CN104300993A - Bpl长波定时校频接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种BPL长波定时校频接收机，天线单元接收BPL长波授时信号，由射频信号处理单元对接收到的信号进行预滤波、幅度放大、自动增益控制和匹配处理，并由AD采样单元进行模数转换，基带信号处理单元将接收到的数字信号进行自适应陷波和FIR带通滤波处理，搜索捕获BPL长波授时信号并进行天地波的识别与分离、载波相位跟踪和脉冲周期的识别，然后对BPL时码数据进行解调解码和自主定时校频，并将时间信息、1PPS定时信号和10MHz信号传输送至控制显示输出单元。本发明具有数字化、体积小、重量轻、功能完善、操作简单且可扩展等特点，为用户提供标准的时间信息和标准的频率信号。

Description

BPL长波定时校频接收机

技术领域

本发明涉及一种长波授时信号接收终端，属于电子电路与信号处理领域，特别涉及BPL数字化长波定时校频接收机，用于BPL长波授时信号的数字化接收和处理，为用户提供标准的时间信息和标准的频率信号。

背景技术

BPL长波授时***是一种我国自主掌握的远程高精度大型陆基无线电授时***，具有作用距离远、定位精度高、稳定性好、可靠性强等优点，其基本功能是用于授时和导航主台，其次还可用于通讯以及电波传播、电离层和气象等科学研究。BPL长波授时***主要利用长波信号地波传播的稳定性、传播时延可以精确预测的特点，用于发播精确的时间信息和标准的频率信号来实现高精度授时功能，其发播标准时间UTC(NTSC)，发播脉冲组重复周期(GRI)为60ms，发射峰值功率为2000KW，地波信号定时精度优于±1μs，地波信号校频精度优于±5×10^-12/天，地波信号覆盖半径≥1000km。

BPL长波定时校频接收机是实现***功能的最终设备，其主要作用是在时间统一***中接收BPL长波授时***发播的标准频率信号和标准时间信息，来实现本地时间信息与标准时间UTC(NTSC)的同步(定时)，校准本地频率信号与标准频率信号的频偏(校频)。因此，BPL长波定时校频接收机被广泛用于时间统一***，为导弹、航天等国防科研实验提供标准时间信息和标准频率信号，以实现整个试验***时间和频率的统一。

然而，目前国内普遍使用的PO21型BPL全自动长波定时校频接收机为二十世纪八十年代的定型产品，主要采用模拟技术、分立元件等实现长波授时信号的接收和处理，具有体积与重量大的缺点；同时，PO21型长波接收机缺乏时间数据信息解码功能，实现定时功能必须首先借助于第三方(如短波)实施粗同步，然后进行相关的TOC操作来实现最终的定时功能，其操作繁琐等缺点严重影响了用户的使用。因此，研制操作简单、价格低廉、功能完善的BPL长波定时校频接收机对我国长波授时***的建设和发展以及长波授时的应用推广有着非常重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种BPL长波定时校频接收机，解决我国长波授时用户的定时和校频需求，具有数字化、体积小、重量轻、功能完善、操作简单且可扩展等特点，实现在BPL长波授时***作用范围内对BPL长波授时信号的数字化接收和处理，进而为用户提供标准的时间信息(UTC)和标准的频率信号。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括天线单元、射频信号处理单元、AD采样单元、基带信号处理单元和控制显示输出单元。所述的天线单元接收BPL长波授时信号，由射频信号处理单元对接收到的信号进行预滤波、幅度放大、自动增益控制和匹配处理，并由AD采样单元进行模数转换，AD采样单元将得到的数字信号传输送至基带信号处理单元；基带信号处理单元首先将接收到的数字信号进行自适应陷波和FIR带通滤波处理，然后在滤波处理后的信号中搜索捕获BPL长波授时信号，待捕获完成后对BPL信号进行天地波的识别与分离和载波相位跟踪，接着对BPL长波授时信号进行脉冲周期的识别，寻找并跟踪BPL脉冲信号的第三周正向过零点，然后基于载波相位信息实现对BPL时码数据的解调解码和自主定时校频，并将时间信息、1PPS定时信号和10MHz信号传输送至控制显示输出单元。

所述射频信号处理单元包括模拟滤波器、射频放大器、自动增益控制器，模拟滤波器完成对BPL授时信号的模拟滤波处理，射频放大器完成对BPL授时信号的幅度放大处理，自动增益控制器完成对BPL授时信号的幅度控制以满足AD采样单元对信号幅度的要求。

