基于無線通信的時間同步中繼系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及時間同步技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于無線通信的時間同步中繼 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 時間同步不僅在人們?nèi)粘Ｉ钪姓紦?jù)著重要的位置，也對國家的國防、軍事起著 至關(guān)重要的作用。隨著社會科學生產(chǎn)力的快速發(fā)展，時鐘同步的應用領(lǐng)域也越來越廣泛。當 前人們需要實時掌握發(fā)生在全球各地的各種信息，但這些信息容量大，包含范圍廣，為了讓 這些信息快速、準確且可靠的傳遞就需要有高精度的時間同步。
[0003] 隨著高精度原子鐘技術(shù)的發(fā)展，時間計量精度也在不斷提高，它和快速發(fā)展的通 信技術(shù)、高精度的時間間隔測量技術(shù)共同促進了時間同步技術(shù)的發(fā)展，大幅度提高了時間 同步的精度。
[0004] 目前，高精度的時間同步系統(tǒng)有單向時間同步和雙向時間同步等方法。單向時間 同步和雙向時間同步方法都是通過無線信號傳輸實現(xiàn)時間同步，這些無線信號采用的信號 頻段無論是微波、短波或長波，都多少會周圍障礙物（高樓、高植被或地球曲面等）的遮擋， 而使得時間同步終端之間不能直視，這會影響傳輸距離或時間同步精度，甚至使得終端不 能實現(xiàn)時間同步。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有時間同步方式會因周圍障礙物而影響傳 輸距離或時間同步精度，提供一種基于無線通信的時間同步中繼系統(tǒng)，其可以實現(xiàn)非直視 各終端之間的時間同步和數(shù)據(jù)傳輸。
[0006] 為解決上述問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 基于無線通信的時間同步中繼系統(tǒng)，由信號發(fā)射部分和信號接收部分組成；其中 信號接收部分包括接收天線、接收射頻前端單元、AD轉(zhuǎn)換器和同步信號接收單元；接收天 線將接收到的射頻信號經(jīng)過接收射頻前端單元的處理后下變頻至模擬中頻信號；該模擬中 頻信號通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號；同步信號接收單元對數(shù)字中頻信號做載波解 調(diào)和偽碼解擴，并把解調(diào)出的電文數(shù)據(jù)信息輸出，同時根據(jù)接收信號中包含的時間信息輸 出秒脈沖信號；信號發(fā)射部分包括同步信號生成單元、DA轉(zhuǎn)換器、發(fā)射射頻前端單元和發(fā) 射天線；同步信號生成單元利用信號接收部分輸出的秒脈沖信號馴服本地時鐘的秒脈沖信 號，并對信號接收部分解調(diào)出的電文數(shù)據(jù)信息重新編碼和調(diào)制為數(shù)字中頻信號；DA轉(zhuǎn)換器 件將調(diào)制好的數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號；該模擬中頻信號經(jīng)過發(fā)射射頻前端單元 上變頻至射頻信號通過發(fā)射天線發(fā)射出去。
[0008] 上述同步信號生成單元包括基準秒脈沖生成模塊、時鐘管理模塊、通信模塊、擴頻 碼生成模塊、載波生成模塊和信號調(diào)制模塊；基準秒脈沖生成模塊，利用信號接收部分輸出 的秒脈沖信號馴服本地時鐘，并送入時鐘管理模塊；時鐘管理模塊，完成輸入時鐘的鎖相和 倍頻，為系統(tǒng)提供全局穩(wěn)定時鐘；通信模塊，把來自信號接收部分的解調(diào)信息數(shù)據(jù)與幀頭幀 尾組成完整的一幀，并由此形成電文數(shù)據(jù)；擴頻碼生成模塊，用于產(chǎn)生擴頻碼；載波生成模 塊，用于產(chǎn)生載波；信號調(diào)制模塊，根據(jù)產(chǎn)生的擴頻碼和載波，完成通信電文的擴頻和載波 調(diào)制，并發(fā)送至DA轉(zhuǎn)換器。
