CN117955585A - 一种采用m序列宽带伪码体制的时间同步与通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用M序列的时间同步与通信方法与系统，在频率同步的前提条件下，涉及通信、时间同步与校准技术领域，解决了现有方案易受干扰限制或者设计难度大，导致时间同步精度不高的技术问题；本发明采用主从节点分时复用(TDMA)加相对时间同步的工作方式，结合微波双向时间比对和百皮秒级窄脉冲M序列相关法解决了上述问题；本发明采用基于M序列伪码脉冲体制的时间同步技术，提高了时间同步效率，系统的稳定性和可靠性也得到保障；本发明采用M编码窄脉冲序列用于扩频，信号易于产生和复制，但是具有很高的精度、可靠性和安全性，更符合高精度通导时融合系统的需求；本发明的时间比对方法与传统方式相比，定位精度高，实时性好。

Description

一种采用M序列宽带伪码体制的时间同步与通信系统

技术领域

本发明属于无线通信与时统校准技术领域，具体是一种采用M序列时间同步与通信融合的系统及方法。

背景技术

本项目用于无人机编队进行的雷达组网协同探测，需要进行无线通信和信号级的时间同步，其中无线数据传输采用通常的BPSK调制方式。而时间同步精度的高低将直接影响雷达协同探测的性能和分辨率。在同步问题中，尤为重要的是时间同步和相位同步，其中时间同步要求各移动平台的时钟与标准时钟对齐，或比对时刻与标准时钟的时钟差已知。

根据时间同步的工作原理，目前常用的时间同步方法有搬钟法和单向时间同步法。搬钟法就是将一个标准钟作为搬钟，然后用搬钟比对校准各地的时钟。搬钟法的实现成本低，技术上也不复杂，但是易受地域条件的限制，在环境变化较大的情况下，同步精度不高。

单向时间同步法是主机和从机均有一副高精度的时钟，只要知道从机和主机的时间差然后调整从机时钟就可以实现同步。主机发送同步脉冲，同时取当前的时刻为T1，从机接收到同步脉冲的时刻为T2，t为主从机之间同步脉冲的往返时延，得到主从机的时钟差为：T1-T2-t/2。单向时间同步法对对主机和从机的时钟精度要求较高，并且要求同步脉冲往返时延的精确测量，设计难度较大且同步精度受限。

本发明的无线数据传输和时间同步采取分时复用的通信模式，其中时间同步方式选择微波双向时间比对，信号体制采用宽带伪码体制，时间同步精度高，实时性好。

发明内容

本发明提供了一种采用M序列伪码体制的自主时间同步与通信方法，用于解决现有方案受地域限制或者设计难度大，导致同步精度不高的技术问题，本发明采用主从节点相对同步的工作方式解决了上述问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种采用M序列宽带编码的自主时间同步和通信系统，包括：

针对无线自主时频同步与测距通信的要求，采用TDMA(时分复用)的方式实现节点之间的相互通信，帧格式定为传输应用数据的通信帧和用于时频同步的校时测量帧。通信帧用于传输应用数据，校时测量帧采用为M序列BPSK调制脉冲串的结构。

无线通信采用软件无线电方式实现，采用FPGA和AD9371射频芯片实现，模拟带宽可达100MHz以上。

在接收端：无线射频信号经过低噪声放大后，直接对其进行数字化，数字化的信号经过FPGA完成数字下变频、数字滤波、数字解调等信号处理工作。

在发射端：需要发射的基带信号通过FPGA完成数字调制、数字上变频和数字滤波等信号处理任务，经过AD9371变换为模拟信号，最后经功率放大器放大到足够功率，由天线发射出去。