所述基带信号处理单元包括自适应陷波模块、FIR带通滤波模块、自动搜索捕获模块、天地波识别与分离模块、载波相位跟踪模块、周期识别跟踪模块、数据解调解码模块、自主定时校频模块和时延修正模块，自适应陷波模块实现对窄带干扰信号数量及其频率的自动检测，通过自适应陷波算法实现对窄带干扰的抑制，然后将经过处理的信号送至FIR带通滤波模块；FIR带通滤波模块实现对噪声与干扰的进一步抑制，然后将经过处理的信号传输送至自动搜索捕获模块；自动搜索捕获模块根据BPL授时信号的组重复周期和主台的相位编码特征，通过包络提取、包络延迟、相乘累积、峰值检测和捕获判决四个过程实现对BPL长波授时信号的搜索捕获，产生捕获成功标识信号送至天地波识别与分离模块；天地波识别与分离模块根据天波时延特征实现天地波信号的识别和分离，并将分离得到的地波信号送至载波相位跟踪模块；载波相位跟踪模块采样科斯塔斯环实现载波同步，提取BPL各脉冲的载波相位信息送至周期识别跟踪模块和数据解调解码模块；周期识别跟踪模块采样延迟锁定环实现对BPL授时信号脉冲周期的初步识别，然后结合载波相位信息实现对BPL授时信号脉冲第三周正向过零点的识别与跟踪，并产生周期识别跟踪成功标识信号送至数据解调解码模块和自主定时控制模块；数据解调解码模块根据载波相位信息，采样交叉相关检测的方法实现对BPL时码数据的解调，每组脉冲解调得到7bit的调制信息，然后进行RS纠错解码和CRC循环冗余校验解码得到BPL授时信号携带的时间信息，并将时间信息送至自主定时控制模块和控制显示输出单元；自主定时校频模块根据时间信息和BPL长波授时信号发播的时间原理实现自主定时控制产生1PPS定时信号送至时延修正模块，根据载波相位信息，通过频率合成的方式实现对本地晶振频率的校准，产生10MHz频率信号送至控制显示输出单元；时延修正模块设置GPS接收机，GPS有效时，通过测量GPS接收机的1PPS信号和BPL的1PPS信号之间的时差，调整BPL的1PPS相位实现时延修正，所述时延包括传播时延、接收机时延和周期时延，GPS无效时，根据人工键盘输入的接收机坐标计算信号的传播时延并修正，根据输入的接收机标定时延进行接收机时延和周期时延修正，然后将经过时延修正的1PPS信号送至控制显示输出单元。

所述控制显示输出单元包括恒温晶振、阵列键盘、液晶显示屏、信号处理输出模块和显示控制模块；恒温晶振为接收机工作提供10MHz的频率信号；阵列键盘完成对接收机的参数配置输入，所述参数包括组重复周期、接收机坐标和接收机时延；液晶显示屏完成对时间信息和工作状态的显示；信号处理输出模块完成对1PPS和10MHz信号的调理并通过BNC接头输出，同时完成对时间信息的电平转换并通过串口输出；显示控制模块完成对液晶显示屏显示内容以及操作菜单的显示与控制。

本发明的有益效果是：采用本发明对BPL长波授时信号进行接收处理，能够实现校频和自主定时；在信噪比SNR≥5dB时的时间信息解码误码率优于0.05％，1PPS信号的定时不确定度优于100ns。

本发明产生的有益效果主要表现在以下几个方面：

第一，本发明实现了BPL长波定时校频接收机的数字化，减小了接收机体积，减轻了接收机重量；

第二，本发明实现了接收机自主定时，简化了用户使用长波定时校频接收机的操作流程，提高了BPL长波接收机的可用性和实用性；

第三，本发明实现了标准时间UTC(NTSC)的等数据信息的解码与输出，奠定了接收机接收卫星差分信息的基础；

第四，本发明设计利用GPS接收机1PPS作为参考，开机进行一次校准即可实现对BPL信号传播时延、接收机时延以及周期修正等时延修正，简化了用户的操作使用，提高了时延修正精度，进而提高了接收机的定时精度；

