传递给用户；用户再用无线电接收机接收时号，然后进行本地校时。用户在接收信号时还必须考虑地点、频率和季节等因素影响。短波时号主要依靠电离层反射的天波信号为广大用户服务。短波授时的优点是覆盖面广、发送设备相对简单、使用成本相对较低。但由于电离层随季节而变化，且电波信号受太阳的活动影响较大，日出和日落时都会影响接收时号，因此造成了短波传输时延的不稳定性，限制了短波时频校对的精度。
BPM短波信号采用标准频率分别为2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz载频发送协调世界时时号UTC和我国综合系统制定的世界时时号UT1，UT1与UTC时号偏差一般在5us。UTC时号包含300ms的分信号和10ms的秒信号，UT1时号包含300ms的分信号和100ms的秒信号。UTC信号采用正弦波形，即时刻起点为零相位，时号格式见下：
UTC秒信号是用1KHz的标准音频信号中的10个周波去调制其发射载频以产生长度为10ms的音频信号，其起点，即零相位为协调时的秒起点。每秒产生一个这样的时号，两个时号起始之间的间隔为以UTC时号为标准时间的1秒，波形图如图3所示。
UTC分信号使用1KHz的标准音频信号中的300个周波调制其发射载频以产生长度为300ms的音频信号，其起点，即零相位为UTC的分起点，波形图如图4所示。
UT1信号仍采用正弦波形，时刻起点为零相位。UT1秒信号采用的是1kHz音频信号的100个周波调制载频以产生长度为100ms的调制信号，两个时号的起点之间的间隔是以UT1时号为标准的1秒，波形图如图5所示。
UT1分信号和UTC分信号一样，采用300个周波去调制载频形成300ms的音频调制信号，其起点为协调时的分起点，波形图如图6所示。
短波授时信号每小时的第29min和第59min发播BPM呼号，BPM呼号的前40s为莫尔斯电码，电码特征为—····——·——，共发播10遍，每遍持续4s。其中“—”为连续的300个1kHz的正弦波，“·”为连续的100个1kHz正弦波。
短波授时信号各个时号的发播时间如下表：
| 1)59m00s-00m00s 6)29m00s-30m00s | BPM呼号(1分钟) |
| 2)00m00s-10m00s 7)30m00s-40m00s | UTC时号(10分钟) |
| 3)10m00s-15m00s 8)40m00s-45m00s | 无调制载波(5分钟) |
| 4)15m00s-25m00s 9)45m00s-55m00s | UTC时号(10分钟) |
| 5)25m00s-29m00s 10)55m00s-59m00s | UT1时号(4分钟) |
目前，都是利用专门的短波授时信号接收机来进行时间校正，例如陈永奇,邢燕,陈颖明在2016年2月《时间频率学报》提出的《BPM短波定时接收机的设计与实现》该方法用到了带通滤波器、同步控制器、5MHz隔离放大器、移相控制寄存器和1PPS隔离放大器等多种器件，其实现的短波授时接收机结构复杂，且设备成本较高。又如李月乔,谭荻茜,杨奇逊在1995年1月《现代电力》提出的《一种从BPM信号提取时间信息的方法》，该方法主要是利用互相关算法来提取时间信号，其抗噪声性能较差，当噪声较大时，信号被淹没就无法提取准确的时间信息。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种利用短波授时信号校准本地时钟的方法，以在不增加设备复杂度的前提下，提高抗噪性能，准确提取时间信号。
为实现上述目的，本发明的技术思路是：在现有的短波信号收发平台上取代GPS信号，利用短波授时信号来提取时间信息，即不需额外添加设备，只利用普通的短波信号接收机和一块AD/DA芯片以及一块DSP芯片实现对时间信息的提取。其实现方案包括如下：
(1)利用DSP芯片的定时器设计一个本地时钟，并规定使本地时间与标准时间之间的误差不超过15分钟；
(2)将短波电台收到的信号传给AD/DA芯片，设置采样频率为9600Hz，将模拟信号转化为数字信号并传送给DSP芯片；
(3)DSP接收到数字信号后对信号做希尔伯特变换，将同相分量与正交分量分离，并将转换后的信号存在桶型存储空间中；
(4)从桶型存储空间中每次取96个样点与本地生成的1kHz正弦波的共轭序列对应点相乘得到新的96个点序列，并将这个新的96个点序列进行傅里叶变换，得到每个点对应的傅里叶值，从这些傅里叶值中找到最大傅里叶值对应点的位置，并根据每个点处的傅里叶值求出准信噪比；