确定铷钟基准源，并通过铷钟基准源产生基准信号，同时获取在基准信号产生时铷钟产生的M序列伪码；

基准信号由M序列伪码经过伪码调制、载波调制之后生成已调波并通过发射模块发送；在原始信号发送的同时，计数器开始计数；

接收模块接收到已调波信号之后对已调波进行信号解调获取目标信号；其中，信号解调中所用的接收本振为载波跟踪环的输出频率；

对目标信号进行M序列伪码的捕获与跟踪，并做相关运算获取相关值，且在相关值达到最大峰值时刻关闭计数器；

获取计数器的数据并标记时延数据，将时延数据发送至FPGA控制器，在下一次发送原始信号时，将时延数据调制到M序列伪码上经发射模块发送，同时计数器清零。

优选的，所述时钟基准源的参数根据时钟差变化方程选择，时钟差变化方程具体为：且/>

其中：E_α为当t＝0时的时刻差，K为频标的漂移率；f₀为频标的振荡频率标称值，f_α为当t＝0时刻的振荡频率。

优选的，所述M序列伪码的生成包括：

首先设置M序列的阶数N，典型值1023。

然后，初始化移位寄存器为全1，这是M序列生成的起始状态。

创建一个空的序列列表，用于存储生成的M序列。

进行一个循环，重复2^N-1次。

在每次循环中，计算反馈位，即移位寄存器的第一个位和第二个位的异或结果。

将移位寄存器的最后一位添加到序列列表中，以生成M序列的一个元素。然后，将反馈位放置在移位寄存器的末尾，进行移位操作。循环结束后，输出生成的M序列，即序列列表中的所有元素。

优选的，M序列的生成多项式为x^10+x^3+1，所述多项式可以生成一个1023长度的M序列，即伪随机码，多项式最高幂次为10。

优选的，在同步过程中，首先使第一小组的标准时钟主机与其他小组的主机进行时钟标定，再将标定后的各小组主机时钟作为锚定主时钟，在各组中分别进行从机标定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用M序列扩频体制，进行扩频通信与高精度时间同步一体化设计，实现了多功能波形和通导时融合功能，提高了雷达协同探测的效率，系统的稳定性和可靠性也得到保障。

2、本发明采用M序列编码体制用于扩频，信号易于产生和复制，但是具有很高的复杂度、隐蔽性和安全性，更符合分布式系统的需求。

3、本发明的时间同步方式选择宽带伪码相关信号处理方法，定位精度高，实时性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的通信协议帧数据格式图；

图2为本发明的双向时间比对示意图；

图3为本发明的双向时间比对法工作时序图；

图4为本发明的M序列窄脉冲相关处理仿真结果图；

图5为本发明的整体示意图；

图6为本发明的无人机喝计数器示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

这里使用的术语用于描述实施例，并不意图限制和/或限制本公开；应该注意的是，除非上下文另有明确指示，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”也包括复数形式；而且，尽管属于“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述各种元件，但是元件不受这些术语的限制，这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。

请参阅图2-图3，本申请提供了一种采用M序列宽带伪码体制的时间同步与通信系统，包括：

发射部分：首先铷钟产生一个可提供整个系统的时间和频率的基准信号，其次由这个基准提供的时钟下产生的M序列编码，经过扩频调制、载波调制后，再经发射模块发送出去，同时触发计数器开始计数。

接收部分：先对收到的信号解调，因为本发明中的频率同步已完成，所以接收本振的基准时钟源来自于铷原子钟，对解调后的信号进行M序列伪码的捕获与跟踪，做相关运算，相关值达到最大峰值时刻关闭计数器。

计数器计的数据是主节点测得的时延信息，将计数器的数据送入FPGA控制器，在下一次发送比对信号的时候将数据调制到M序列伪码上经发射模块发送出去，同时计数器清零。至此完成一次时间比对，以后每隔一个同步保持时间循环上述过程以保证系统同步的刷新率。

在同步过程中，首先使第一小组的标准时钟主机与其他小组的主机进行时钟标定，再将标定后的各小组主机时钟作为锚定主时钟，在各组中分别进行从机标定。

在非时间同步周期内，进行载荷的数据传输，即无线数据传输与时间同步任务在不同的时隙内完成，优先完成时间同步，其次进行载荷数据的传输，传输采用DSSS(DirectSpread Spectrum)和BPSK二项编码调制。

本发明采用先进的时间频率测控技术校准高稳定度低相噪高稳晶振，并锁定在铷原子钟上，将原子频标的中期稳定性与高稳晶振的短期稳定性完美结合，使系统输出频率同步，输出的10MHz频率几乎没有漂移，能为系统提供超高精度的时间和频率基准。

系统通过低噪声锁相回路，使铷钟产生的10MHz频率与恒温晶振准确同步。当校准时间码正常时，恒温晶振被校准；当校准时间码丢失时，恒温晶振自动进入保持状态；10MHz始终与其准确同步，这样10MHz输出频率具有原子钟的长期稳定特性，又具有优质短稳和低相噪特性。

本技术选择M序列伪码的扩频技术，该方法具有尖锐的自相关性，精度高、抗干扰、保密性好。

在此基础上，两架无人机之间采用的是微波双向时间比对法，双向时间传输是一个对发对收系统，每个无人机需要双工通信，每个无人机本地钟以一定的时间间隔发射时间信息，在发射脉冲的时候给时间间隔计数器开门，用收到对方站的M序列相关峰生成的脉冲给计数器关门。