第五，本发明采样参数可配置设计，配置长河二号相关台站的组重复周期即可利用长河二号信号实现定时功能；

第六，本发明采用模块化设计，增加信号接收处理通道和定位解算模块即可利用长河二号信号实现定位功能。

附图说明

图1是本发明的总体功能架构框图；

图2是本发明的主要信号处理流程框图；

图3是本发明的基带电路结构框图。

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。

BPL长波定时校频接收机，包括天线单元、射频信号处理单元、AD采样单元、基带信号处理单元和控制显示输出单元。天线单元通过馈线电缆进行供电，实现对BPL长波授时信号的接收、预滤波、幅度放大、自动增益控制和匹配处理，并通过馈线电缆将接收到的信号传输送至AD采样单元；AD采样单元实现将信号从模拟到数字的转换，并将处理后的数字信号传输送至基带信号处理单元；基带信号处理单元首先将接收到的数字信号进行自适应陷波和FIR带通滤波处理，其次在滤波处理后的信号中搜索捕获BPL长波授时信号，待捕获完成后对BPL信号进行天地波的识别与分离和载波相位跟踪，接着对BPL长波授时信号进行脉冲周期的识别，寻找并跟踪BPL脉冲信号的第三周正向过零点，然后基于载波相位信息实现对BPL时码数据的解调解码和自主定时校频，并将时间信息、1PPS定时信号和10MHz信号传输送至控制显示输出单元；控制显示输出单元实现对接收机工作参数配置、显示屏的控制和输出信号与信息的处理。

所述天线单元包括接收天线、天线耦合器和馈线电缆。接收天线和天线耦合器通过馈线电缆得到供电，接收天线用于接收BPL授时信号并将信号传输送至天线耦合器，天线耦合器对BPL授时信号进行预滤波、幅度放大和阻抗匹配，然后通过馈线电缆将完成处理的信号传输送至射频信号单元。

所述射频信号处理单元包括模拟滤波器、射频放大器、自动增益控制器。模拟滤波器完成对BPL授时信号的模拟滤波处理，提高信噪比和信干比；射频放大器完成对BPL授时信号的幅度放大处理；自动增益控制器完成对BPL授时信号的幅度控制以满足AD采样单元对信号幅度的要求，最后将完成处理的信号传输送至AD采样单元。

所述AD采样单元完成对BPL授时信号的采样、量化和编码，并将编码后的BPL数字信号传输送至基带信号处理单元。

所述基带信号处理单元包括自适应陷波模块、FIR带通滤波模块、自动搜索捕获模块、天地波识别与分离模块、载波相位跟踪模块、周期识别跟踪模块、数据解调解码模块、自主定时校频模块和时延修正模块。自适应陷波模块实现对窄带干扰信号数量及其频率的自动检测，通过自适应陷波算法实现对窄带干扰的抑制，然后将经过处理的信号送至FIR带通滤波模块；FIR带通滤波模块实现对噪声与干扰的进一步抑制，然后将经过处理的信号传输送至自动搜索捕获模块；自动搜索捕获模块根据BPL授时信号的组重复周期和主台的相位编码特征，通过包络提取、包络延迟、相乘累积、峰值检测和捕获判决四个过程实现对BPL长波授时信号的搜索捕获，产生捕获成功标识信号送至天地波识别与分离模块；天地波识别与分离模块根据天波时延特征实现天地波信号的识别和分离，并将分离得到的地波信号送至载波相位跟踪模块；载波相位跟踪模块采样科斯塔斯环实现载波同步，提取BPL各脉冲的载波相位信息送至周期识别跟踪模块和数据解调解码模块；周期识别跟踪模块采样延迟锁定环实现对BPL授时信号脉冲周期的初步识别，然后结合载波相位信息实现对BPL授时信号脉冲第三周正向过零点的识别与跟踪，并产生周期识别跟踪成功标识信号送至数据解调解码模块和自主定时控制模块；数据解调解码模块根据载波相位信息，采样交叉相关检测的方法实现对BPL时码数据的解调，每组脉冲解调得到7bit的调制信息，然后进行RS纠错解码和CRC循环冗余校验解码得到BPL授时信号携带的时间信息，并将时间信息送至自主定时控制模块和控制显示输出单元；自主定时校频模块根据时间信息和BPL长波授时信号发播的时间原理实现自主定时控制产生1PPS定时信号送至时延修正模块，根据载波相位信息，通过频率合成的方式实现对本地晶振频率的校准，产生10MHz频率信号送至控制显示输出单元；时延修正模块设置GPS接收机，GPS有效时，通过测量GPS接收机的1PPS信号和BPL的1PPS信号之间的时差，调整BPL的1PPS相位实现时延修正，所述时延包括传播时延、接收机时延和周期时延，GPS无效时，根据人工键盘输入的接收机坐标计算信号的传播时延并修正，根据输入的接收机标定时延进行接收机时延和周期时延修正，然后将经过时延修正的1PPS信号送至控制显示输出单元。