(5)每次取1s的数据做一次处理，即将步骤(4)重复9600次，根据最大傅里叶值对应点的位置判断是否检测到1kHz的信号：如果检测到，则存下准信噪比的值，执行步骤(6)；否则，返回步骤(4)；
(6)多次重复步骤(5)将对应位置的最大的准信噪比叠加，得到精确的准信噪比最大值的位置；
(7)从步骤(6)中精确的准信噪比最大值的位置往前推96个点，即为此时所取授时信号的秒信号或分信号的起点，再从这一起点往后取2560个点做分段相关傅里叶变换，判断出信号的长度；
(8)根据步骤(7)中得到的信号长度确定此时信号的类型和时号：
如果信号长度为10ms，则确定此时的信号为秒信号且时号为协调世界时；
如果信号长度为100ms，则确定此时的信号为秒信号且时号为世界时；
如果信号长度为300ms，则此时的信号为分信号且时号是协调世界时或者是世界时；
(9)将步骤(6)中精确的准信噪比最大值的位置后面的第9600个点，作为下一秒数据中准信噪比值最大的点，再往前移96个点，即为最新接收到的秒信号的起点或分信号的起点；
(10)根据信号的发播时间表和由步骤(7)中得到信号的时号，对本地时钟进行校准：
(10a)本地时钟秒校准：
如果确定信号的时号为协调世界时，则对收到的分信号后面的每个秒信号进行计数，该计数值即为从授时信号获取的时间信息的秒数，在最新收到秒信号的起点时刻用该计数值替换本地时钟的秒数，完成对本地时钟秒的校准；
如果确定信号的时号是世界时，则跳转到步骤(4)继续处理信号，直到收到协调世界时信号再进行校时操作；
(10b)本地时钟分校准：
根据信号发播时间表和本地时钟，在无调制波时段后第一次收到分信号时确定准确的分钟数：
若本地时钟的分钟在0—30min之间，则确定标准时间的分钟数为15min，执行(9c)；
若本地时钟的分钟在31—59min之间，则确定标准时间的分钟数为45min，执行(9c)；
(10c)用得到的标准时间的分钟数替换本地时钟的分钟数，完成对本地时钟分的校准。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明由于不需要专门的短波授时接收机，在一般的短波接收平台上就可以利用短波授时信号来进行校时，因此不需要添加额外的设备提取准确的时间信息，降低了设备的成本；
2、本发明处理信号的方式简单，主要运用傅里叶变换和互相关算法，对DSP芯片的资源消耗很小，因此不会影响整个短波通信系统的性能；
3、本发明利用准信噪比长时间的叠加，削弱了噪声的影响，具有较强的抗噪声性能，在噪声较大时也能提取出时间信息并保证精度要求，因此不需要做复杂的滤波处理，大大降低了硬件复杂度。
附图说明
图1本发明使用的短波综合业务通信系统框图。
图2为本方法的实现流程图。
图3为短波授时信号标准中协调世界时UTC分信号的波形图。
图4为短波授时信号标准中协调世界时UTC秒信号的波形图。
图5为短波授时信号标准中世界时UT1分信号的波形图。
图6为短波授时信号标准中世界时UT1秒信号的波形图。
具体实施方式
本发明是一种利用短波授时信号提取时间信息来校准本地时钟的方法，通过对接收到的短波授时信号做傅里叶变换，将得到的准信噪比不断叠加，得到精确的准信噪比最大值的位置，从而确定准确的授时信号起始点位置，通过从信号的起点位置取点做分段相关傅里叶变换判断出信号的长度，再根据信号的发播时间表和接收信号的长度确定标准时间的分钟数和秒数，最后用确定的标准时间的分钟数和秒数替换本地时钟的分钟数和秒数，完成对本地时钟的校准。
参照图1，短波综合业务通信系统主要完成第二代自动链路建立2G-ALE、第三代自动链路建立3G-ALE、数据报通信、流媒体通信以及最低限度通信等功能，其包括上位机、FPGA芯片、GPS、短波电台、DSP6713芯片、受话器、DSP6748芯片和AIC10芯片。DSP6713芯片和DSP6748芯片都是浮点型数字信号处理芯片，具有低功耗、低成本、便于数据处理、便于连接外设的优点。本系统以DSP6713芯片和DSP6748芯片作为处理芯片，其中DSP6713芯片作为主控芯片，负责完成与上位机的交互、控制电台、第三代自动链路建立3G-ALE和业务通信的功能；DSP6748芯片主要完成第二代自动链路建立2G-ALE以及声码化功能；FPGA芯片用于实现DSP6713芯片的异步串口，使DSP6713芯片能够与DSP6748芯片、上位机、电台等进行数据传输；另外本系统还使用了两块AIC10芯片，其中AIC10a用于提供短波电台与两块DSP芯片之间数据传输的模数转换，AIC10b用于实现DSP6748与受话器进行数据传输的模数转换。