1.时钟基准源的分析如下。

无论采用何种频标，由于受到频率准确度和漂移率的影响，钟差总在变化而不可能保持为常量，但只要时刻差的绝对值≤0.5ns，即为实现时间同步，时刻差的变化方程如下所示：

式中，频标的初始频率准确度；

E_α：当t＝0时的时刻差；

K：频标的漂移率；

f₀：频标的振荡频率标称值；

f_α：当t＝0时刻的振荡频率；

考虑到时差方程的各个影响因子和现在器件可以达到的性能，根据时差方程可以选择如下的时钟基准源参数：

时钟源基准：10MHz；

10MHz瞬时准确度：优于1×10E-11；

10MHz的100s稳定度：优于3×10E-12/h；

10MHz正弦波相噪：优于-130dBc/Hz@1kHz；

输出10MHz时钟信号，相位精度优于1°，阻抗为50Ω。

2.双向时间比对法

无线节点之间采用双向时间比对法进行时间同步，双向时间传输是一个对发对收系统，每个节点需要双工通信，每个节点本地钟以一定的时间间隔发射时间信息，在发射M序列伪码的时候给计数器开门，用收到对方节点的测量伪码做相关峰检测生成的脉冲给计数器关门，即进行时差测量，如图2所示。

钟差：

其中,各项影响因子分别为：

T₁＝Δt+τ_B+τ_BA+τ'_A (2)

T₂＝-Δt+τ_A+τ_AB+τ'_B (3)

τ_A为节点A发射设备延时，τ'_A为节点A接收设备延时；

τ_B为节点B发射设备延时，τ'_B为节点B接收设备延时；

针对无线通信与时频同步的要求，为保证所设计的时频同步与通信有效工作，采用TDMA时分复用的方式实现节点之间的相互通信，通信协议帧分为两种类型：

(1)用于时频同步和测距的测量帧；

(2)传输应用数据的通信帧；

采用双向时间比对法，主机的工作时序如图2所示：

1)主机发射时间比对信号，开启本地计时器开始计时；

2)接收到从机发送过来的比对信号；

3)将本地计时数据调制到伪码上发给从机，关闭计时器并清零；

4)持续发送比对信号一段时间；

5)每隔一个同步保持时间重复上述过程；

从机的工作时序：

1)从机发射时间比对信号，并开启本地计时器开始计时；

2)接收到主机发送过来的比对信号，关闭计时器并清零；

3)等待主机计时器数据；

4)将主机计时器数据和本地计时器数据进行数据处理得到时间差数据；

5)累计连续发送比对信号后得到的时间差数据，做平滑处理；

6)每隔一个同步保持时间重复上述过程。

在此基础上，设计两个节点之间的双向时间比对模型，双向时间传输是一个对发对收系统，每个节点需要双工通信，每个节点本地钟以一定的时间间隔发射时间信息，在发射送时刻给时间间隔计数器开门，用收到对方的相关峰脉冲给计时器关门。

3.M序列扩频体制。

本系统拟选择基于M序列伪码体制的、双向时间比对法来实现时间同步，该方法具有尖锐的自相关性，精度高、抗干扰、保密性好。

扩频调制体制采用M序列编码方法，经典混沌信号具有对初值的敏感性，伪随机性、非周期性、类噪声宽谱特性，以及尖锐的自相关性，所以，混沌信号在无线电领域中有广阔的应用前景。但混沌信号的实用性主要受制于干扰下的混沌同步。

为达到高精度时间测量和测距的目标，本项目拟采用超宽带伪码脉冲体制信号，该信号码片为0.5ns,体制的突出优势在于信号带宽超过4GHz以上，时域波形为皮秒级窄脉冲，如图4所示。经过M序列调制后形成编码M序列窄脉冲串，做相关后可产生百ps量级的相关峰，时间分辨力可达100ps，非常适合于时间测量，数据通信采用BPSK调制脉冲串信号。

M序列的生成多项式为x^10+x^3+1，M序列长度为1023码片，即伪随机码，多项式最高幂次为10，M序列伪码的生成过程：

首先设置M序列的阶数N，典型值1023；

初始化移位寄存器为全1，这是M序列生成的起始状态；

创建一个空的序列列表，用于存储生成的M序列；

进行循环操作，重复2^N-1次；

在每次循环中，计算反馈位，即移位寄存器的第一个位和第二个位的异或结果。将移位寄存器的最后一位添加到序列列表中，以生成M序列的一个元素。然后，将反馈位放置在移位寄存器的末尾，进行移位操作；