所述控制显示输出单元包括恒温晶振、阵列键盘、液晶显示屏、信号处理输出模块和显示控制模块。恒温晶振为接收机工作提供10MHz的频率信号；阵列键盘完成对接收机的参数配置输入，所述参数包括组重复周期、接收机坐标和接收机时延；液晶显示屏完成对时间信息和工作状态的显示；信号处理输出模块完成对1PPS和10MHz信号的调理并通过BNC接头输出，同时完成对时间信息的电平转换并通过串口输出；显示控制模块完成对液晶显示屏显示内容以及操作菜单的显示与控制。

参照图1，本发明的BPL长波定时校频接收机功能结构包括天线单元、射频信号处理单元、AD采样单元、基带信号处理单元和控制显示输出单元。其中，天线单元包括接收天线、天线耦合器和馈线电缆；射频信号处理单元包括模拟滤波器、射频放大器和自动增益控制器；AD采样单元包括AD转换器；基带信号处理单元包括自适应陷波模块、FIR带通滤波模块、自动搜索捕获模块、天地波识别分离模块、载波相位跟踪模块、周期识别跟踪模块、数据解调解码模块、自主定时校频模块和时延修正模块；控制显示输出单元包括恒温晶振、阵列键盘、液晶显示屏、信号处理输出模块和显示控制模块。

参照图2，本发明的主要信号处理流程包括：

(1)BPL长波授时信号经过天线单元和射频信号处理单元的接收处理送至AD采样单元；AD采样单元实现对信号的采样、量化和编码处理，并将完成处理的数字信号送至基带信号处理单元。

(2)BPL长波授时信号在基带信号处理单元经过自适应陷波和FIR带通滤波后分为三个支路：第一个支路用于进行增益控制计算，增益控制计算完成后将控制量反馈送至射频信号处理单元的自动增益控制模块实现对BPL长波授时信号幅度的控制；第二个支路与本地正弦信号进行混频后经过低通滤波形成Q支路；第三个支路与本地余弦信号进行混频后经过低通滤波形成I支路。

(3)将I、Q支路数据分别平方后进行相加处理，得到BPL长波授时信号的包络平方数据，将包络平方数据通过SRAM进行延迟后与未延迟的包络平方数据进行相乘，然后将相乘结果通过移位寄存器和累加寄存器进行累积，最后将累积结果(延迟相关峰值)送至DSP进行处理，DSP通过峰值检测和捕获判决，产生捕获成功标识信号并送至FPGA。

(4)将I支路数据分别与本地产生的BPL早、迟码进行相乘累积，将得到早码相关值和迟码相关值通过数据总线送至DSP，DSP通过早迟码鉴相(EML)和峰值检测判决后计算得到包络控制字，并将包络控制字通过数据总线送给FPGA的包络发生器用于产生调整本地的BPL早、迟码相位，同时结合载波相位信息即可完成BPL长波授时脉冲周期的识别与跟踪。

(5)将I、Q支路数据通过数据总线送至DSP，DSP通过对I、Q支路进行鉴相和环路滤波，计算得到载波频率控制字送给FPGA的DDS，用于调整本地载波频率与BPL长波授时信号载波频率的同步；同时根据鉴相结果，采用交叉相关检测的方式得到BPL相位调制信息，然后通过解调判决、图样对应、移位组帧和帧头检测四个步骤210bit的BPL信号调制的数据信息，然后将其送给FPGA进行RS纠错解码和CRC循环冗余校验得到56bit的BPL时间数据，最后根据BPL时间数据和BPL长波授时信号发播的时间原理进行自主定时产生1PPS，再结合载波相位信息通过频率综合的方式产生10MHz；同时将BPL时间数据通过数据总线送至ARM进行电文解算得到UTC时间信息，然后将UTC时间信息通过显示屏显示和串口输出。

参照图3，本发明的基带电路结构包括恒温晶振、液晶显示屏、阵列键盘、FPGA、DSP、ARM、SRAM、FALSH、DDS。

所述恒温晶振为10MHz；

所述液晶显示屏采用192×64；

所述阵列键盘包括4×3的数字键盘和2×3的功能键盘；

所述FPGA采用Altera公司的Cyclone EP3C120芯片；

所述DSP采用TI公司的TMS320C6713芯片；

所述ARM采用LPC2214芯片；

所述SRAM采用IS61LV512芯片；

所述FALSH采用SST39VF1601芯片；

所述DDS采用AD9854芯片。

Claims (4)