本发明主要用于取代GPS完成上述短波综合业务通信系统中第三代自动链路建立3G-ALE部分的时间同步处理，通过准确的提取出时间信息完成时间同步处理，即使用上位机对DSP6713芯片输入本地时钟的初始时间，通过短波电台接收短波授时信号，AIC10芯片对接收到的短波授时信号做采样处理，采样后的信号传送给DSP6713芯片做进一步处理并对本地时钟进行计时。
参照图2，本发明的实现步骤如下：
步骤1，设计一个本地时钟。
(1a)先使用上位机通过FPGA芯片实现的串口将当地的实时时间的时、分、秒输入到DSP6713芯片中作为本地时钟的初始时间，该初始时间与标准时间的误差不能超过15分钟；
(1b)利用DSP6713芯片中定时器模块的中断方式以初始时间为起点开始计时，设置定时器中断的时间长度为10ms，即每隔10ms进入一次中断执行中断服务程序，在中断服务程序中对进入中断的次数进行计数，当计数达到100次时，即毫秒值累加到1000ms，计数置零，此时从上位机输入的本地时间的初始时间的秒数自加，当秒数加到60s时，将秒数置零，本地时钟的分钟数再开始自加，当分钟数加到60min时，将分钟数置零，本地时钟的小时数再开始自加。
步骤2，对接收到的短波授时信号进行预处理。
(2a)短波接收机将接收到的短波授时信号传给AIC10芯片，通过对AIC10芯片的初始化将芯片的采样率设置为9600Hz，然后将采样后的信号通过DSP6713芯片的多通道缓冲串口MCBSP模块和增强型直接存储器EDMA模块搬移到DSP芯片的内存空间中；
(2b)将搬移到DSP6713芯片的内存空间中的采样点做希尔伯特变换，希尔伯特变换后每个点对应一个实部数据和一个虚部数据，将每个点对应的实部数据和虚部数据依次存储到DSP6713芯片的桶型存储器t中，每次从桶型存储器t中读出点的位置往前取出96个点做处理，读出点的位置每次向后滑动一个点，滑动9600次，即完成1s采样点的处理；
(2c)生成一个长度为96个点的本地序列：
首先，对1kHz的正弦波用9600Hz的采样频率进行采样，取出前96个点；
然后，将取出的96个点做希尔伯特变换得到一个序列；
最后，取希尔伯特变换后的序列的共轭序列作为长度为96个点的本地序列；
(2d)将步骤(2b)中依次取出的96个点与该本地序列对应点相乘，得到一个新的96个点的序列。
步骤3，判断是否收到1kHz正弦波信号。
在步骤(2d)中得到的新的序列的96个点后面补上32个零点，得到128个点，用该128个点做128点傅里叶变换，得到每个点对应的傅里叶值，根据傅里叶变换的性质确定是否收到1kHz的正弦波信号：
如果在128个点中第64个点对应的傅里叶值最大，则确定收到了1kHz正弦波信号；
如果最大的傅里叶值对应的点不是第64个点，则确定没有收到1kHz正弦波信号。
但在实际判断过程中，考虑到频偏对信号的影响，如果最大的傅里叶值出现在第63、64或65个点，就确定此时收到了1kHz信号，否则就确定此时没有收到1kHz正弦波信号。
步骤4，确定准信噪比的值。
(4a)根据步骤3中判断是否收到1kHz正弦波信号，计算准信噪比：
如果确定没有收到1kHz正弦波信号，则准信噪比的值置为零；
如果确定收到1kHz正弦波信号，则根据步骤3中得到的每个点对应的傅里叶值，按照如下方法计算准信噪比R的值：
首先，找出128个点中傅里叶值最大的点；
然后，取傅里叶值最大的点及其左右两点，将这3个点的傅里叶值的平方和作为信号能量S，再将除过这3个点的其他点的傅里叶值的平方和作为噪声的能量N；
最后，计算信号的准信噪比：R＝S/N。
(4b)将步骤(4a)每次求出的准信噪比依次存入到一个长度为9600的数组a中，数组a中每个准信噪比的位置对应一个桶型存储器t取出数据的位置；
(4c)从桶型存储器t中取出下一秒采样点做处理，得到9600个准信噪比依次与数组a中原有的准信噪比相加，并依次重新存放到数组a中，覆盖以前的值，每次取1s的采样点做完处理得到的准信噪比就进行上述相加操作，实现准信噪比的叠加过程。
步骤5，确定分信号或秒信号的起点位置。