[0009] 上述基準秒脈沖生成模塊包括時鐘計數(shù)器、計數(shù)比較器、電壓轉(zhuǎn)換器和壓控晶振； 時鐘計數(shù)器接收信號接收部分輸出的秒脈沖信號，并在秒脈沖信號的控制下對壓控晶振 的CLK時鐘輸出計數(shù)；計數(shù)比較器將時鐘計數(shù)器輸出的實際CLK時鐘個數(shù)與壓控晶振的額 定CLK時鐘個數(shù)進行比較，判斷壓控晶振的時鐘快慢；電壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)計數(shù)比較器判斷的 壓控晶振的時鐘快慢結(jié)果，去改變壓控晶振的控制電壓；壓控晶振向時鐘計數(shù)器輸出實際 CLK時鐘個數(shù)，同時接受控域電壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的控制，并最終實現(xiàn)時鐘馴服。
[0010] 上述同步接收模塊包括同步信號捕獲模塊、相干器、同步信號跟蹤模塊、秒脈沖信 號的輸出模塊和信號同步解碼模塊；同步信號捕獲模塊，通過對接收射頻前端單元輸出的 數(shù)字中頻信號進行降采樣處理、數(shù)字相關(guān)運算、非相干累加處理和峰值檢測處理后，完成對 信號的搜索，獲得電文數(shù)據(jù)的碼相位和載波頻率；相干器，對同步信號捕獲模塊輸出的碼相 位和載波頻率做相關(guān)運算得到積分值；同步信號跟蹤模塊，根據(jù)同步信號捕獲模塊輸出的 碼相位和載波頻率，完成對數(shù)字中頻信號的解調(diào)和解擴，并對相干器輸出的積分值進行鑒 頻和鑒相處理；秒脈沖提取模塊，對接收到的信號進入跟蹤狀態(tài)以后，本地產(chǎn)生的擴頻碼碼 相位與接收信號的擴頻碼碼相位保持同步，由此獲得秒脈沖信號；信號同步解碼模塊，對同 步信號跟蹤模塊輸出的信號進行同步和幀同步處理，從而獲取通信電文。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型不受周圍障礙物，并能夠?qū)崿F(xiàn)非直視各終端之間的 時間同步和數(shù)據(jù)傳輸。
【附圖說明】
[0012] 圖1為基于無線通信的時間同步中繼方法的原理圖。
[0013] 圖2為基于無線通信的時間同步中繼系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖3為信號生成的流程圖。
[0015] 圖4為同步信號生成單元的原理框圖。
[0016] 圖5為基準秒脈沖生成模塊的原理框圖。
[0017] 圖6為信號接收模塊的原理框圖。
【具體實施方式】
[0018] 一種基于無線通信的時間同步中繼系統(tǒng)，如圖1所示，由信號發(fā)射部分和信號接 收部分組成。信號接收部分包括接收天線、接收射頻前端單元、AD轉(zhuǎn)換器和同步信號接收 單元；接收天線將接收到的射頻信號經(jīng)過接收射頻前端單元的處理后下變頻至模擬中頻信 號；該模擬中頻信號通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號；同步信號接收單元對數(shù)字中頻 信號做載波解調(diào)和偽碼解擴，并把解調(diào)出的電文數(shù)據(jù)信息輸出，同時根據(jù)接收信號中包含 的時間信息輸出秒脈沖信號。信號發(fā)射部分包括同步信號生成單元、DA轉(zhuǎn)換器、發(fā)射射頻 前端單元和發(fā)射天線；同步信號生成單元利用信號接收部分輸出的秒脈沖信號馴服本地時 鐘的秒脈沖信號，并對信號接收部分解調(diào)出的電文數(shù)據(jù)信息重新編碼和調(diào)制為數(shù)字中頻信 號；DA轉(zhuǎn)換器件將調(diào)制好的數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號；該模擬中頻信號經(jīng)過發(fā)射 射頻前端單元上變頻至射頻信號通過發(fā)射天線發(fā)射出去。
[0019] 系統(tǒng)硬件平臺主要是由FPGA和DSP組成，如圖2所示，信號發(fā)射部分主要由FPGA 來實現(xiàn)，而信號接收部分主要由FPGA+DSP來實現(xiàn)，另外再加上一些外圍器件構(gòu)成。在信 號接收過程中，信號處理過程分為捕獲、跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)和秒脈沖提??；其中信號的捕獲在 FPGA中進行，其他處理是用DSP實現(xiàn)。在信號發(fā)射過程中，信號生成部分包括本地時鐘馴 月艮、基準秒脈沖生成、信息編碼和信號調(diào)制。
[0020] 下面詳細介紹其組成：
[0021] 1、同步信號生成部分
