CN108566229B - 基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法，将Chirp信号与MFSK结合起来，形成多进制Chirp信号中心频率键控(MCFSK)方式，不仅保留了MFSK的优点，而且还能够进一步提高系统数据传输的抗短波信道干扰能力。此外，将MCFSK与二进制Chirp‑rate键控进行级联，形成MCFSK‑2CrSK调制，该调制方式在不改变MCFSK调制信号参数的前提下，能够进一步提高系统数据传输率。本发明可以兼容现有BPM短波授时系统，不影响原系统用户使用；本发明提供的数据调制信号具有良好的抗多径衰落和抗多普勒频移等优点，适用于短波信道；本发明提供的数据调制信号可以针对信道特点以及接收终端同步精度，进行灵活设计。

Description

基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法

技术领域

本发明涉及通信和信息处理技术领域，特别是指一种BPM短波数据调制设计方法。

背景技术

作为大科学装置之一，BPM短波授时系统是一种我国自主掌握的远程陆基无线电授时服务系统，也是我国世界时改正(DUT1)发播的唯一手段。BPM短波授时系统每天以4个频率(2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz)交替发播标准时间和标准频率信号，发播内容包括协调世界时UTC时号、世界时UT1时号以、空载波以及BPM呼号。BPM授时发播程序：(1)59^m00^s～00^m00^s和29^m00^s～30^m00^s发播BPM呼号；(2)00^m00^s～10^m00^s、15^m00^s～25^m00^s、30^m00^s～40^m00^s和45^m00^s～55^m00^s发播UTC时号；25^m00^s～29^m00^s和55^m00^s～59^m00^s发播UT1时号；10^m00^s～15^m00^s和40^m00^s～45^m00^s为无调制载波。BPM时号格式：UTC和UT1信号均采用1KHz的标准音频调制，起始时刻为正弦波的零相位，UTC时号包含0.01s的秒信号和0.3s的分信号，UT1包含0.1s的秒信号和0.3s的分信号。

鉴于BPM短波授时系统具有作用距离远、接收设备简单、价格低廉以及拥有战时顽存性等优点，若利用其开展数据广播业务，可以尝试在时频体系中多系统之间的数据共享、物联网低轨卫星历书广播等方面推广应用，同时对我国短波授时技术的发展具有重要意义。

目前，BPM短波授时系统在5MHz发播频点上以实验方式插播的时码信息主要包括基本时间信息(年、月、日、时、分)、世界时改正(DUT1)、闰秒预告等，插播方式是在125Hz的副载波上发送BCD码，其中，200ms长度脉冲代表“0”比特，480ms长度脉冲代表“1”比特，数据率为1bps。现有时码插播方案存在的主要问题：(1)数据率低，只有1bps，发播一个完整的时码信息需要1分钟，受到短波信道干扰的风险很大；(2)时码帧格式中没有足够的预留扩展位，难于实现系统扩展应用；(3)没有可靠的校验，接收终端难于判断接收时码信息的准确性。

因此，采用抗短波信道干扰能力强、数据率高的新型数据调制方式，克服BPM短波授时系统无法提供可靠数据服务的缺陷，对推动我国短波授时技术的发展、保持我国短波技术的先进性、扩展BPM短波授时系统的应用具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于Chirp信号的数据调制设计方法，利用该方法设计的数据调制信号抗短波信道干扰能力强、数据率高，并且能在数据率、抗干扰增益和多径分辨率方面取得折衷，实现最优化设计。同时，本发明提供的数据调制方法能够兼容现有BPM短波授时系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)设计两种基本帧，包括基本时间信息帧和辅助信息帧；其中，基本时间信息帧至少包括年、月、日、时、分、秒、CRC校验以及帧类型识别码，辅助信息帧的比特数与基本时间帧的比特数相同；

(2)确定当前设备条件下1秒内所有数据调制信号时长总和的上限值T_A；根据T_A内可传输的基本帧的帧数N和进制数M的不同组合，计算T_A内可传输的数据调制信号的个数

式中，[·]^int表示向上取整，

表示基本帧的最小比特数；

(3)计算数据调制信号的时长

式中，[·]_int表示向下取整；

(4)计算数据调制信号的基本参数，具体步骤如下：

1)计算数据调制信号的两个相邻中心频率的频差

式中，B表示数据调制信号可以使用的总带宽，a＝T_c/(2Δτ+τ_max)，Δτ表示系统同步误差，τ_max表示短波信道最大多径时延；

2)计算数据调制基带信号的中心频率

和调频率K＝[B-(M-1)Δf_check]|/T_c；

(5)确定数据调制基带信号的时域表达式

c_i,j(t)＝exp[jπ(-1)^jKt²-jπ(-1)^jT_ct+j2πf_it]