1.一种BPL长波定时校频接收机，包括天线单元、射频信号处理单元、AD采样单元、基带信号处理单元和控制显示输出单元，其特征在于：所述的天线单元接收BPL长波授时信号，由射频信号处理单元对接收到的信号进行预滤波、幅度放大、自动增益控制和匹配处理，并由AD采样单元进行模数转换，AD采样单元将得到的数字信号传输送至基带信号处理单元；基带信号处理单元首先将接收到的数字信号进行自适应陷波和FIR带通滤波处理，然后在滤波处理后的信号中搜索捕获BPL长波授时信号，待捕获完成后对BPL信号进行天地波的识别与分离和载波相位跟踪，接着对BPL长波授时信号进行脉冲周期的识别，寻找并跟踪BPL脉冲信号的第三周正向过零点，然后基于载波相位信息实现对BPL时码数据的解调解码和自主定时校频，并将时间信息、1PPS定时信号和10MHz信号传输送至控制显示输出单元。

2.根据权利要求1所述的BPL长波定时校频接收机，其特征在于：所述射频信号处理单元包括模拟滤波器、射频放大器、自动增益控制器，模拟滤波器完成对BPL授时信号的模拟滤波处理，射频放大器完成对BPL授时信号的幅度放大处理，自动增益控制器完成对BPL授时信号的幅度控制以满足AD采样单元对信号幅度的要求。

3.根据权利要求1所述的BPL长波定时校频接收机，其特征在于：所述基带信号处理单元包括自适应陷波模块、FIR带通滤波模块、自动搜索捕获模块、天地波识别与分离模块、载波相位跟踪模块、周期识别跟踪模块、数据解调解码模块、自主定时校频模块和时延修正模块，自适应陷波模块实现对窄带干扰信号数量及其频率的自动检测，通过自适应陷波算法实现对窄带干扰的抑制，然后将经过处理的信号送至FIR带通滤波模块；FIR带通滤波模块实现对噪声与干扰的进一步抑制，然后将经过处理的信号传输送至自动搜索捕获模块；自动搜索捕获模块根据BPL授时信号的组重复周期和主台的相位编码特征，通过包络提取、包络延迟、相乘累积、峰值检测和捕获判决四个过程实现对BPL长波授时信号的搜索捕获，产生捕获成功标识信号送至天地波识别与分离模块；天地波识别与分离模块根据天波时延特征实现天地波信号的识别和分离，并将分离得到的地波信号送至载波相位跟踪模块；载波相位跟踪模块采样科斯塔斯环实现载波同步，提取BPL各脉冲的载波相位信息送至周期识别跟踪模块和数据解调解码模块；周期识别跟踪模块采样延迟锁定环实现对BPL授时信号脉冲周期的初步识别，然后结合载波相位信息实现对BPL授时信号脉冲第三周正向过零点的识别与跟踪，并产生周期识别跟踪成功标识信号送至数据解调解码模块和自主定时控制模块；数据解调解码模块根据载波相位信息，采样交叉相关检测的方法实现对BPL时码数据的解调，每组脉冲解调得到7bit的调制信息，然后进行RS纠错解码和CRC循环冗余校验解码得到BPL授时信号携带的时间信息，并将时间信息送至自主定时控制模块和控制显示输出单元；自主定时校频模块根据时间信息和BPL长波授时信号发播的时间原理实现自主定时控制产生1PPS定时信号送至时延修正模块，根据载波相位信息，通过频率合成的方式实现对本地晶振频率的校准，产生10MHz频率信号送至控制显示输出单元；时延修正模块设置GPS接收机，GPS有效时，通过测量GPS接收机的1PPS信号和BPL的1PPS信号之间的时差，调整BPL的1PPS相位实现时延修正，所述时延包括传播时延、接收机时延和周期时延，GPS无效时，根据人工键盘输入的接收机坐标计算信号的传播时延并修正，根据输入的接收机标定时延进行接收机时延和周期时延修正，然后将经过时延修正的1PPS信号送至控制显示输出单元。

4.根据权利要求1所述的BPL长波定时校频接收机，其特征在于：所述控制显示输出单元包括恒温晶振、阵列键盘、液晶显示屏、信号处理输出模块和显示控制模块；恒温晶振为接收机工作提供10MHz的频率信号；阵列键盘完成对接收机的参数配置输入，所述参数包括组重复周期、接收机坐标和接收机时延；液晶显示屏完成对时间信息和工作状态的显示；信号处理输出模块完成对1PPS和10MHz信号的调理并通过BNC接头输出，同时完成对时间信息的电平转换并通过串口输出；显示控制模块完成对液晶显示屏显示内容以及操作菜单的显示与控制。