在对接收到的短波授时信号做傅里叶变换时，当取的96个点刚好全是正弦波信号的采样点时，得到的傅里叶值最大，根据准信噪比的定义可知此时准信噪比值也最大，因此根据准信噪比最大值的位置对应在桶型存储器t中取出这96个点的位置，往前推96个点即为分信号或秒信号的起点位置，其具体实现步骤如下：
(5a)根据步骤(4b)中得到的存储准信噪比叠加值的数组a，经过长时间的叠加，数组a中将得到一个位置稳定的最大准信噪比；
(5b)从步骤(5a)中得到的数组a中，找到最大准信噪比的位置，根据数组a中最大准信噪比的位置，得到桶型存储器t中对应的位置；
(5c)根据步骤(5b)中的桶型存储器t中对应的位置，往前推再96个点，该点处即为短波授时信号的分信号或秒信号的起点。
步骤6，确定接收信号的长度。
在步骤5中找到了短波授时信号的分信号或秒信号的起点后，再根据起点以后的点的特征来判断此时的信号的长度：
(6a)从步骤5确定的信号起点往后取出2560个点的数据，将2560个数据分成128段，每段20个点；
(6b)生成一个长度为2560个点的本地序列：
首先，对1kHz的正弦波用9600Hz的采样频率进行采样，取出前2560个点；
然后，将取出的2560个点做希尔伯特变换得到一个序列；
最后，取希尔伯特变换后的序列作为长度为2560个点的本地序列；
(6c)从步骤(6b)中得到的本地序列中取出与(6a)所述的对应的20个点做128次互相关处理，得到128个数据；
(6d)将(6c)中得到的128个数据做128点的傅里叶变换，得到一个最大的傅里叶值F，将这个最大的傅里叶值F与设定的两个门限F1和F2进行比较，且F1<F2，判断出信号的长度：
如果F<F1，则判断信号的长度为10ms；
如果F1<F<F2，则判断信号的长度为100ms；
如果F>F2，则判断信号的长度为300ms。
步骤7，确定具体的时间信息。
根据步骤6得到信号的长度，再结合短波授时信号标准中短波信号的发播时间表，确定具体的时间信息：
(7a)根据步骤3，如在连续3秒内没有检测到1kHZ的信号，则这可以认为此时刻处于无调制波的时间段，具体时间可能是在10min—15min之间或40min—45min之间，继续接收信号，一旦检测到300ms的分信号就按如下时间段确定标准时间的分钟数：
若本地时钟的分钟在0—30min之间，则确定标准时间的分钟数为15min；
若本地时钟的分钟在31—59min之间，则确定标准时间的分钟数为45min；
(7b)收到长度为300ms的分信号后，再根据接下来几秒信号的长度判断出接收到的短波授时信号的时号，进而提取出标准时间的秒数信息：
如果接下来几秒收到长度为100ms的秒信号，说明此时收到的是短波授时信号的世界时，则不做校时处理，返回步骤2，继续处理信号；
如果接下来几秒既收到长度为300ms的分信号也收到长度为100ms的秒信号，说明此时收到的是短波授时信号中的BPM呼号，则不做校时处理，返回步骤2，继续处理信号；
如果接下来几秒收到的是长度为10ms的秒信号，说明此时收到的是短波授时信号的协调世界时，则对收到的分信号后面的每个秒信号进行计数，该计数值即为从授时信号获取的标准时间信息的秒数。
步骤8，对本地时钟进行校准。
(8a)校准本地时钟的分：
根据步骤(7a)确定标准时间的分钟数，用得到的标准时间的分钟数替换本地时钟的分钟数，完成对本地时钟分的校准；
(8b)校准本地时间的秒：
由于本发明是完成高精度的时间校准，所以需要准确的秒钟校准时刻：
根据步骤5得到每一秒采样点中秒信号精确的起点位置，推出最新收到秒信号的起点在桶型存储器t中的位置，一旦检测到桶型存储器t的这个位置收到新的数据，就确定准确的秒钟校准时刻；
每次校准本地时钟的秒钟数时，就在上述方法确定的秒钟校准时刻用步骤(7b)中得到准确的秒钟数替换本地时钟的秒数，完成对本地时钟秒的校准。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用短波授时信号校准本地时钟的方法，包括：
(1)利用DSP芯片的定时器设计一个本地时钟，并规定使本地时间与标准时间之间的误差不超过15分钟；
(2)将短波电台收到的信号传给AD/DA芯片，设置采样频率为9600Hz，将模拟信号转化为数字信号并传送给DSP芯片；
(3)DSP接收到数字信号后对信号做希尔伯特变换，将同相分量与正交分量分离，并将转换后的信号存在桶型存储空间中；
(4)从桶型存储空间中每次取96个样点与本地生成的1kHz正弦波的共轭序列对应点相乘得到新的96个点序列，并将这个新的96个点序列进行傅里叶变换，得到每个点对应的傅里叶值，从这些傅里叶值中找到最大傅里叶值对应点的位置，并根据每个点处的傅里叶值求出准信噪比；