式中，1≤i≤M，1≤j≤2，j表示虚数单位；由{i,j}不同组合构成的调制信号承载不同的数据，实现数据调制；

(6)规定原协调时UTC时号和世界时UT1时号的起始时刻为零时刻，经过上变频后，得到第l个数据调制信号的时域表达式

式中，A表示数据调制信号幅度，Re(·)表示取信号实部，1≤l≤m，T_U+T_G1+(l-1)T_c≤t≤T_U+T_G1+l·T_c，T_G1为第一个数据调制信号起始时刻与原UTC时号和UT1时号结束时刻之间的间隔记，f₀表示载波频率；

(7)计算衡量数据调制信号性能的参数指标，包括数据调制信号的带宽B_c＝B-(M-1)Δf_check、数据率R_b＝m·[1+log₂(M)]和数据调制信号的脉冲延时比G_I＝[B-(M-1)Δf_check]·T_c。

所述的数据调制信号插入在原BPM发播程序中的UTC时号和UT1时号的时间段中，并保持原BPM时号格式不变；最后一个数据调制信号结束时刻与原UTC时号和UT1时号起始时刻之间的间隔记为T_G2，T_G1不小于0.18s，T_G2不小于0.1s；所述的数据调制信号带宽不大于系统可用的总带宽；所述的数据调制信号总时长上限值T_A≤1-(T_U+T_G1+T_G2)，式中，T_U表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长。

本发明的有益效果是：(1)本发明提供的数据调制方法可以兼容现有BPM短波授时系统，不影响原系统用户使用；(2)本发明提供的数据调制信号具有良好的抗多径衰落和抗多普勒频移等优点，特别适用于短波信道；(3)本发明提供的数据调制信号可以针对信道特点以及接收终端同步精度，进行灵活设计；(4)本发明提供的数据调制信号设计方法可以在数据率、抗干扰增益和多径分辨率之间取得折衷，实现最优化设计。

附图说明

图1是本发明的总体设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明采用了如下技术方案：

1、总体设计

如图1所示，新增加数据调制信号需要兼容原BPM短波授时系统，具体包括：

(1)在原BPM发播程序中的UTC时号和UT1时号的时间段中插入所述的数据调制，并保持原BPM时号格式不变；

(2)所述的第一个数据调制信号起始时刻与原UTC时号和UT1时号结束时刻之间的间隔记为T_G1；所述的最后一个数据调制信号结束时刻与原UTC时号和UT1时号起始时刻之间的间隔记为T_G2；为了不影响原BPM用户的正常工作，T_G1不得小于0.18s，T_G2不得小于0.1s。

(3)为了兼容原系统的带宽，所述的数据调制信号带宽不得大于系统可用的总带宽；

(4)所述的数据调制信号总时长上限值记为T_A，为了保持原BPM发播程序不变，要求：

T_A≤1-(T_U+T_G1+T_G2) (1)

式中：T_U表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长；

2、部分变量说明

首先对以下变量进行说明

(1)T_A表示1秒内所有数据调制信号时长总和的上限值，即所有调制信号所占用的时间叠加起来不得超过T_A；

(2)m表示T_A内可传输的数据调制信号的个数；

(3)

表示基本帧的最小比特数；

(4)N表示T_A内可传输的基本帧的帧数；

(5)M表示进制数；

(6)T_c表示数据调制信号的时长；

(7)R_b表示数据率；

(8)G_I表示数据调制信号的脉冲延时比(即抗干扰增益)；

(9)B_c表示数据调制信号的带宽；

3、基于Chirp信号的BPM短波数据调制的设计方法

由于Chirp信号具有良好的抗窄带干扰、抗多径衰落、抗多普勒频移的优点，并考虑到MFSK具有抗干扰能力强、不受信道参数变化影响等优点，将Chirp信号与MFSK结合起来，形成多进制Chirp信号中心频率键控(MCFSK)方式，不仅保留了MFSK的优点，而且还能够进一步提高系统数据传输的抗短波信道干扰能力。此外，将MCFSK与二进制Chirp-rate键控进行级联，形成MCFSK-2CrSK(简记为MCFrSK)调制，该调制方式在不改变MCFSK调制信号参数的前提下，能够进一步提高系统数据传输率。具体实现步骤如下：