循环结束后，输出生成的M序列，即序列列表中的所有元素。

针对本申请，需要注意以下事项：时间同步周期的选择、平台运动的影响以及时间同步误差分析。

1.时间同步周期的选择

根据所选原子钟或者晶振的频率准确度和漂移率，对于每次工作时间在2个小时之内的应用中，频率漂移老化率对授时的影响很小，可以忽略不计。

为保证同步刷新率，本系统选择刷新率为10Hz。

2.平台运动的影响

由于系统的发射机和接收机都放在分布式运动平台上，平台的高速运动和振动等都对高精度的时间同步产生重要的影响。

(1)需要平台采取增稳措施，运动平台的振动位移应小于1.5cm；

(2)对多普勒频率进行估计并补偿，无人机之间相对速度<100m/s；

3.时间同步误差分析

时间同步过程中，总的误差为：Δt＝Δt1+Δt2+Δt3+Δt4，即影响同步精度的因素有：

Δt1：计数器的量化误差，精度可达50ps；

Δt2：M序列编码的捕获误差，精度优于100ps；

Δt3：发射接收时延误差，主要包括发射设备、接收设备和传输信道的时延误差，发射设备、接收设备取决于发射和接收模块器件性能，可以预置和系统校正；传输信道时延误差可以对消；

Δt4：温度变化引起的误差，可进行温控和温度数据补偿，一般温度系数可在-85ps/℃。

上述公式中的数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：

确定时钟基准源，并通过时钟基准源产生基准信号，同时获取在基准信号产生时原子钟产生的M序列伪码。

基准信号由M序列伪码经过伪码调制、载波调制之后生成已调波信号并通过发射模块发送；在已调波信号发送的同时，计数器开始计数。

接收模块接收到已调波信号之后对已调波信号进行信号解调获取目标信号；其中，信号解调中所用的接收本振为主机驯服从机的输出频率。

对目标信号进行M序列伪码的捕获与跟踪，并做相关运算获取相关值，且在相关值达到最大峰值时刻关闭计数器。

获取计数器的数据并标记时延数据，将时延数据发送至FPGA控制器，在下一次发送已调波信号时，将时延数据调制到M序列伪码上经发射模块发送，同时计数器清零。

在同步过程中，首先使第一小组的标准时钟主机与其他小组的主机进行时钟标定，再将标定后的各小组主机时钟作为锚定主时钟，在各组中分别进行从机标定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种采用M序列的时间同步与通信方法与系统，其特征在于包括：

确定时钟基准源，并通过时钟基准源产生10MHz基准信号，同时获取在基准信号产生时原子钟产生的M序列伪随机码；并对基带数据进行伪码扩频调制；

基准信号由M序列伪码经过扩频调制、高速DA之后生成时频信号，以及基带扩频数据，通过发射模块发送；在已调波发送的同时，计数器开始计数；

接收机接收到已调波之后进行信号解调获取原始信号；其中，信号解调中所用的时钟为从机的铷原子钟产生的基准源；

对M序列的伪码信号进行高速直采，并做相关运算获取相关值，且在相关值达到最大峰值时刻关闭计数器；

获取计数器的数据并标记时延数据，将时延数据发送至时频信号处理单元，在下一次发送时频信号时，将时延数据与M序列伪码信号分时组帧，调制到载波上经发射模块发送，同时计数器清零。

2.根据权利要求1所述的一种采用M序列的时间同步与通信方法与系统，其特征在于，所述铷钟基准源的参数根据铷钟钟差变化方程选择，钟差变化方程具体为：且/>

其中：E_α为当t＝0时的时刻差，K为铷原子频标的漂移率；f₀为铷原子频标的振荡频率标称值，f_α为当t＝0时刻的振荡频率。

3.根据权利要求1所述的一种采用M序列的时间同步与通信方法与系统，其特征在于，所述M序列二相编码的生成包括：

1)生成M序列：使用M序列发生器生成所需长度的M序列；

2)数据编码：将要传输的二进制数据与M序列进行逐比特异或操作；将数据序列中的0与M序列中的1异或，将数据序列中的1与M序列中的-1异或；这样可以将二进制数据映射到M序列的正负1上；

3)调制信号生成：根据异或结果，将M序列的正负1映射到相位上；通常，正1映射到一个固定的相位，如0度，而负1映射到相位的反向，如180度；

4)传输信号：将调制后的信号传输到接收端；

5)在接收端，采用相干解调技术来识别信号的相位，以恢复原始的二进制数据。