[0022] 信號發(fā)射部分的主要功能是基準秒脈沖信號的生成、通信電文編碼、信號調(diào)制、數(shù) 模轉(zhuǎn)換、上變頻和天線發(fā)射。利用信號接收部分獲得的秒脈沖馴服本地時鐘，并利用本地產(chǎn) 生馴服時鐘的秒脈沖作為基準秒脈沖信號。信號接收部分以該基準秒脈沖信號為基準，同 步產(chǎn)生擴頻碼、載波、編碼和信號調(diào)制，其中，編碼是對信號接收部分解調(diào)出的通信電文重 新編碼。信號生成的流程如圖3所示。
[0023] 首先對信號接收部分解調(diào)出的電文信息再按照一定的格式編碼組成完整的通信 電文D(t)。然后電文D(t)與偽碼x(t)通過乘法器做模二加運算，形成包含數(shù)據(jù)信息的復合 碼。最后將該復合碼再與余弦信號AcosQjif^t+e)做BPSK調(diào)制得到數(shù)字中頻信號f(t)， 數(shù)學表達式為
[0024]f(t) =A(x(t) ?D(t)) ?cos(2nf〇t+ 0 ) (1)
[0025] 其中，A為信號的幅度值，&為載波的中心頻率，0為載波的初始相位。調(diào)制后的 中頻信號再進入到AD轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后通后上變頻器上變頻為射頻信號發(fā) 射出去。
[0026] 發(fā)射信號結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0027] 信號的主要組成部分分為：電文、擴頻碼、載波。主要的信號結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：
[0028] ①?信息速率：50bps;
[0029] ②?多址方式：CDMA;
[0030] ③?擴頻方式：直接序列擴頻0>SSS);
[0031] ④.擴頻碼碼片速率：lMcps;
[0032] ⑤.擴頻碼：Gold碼（1000個碼片）；
[0033] ⑥?調(diào)制方式：BPSK;
[0034] ⑦.輸出頻率：16MHz中頻。
[0035] 發(fā)射信號的FPGA實現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)
[0036] 基帶信號的生成是基于FPGA硬件平臺實現(xiàn)的，如圖4所示，F(xiàn)PGA實現(xiàn)部分主要包 括基準秒脈沖生成模塊、時鐘管理模塊、通信模塊、擴頻碼生成模塊、載波生成模塊和信號 調(diào)制t吳塊。
[0037] 1. 1、基準秒脈沖生成模塊
[0038] 利用信號接收部分的秒脈沖信號馴服壓控晶振（VC0)原理框圖如圖5所示，時鐘 計數(shù)器對本地壓控晶振的CLK時鐘輸出計數(shù)，例如，本振為16MHz的晶振，每秒應該輸出 6400000個時鐘數(shù)。在信號接收部分的pps秒脈的上升沿比較，并用計數(shù)比較器對兩個計數(shù) 結(jié)果比較：
[0039] An=n-6400000 (2)
[0040]其中，n為壓控晶振1秒輸出的CLK個數(shù)，如果An大于0,說明本地時鐘快了，減 小壓控晶振的外部電壓，即可以改變壓控晶振的負載電容，使其振蕩頻率變小，即每秒輸出 的CLK時鐘數(shù)變??；相反，如果An小于0,說明本地時鐘慢了，提高壓控晶振的外部電壓， 即可以改變壓控晶振的負載電容，使其振蕩頻率變大，即每秒輸出的CLK時鐘數(shù)變大。
[0041] 在本實用新型中秒脈沖要實現(xiàn)高精度輸出，還需要確定生成秒脈沖信號的最小時 間刻度標準，本最小時間刻度決定了秒脈沖信號的生成精度。在本系統(tǒng)中所采用的信號體 制為擴頻調(diào)制和BPSK載波調(diào)制，而擴頻調(diào)制中采用的對擴頻碼為GL0D碼。設(shè)擴頻碼的周 期為N，即一個擴頻碼的長度有N個碼片，碼速率為K(Mcps)，那么擴頻碼持續(xù)一個周期的時 間T為
[0042]
(3)
[0043] 一個碼片的時間寬度為1\為
[0044]
(4)
[0045] 信號接收部分對接收到的信號進行跟蹤處理時，跟蹤環(huán)路中的碼環(huán)通過不斷調(diào)整 本地產(chǎn)生的碼相位，保持與接收信號中的碼相位達到一致。若本地時鐘精度高的話，那么 接收信號中一個碼片的時間寬度T2應該十分接近于Ti。如果以一個碼片作為計時刻度的 標準，那么在信號產(chǎn)生端累計KXTiXlO6個碼片所需要的時間應該與信號接收部分累加 KXT2X106個碼片所需的時間接近，若這兩個數(shù)值有差別，微調(diào)節(jié)本地時鐘，使得這兩個脈 沖信號的相對位置基本是固定的，即系統(tǒng)也就達到了時間同步。
[0046] 1