(1)按业务需求设计两种基本帧：基本时间信息帧和辅助信息帧。其中，基本时间帧至少包括年(6比特)、月(4比特)、日(5比特)、时(5比特)、分(6比特)、秒(6比特)、CRC校验(8比特)以及1比特的帧类型识别码；辅助信息帧的比特数与基本时间帧的比特数相同。因此，

(2)根据T_A内可传输的基本帧的帧数和进制数的不同组合{N,M}，计算T_A内可传输的数据调制信号的个数：

式中：[·]^int表示向上取整；

(3)按下式计算数据调制信号的时长：

式中：[·]_int表示向下取整；

(4)数据调制信号的基本参数计算：

考虑到短波电离层多径模式的两种形式：一种是由电离层不均匀所引起的传播时延差小的多径；另一种是由不同跳数的射线、高仰角和低仰角射线等形成的传播时延差较的多径。针对这两种多径情况，设计数据调制基带信号的基本参数，以求在数据率、抗干扰增益、多径分辨率方面取得折衷。

1)针对第一种多径情况，以Δf为间隔，均匀划分M-2个中心频率，即f₁-f_M＝(M-1)Δf。根据线性调频信号的特点，当f₁＝B/2-B_c/2、f_M＝B_c/2-B/2时，能够保证在满足可用总带宽B的基础上，使B_c(即数据调制信号的带宽)达到最大值，进而使数据调制信号具有最强的多径分辨能力。此时，容易得到：

式中：K表示调频率；1≤i≤M；f_i表示数据调制基带信号的中心频率；Δf表示数据调制信号相邻两个中心频率的差值；

2)针对第二种多径情况，假设信道中存在的最大多径时延为τ_max，并假定系统同步精度为Δτ。根据线性调频信号的特点，信号时延(含同步误差)会引起中心频率变化，此时有

表示由时延τ_max+Δτ引起的中心频率变化量。为了尽可能地避免中心频率判决错误，要求

即要求Δf≥(2Δτ+τ_max)K，取边界值，并将其代入上式中，容易得到：

式中：a＝T_c/(2Δτ+τ_max)；

3)在MFSK中，一般要求Δf为1/T_c的整数倍，因此需要对Δf按下式进行修正，计算数据调制信号的两个相邻中心频率的频差Δf_check：

式中：a＝T_c/(2Δτ+τ_max)；Δτ表示系统同步误差；τ_max表示短波信道最大多径时延；

4)将修正后的Δf代入原公式中，最终得到数据调制信号基本参数，即数据调制基带信号的中心频率f_i和调频率K：

(5)按下式确定数据调制基带信号的时域表达式c_i,j(t)：

c_i,j(t)＝exp[jπ(-1)^jKt²-jπ(-1)^jT_ct+j2πf_it] (4)

式中：1≤i≤M；1≤j≤2；j表示虚数单位；B表示数据调制信号可以总带宽；由{i,j}不同组合构成的调制信号承载不同的数据，实现数据调制；

(6)规定原协调时UTC时号和世界时UT1时号的起始时刻为零时刻，经过上变频后，得到第l个数据调制信号的时域表达式

如下式所示：

式中：A表示数据调制信号幅度，用于发射机控制发播功率；Re(·)表示取信号实部；1≤l≤m；T_U+T_G1+(l-1)T_c≤t≤T_U+T_G1+l·T_c；f₀表示载波频率，取值可为2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz；

(7)最后，按下式计算衡量数据调制信号性能的参数指标：

本发明根据{N,M}不同组合计算得到上述结果，并根据不同设备性能及工作需求在数据调制信号带宽B_c(表征多径分辨率)、数据率R_b和数据调制信号脉冲压缩比(表征抗干扰能力)之间综合考虑，选择最优的{N,M}组合，进而实现最优化设计。

利用本发明设计适用并兼容现有BPM短波授时系统的新型数据调制方式，本发明实施例的设计步骤包括：

1、总体设计

参照图1，总体设计如下：

(1)第一个数据调制信号起始时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号结束时刻之间的间隔T_G1设计为0.19s；最后一个数据调制信号结束时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1时号起始时刻之间的间隔T_G2设计为0.1s；