(5)每次取1s的数据做一次处理，即将步骤(4)重复9600次，根据最大傅里叶值对应点的位置判断是否检测到1kHz的信号：如果检测到，则存下准信噪比的值，执行步骤(6)；否则，返回步骤(4)；
(6)多次重复步骤(5)将对应位置的最大的准信噪比叠加，得到精确的准信噪比最大值的位置；
(7)从步骤(6)中精确的准信噪比最大值的位置往前推96个点，即为此时所取授时信号的秒信号或分信号的起点；
再从这一起点往后取2560个点做分段相关傅里叶变换，判断出信号的长度，其实现如下：
(7a)从分信号或秒信号的起点往后取出2560个点，将这2560个点分成128段，每段20个点；
(7b)对本地1kHz正弦波以采样速率9600Hz进行采样得到一个2560个点的本地序列，再从这个本地序列中取出与(7a)所述的对应的20个点做128次互相关处理，得到128个数据；
(7c)将(7b)中得到的128个数据做128点的傅里叶变换，得到一个最大的傅里叶值F，将这个最大的傅里叶值F与设定的两个门限F1和F2进行比较，且F1<F2，判断出信号的长度：
如果F<F1，则判断信号的长度为10ms；
如果F1<F<F2，则判断信号的长度为100ms；
如果F>F2，则判断信号的长度为300ms；
(7)根据步骤(7)中得到的信号长度确定此时信号的类型和时号：
如果信号长度为10ms，则确定此时的信号为秒信号且时号为协调世界时；
如果信号长度为100ms，则确定此时的信号为秒信号且时号为世界时；
如果信号长度为300ms，则此时的信号为分信号且时号是协调世界时或者是世界时；
(8)将步骤(6)中精确的准信噪比最大值的位置后面的第9600个点，作为下一秒数据中准信噪比值最大的点，再往前移96个点，即为最新接收到的秒信号的起点或分信号的起点；
(9)根据信号的发播时间表和由步骤(7)中得到信号的时号，对本地时钟进行校准：
(10a)本地时钟秒校准：
如果确定信号的时号为协调世界时，则对收到的分信号后面的每个秒信号进行计数，该计数值即为从授时信号获取的时间信息的秒数，在最新收到秒信号的起点时刻用该计数值替换本地时钟的秒数，完成对本地时钟秒的校准；
如果确定信号的时号是世界时，则跳转到步骤(4)继续处理信号，直到收到协调世界时信号再进行校时操作；
(10b)本地时钟分校准：
根据信号发播时间表和本地时钟，在无调制波时段后第一次收到分信号时确定准确的分钟数：
若本地时钟的分钟在0—30min之间，则确定标准时间的分钟数为15min，执行(10c)；
若本地时钟的分钟在31—59min之间，则确定标准时间的分钟数为45min，执行(10c)；
(10c)用得到的标准时间的分钟数替换本地时钟的分钟数，完成对本地时钟分的校准。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中的本地时钟，是利用DSP芯片中的定时器设计：
设初始时间的时、分、秒分别为当地的实时时间的时、分、秒值，并假设此时的毫秒值为0ms，并将初始时间通过串口从上位机传送给DSP芯片；
利用定时器的中断方式以初始时间为起点开始计时，每进行一次中断就在初始时间的毫秒值加上10ms，当进入中断次数累计到100次，即毫秒值累加到1000ms时本地时间的秒数自加，当秒数加到60s时，将秒数置零，本地时钟的分钟数再开始自加，当分钟数加到60min时，将分钟数置零，本地时钟的小时数再开始自加。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中的桶型存储器，是一个能存储3s采样数据的数组，采样得到的数据从数组的第一位开始依次存放到数组中，当存储位置到达数组末尾时，新接收的数据就重新从数组的第一位开始存放。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中根据每个点处的傅里叶值求出准信噪比R，按照下列步骤计算：
(4a)找出128个点中傅里叶值最大的点；
(4b)取傅里叶值最大的点及其左右两点，将这3个点的傅里叶值的平方和作为信号能量S，再将除过这3个点的其他点的傅里叶值的平方和作为噪声的能量N；
(4c)计算信号的准信噪比：R＝S/N。
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