(2)1秒内所有数据调制信号时长的总和T_A设计为0.41s；

(3)为了兼容原BPM系统的带宽，所述的数据调制信号可用总带宽B设计为8000Hz；

2、T_A内可传输的基本帧的帧数N设计为2；进制数M设计为2；

3、通过1、2，并根据实施例一提供的计算方法，可以得到：

1)数据调制信号的时长T_c＝0.01s；

2)T_A内可传输的数据调制信号的个数m为41；

3)数据调制基带信号的时域表达式：

c_i,j(t)＝exp[jπ(-1)^jKt²-jπ(-1)^jT_ct+j2πf_it] (8)

式中：1≤i≤2；1≤j≤2；j表示虚数单位；K＝500000Hz/s表示调频率；f_i＝(-1)^i-1·1500Hz表示数据调制基带信号的中心频率；

4)数据调制信号的时域表达式：

式中：A表示数据调制信号的幅度，用于发射机控制发播功率；Re(·)表示取信号实部；1≤l≤41；0.49+0.01·(l-1)≤t≤0.49+0.01·l；f₀表示载波频率，取值可为2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz；原协调时UTC时号和世界时UT1时号的起始时刻为t的零时刻。

本实施例中衡量数据调制信号的性能参数：

上述设计带来的有益效果是：(1)所述的数据调制信号起始时刻与原协调时UTC时号和世界时UT1的结束时刻之间至少有0.19s的时间间隔，避免了对原系统用户造成的影响，具有兼容性，并且能够为进一步设计新型授时信号提供可用空间，具有可扩展性(2)与原BPM短波授时系统中的数据调制方式相比，所述的数据调制方式将数据率从1bps提高到82bps，并且数据调制信号具有17dB的额外抗干扰增益和200μs的多径分辨率。

Claims (2)

1.一种基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)设计两种基本帧，包括基本时间信息帧和辅助信息帧；其中，基本时间信息帧至少包括年、月、日、时、分、秒、CRC校验以及帧类型识别码，辅助信息帧的比特数与基本时间帧的比特数相同；

(2)确定当前设备条件下1秒内所有数据调制信号时长总和的上限值T_A；根据T_A内可传输的基本帧的帧数N和进制数M的不同组合，计算T_A内可传输的数据调制信号的个数

式中，[·]^int表示向上取整，F_b ^min表示基本帧的最小比特数；

(3)计算数据调制信号的时长

式中，[·]_int表示向下取整；

(4)计算数据调制信号的基本参数，具体步骤如下：

1)计算数据调制信号的两个相邻中心频率的频差

式中，B表示数据调制信号可以使用的总带宽，a＝T_c/(2Δτ+τ_max)，Δτ表示系统同步误差，τ_max表示短波信道最大多径时延；

2)计算数据调制基带信号的中心频率

和调频率K＝[B-(M-1)Δf_check]|/T_c，1≤i≤M；

(5)确定数据调制基带信号的时域表达式

c_i,p(t′)＝exp[jπ(-1)^pKt′²-jπ(-1)^pT_ct′+j2πf_it′]

式中，1≤p≤2，j表示虚数单位，0≤t′≤T_c；由{i,p}不同组合构成的调制信号承载不同的数据，实现数据调制；

(6)规定原协调时UTC时号和世界时UT1时号的起始时刻为零时刻，经过上变频后，得到第l个数据调制信号的时域表达式

式中，A表示数据调制信号幅度，Re(·)表示取信号实部，1≤l≤m，f₀表示载波频率；T_U+T_G1+(l-1)T_c≤t≤T_U+T_G1+l·T_c，T_G1为第一个数据调制信号起始时刻与原UTC时号和UT1时号结束时刻之间的间隔，T_U表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长；

(7)计算衡量数据调制信号性能的参数指标，包括数据调制信号的带宽B_c＝B-(M-1)Δf_check、数据率R_b＝m·[1+log₂(M)]和数据调制信号的脉冲延时比G_I＝[B-(M-1)Δf_check]·T_c。

2.根据权利要求1所述的基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法，其特征在于：所述的数据调制信号插入在原BPM发播程序中的UTC时号和UT1时号的时间段中，并保持原BPM时号格式不变；最后一个数据调制信号结束时刻与原UTC时号和UT1时号起始时刻之间的间隔记为T_G2，T_G1不小于0.18s，T_G2不小于0.1s；所述的数据调制信号带宽不大于系统可用的总带宽；所述的数据调制信号总时长上限值T_A≤1-(T_U+T_G1+T_G2)。

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