调频广播授时信号的接收技术研究

柯小燕,向渝,王善和,华宇

(1.中国科学院 国家授时中心,西安 710600；2.中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室,西安 710600；3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引言

我国调频广播的频率范围为87～108 MHz,各电台频道带宽为200 kHz[1],利用53～100 kHz频段可以扩展出RDS,SCA1,SCA2等多个附加信道以提高频率的利用率,如RDS附加信道用于城市交通车辆定位系统、SCA附加信道用于气象预警信息发布系统等。本文选用调频广播的SCA1附加信道来发送标准时间信息。调频广播可以实现优于毫秒级别的授时精度。利用现有的调频广播的SCA附加信道传递标准时间信息不会对调频广播造成干扰,因此是一种性价比较高的授时方法。

中国科学院国家授时中心在调频广播授时技术的研究方面已制定了具体的实施方案并有完善的实验平台。本文就调频广播授时系统做了简要的介绍,并对接收端进行了仿真,最终提取了时间信息,论证了该方案的可行性。

1 调频广播授时原理

经过对现有的FM调频广播发射系统的分析,结合时间传递方法与技术,给出了调频广播授时原理,包括授时信息的编码、插播与解调等。

1.1 系统组成

调频广播授时系统主要由现有的FM调频广播发射系统、标准时间SCA插播系统、定时接收机三大部分组成。如图1所示。

图1 FM调频广播授时系统组成框图

现有FM调频广播发射系统主要由立体声编码器、FM调频广播激励器、功放、发射天线等组成。为实现授时功能,需增加标准时间SCA(sub-carrier data channel broadcast)插播系统,其主要功能是将本地维持的标准时间信息实时编码并进行BPSK(binary phase shift keying)调制,生成满足SCA附加信道要求的副载波调制信号,然后由FM(frequency modulation)调频广播激励器将其与立体声信号相加后对主载波进行FM调制,再经功放后由发射天线发射出去[2-4]。在接收端用定时接收机接收该广播信号,经下变频和基带处理从副载波中解调出时间信息。

1.2 系统授时原理

我国的调频广播主要采用导频制双声道调频立体声广播制式。单个电台频谱分布如图2所示。其中,SCA1频段的中心频率为67 kHz,SCA2频段的中心频率为92 kHz,均可作为调频附加信道传输信息,且在原理上是一致的[5]。在本方案中选用SCA1频段来发送授时信息。

图2 调频广播频谱分布图

调频附加信道数据广播是利用现有调频广播的附加信道来传送各种业务信息的调频多工数据广播技术,它可以使同一部发射机在同一个主频率上,除了传送原有的广播节目外,还可以在附加信道同时传送一路或多路的语言、数据节目,实现“一主多副”的调频多工广播[6-7]。

根据我国GB4311-2000国家标准[8]规定：SCA信道副载波对主载波调制的最大频偏为±7.5 kHz,因此为保证授时信号插播的可靠性,在本方案中,授时基带信号带宽设计为 5 kHz。信号帧周期设计为1 s,帧结构如图3所示,其中帧头由一组127个码片的伪随机码序列构成,其生成多项式为x7+x3+1,简称为PN0码,其第一个码片上升沿与标准秒时刻对齐；授时信息由11 bit的起始符、34 bit的时间信息及8 bit的CRC校验位组成；保留位占24 bit,用全零填充,该部分信息用周期为63码片的伪随机序列进行扩频生成3 339码片的授时信息和1 534码片的保留位。伪随机序列生成多项式为x6+x+1。

图3 帧结构

系统发射端的原理如图4所示,由标准时间编码器将标准时间信息编码,由BPSK调制器将信号调制到SCA1频段(中心频率67 kHz)。然后将调制信号与立体声广播信号相加并进行FM调制,经高功放、发射天线对外广播。其中,BPSK调制的基带信号是用M序列发生器产生的,利用数字信号的离散值控制载波的相位,在抗干扰能力和信号频谱利用率方面,相比ASK,FSK,PSK性能最好。

图4 系统发射端组成框图

接收端的原理如图5所示,对接收到的调频广播授时信号下变频得到中频信号,通过带通滤波器后进行FM解调,再经过中心频率为67 kHz带宽5 kHz的带通滤波得到BPSK调制信号；对调制信号用costas环捕获、跟踪并解调,采用码长为127的PN0码相关,得到帧头,用码长为63的PN1码解调出时码。当接收机处于稳定跟踪状态时,根据PN0码的相关峰可得到1 PPS信号,根据PN1码的相关结果解出时码信息。上述过程的仿真实验,将在后续内容中作详细说明。

图5 系统接收端原理框图

2 解调技术

本节按照FM解调、PN码捕获与跟踪、时码解调的顺序阐述调频广播授时的流程。

2.1 调频广播授时信号的非相干解调

SCA副载波调制信号属于窄带调频信号,可以采用相干解调和非相干解调两种[9-11]解调方法,在本文的仿真过程中选择用非相干解调方法进行解调。

如图6所示,非相干解调器由限幅器及带通滤波器、鉴频器和低通滤波器等组成。限幅器输入为已调频信号和噪声,限幅器的作用是为了消除接收信号在幅度上可能出现的畸变；带通滤波器的作用是用来限制带外噪声及高次谐波分量,使调频信号顺利通过。鉴频器中的微分器把幅度恒定的调频波SFM(t)变成幅度和频率都随调制信号m(t)变化的调幅调频波Sd(t)。

图6 FM非相干解调模型

设输入调频信号为

(1)

式(1)中,A为信号幅度,ωc为载波频率,Kf是调制系数,则微分器输出为

(2)

包络检波的作用是从输出信号的幅度变化中检出调制信号。包络检波器输出为

So(t)=Kd[ωc+Kfm(t)]=Kdωc+KdKfm(t)。

(3)

式(3)中,Kd为鉴频灵敏度(单位是V/Hz),是已调信号单位频偏对应的调制信号的幅度,经低通滤波器后加隔直流电容,隔除无用的直流,得到解调输出

mo(t)=KdKfm(t)。

(4)

在本仿真实验中,选择频点为93.5 MHz的调频广播信号作为测试对象。接收端首先将93.5 MHz的广播信号下变频至200 kHz,以5倍的采样率采样,即fs=1 000 kHz。采用非相干解调的方法对采集到的数据做微分变换,并提取包络,得到频谱如图7所示。

经过微分和解包络的广播信号,即实现了式(2)和(3)变换,再经过带通滤波保留有用信号,即可进行下一步的BPSK解调。根据授时基带信号带宽的设计,仿真实验中所采用的带通滤波器的参数为62 kHz～72 kHz,带通滤波后的结果如图8所示。

2.2 PN码的捕获与跟踪

对于无离散载频分量的信号,可以采用非线性变换的方法从信号中获取载频,常用的方法有平方环法和科斯塔斯环法。平方环法在载波频率上进行平方运算,使得频率倍增,实现难度大[9,12]。而科斯塔斯环则用相乘器和较简单的低通滤波器取代平方器,因此,在本仿真中,选用科斯塔斯环法提取载波,其原理如图9所示。

图7 微分解包络后的信号频谱图 图8 带通滤波后的包络频谱图

图9 科斯塔斯环法原理框图

接收信号S(t)=e(t)cos(ωct+θ)被送入两路相乘器分别于本地产生的I路和Q路分别相乘,得到c点和d点的电压：

(5)

(6)

式(5)和(6)中,θ和φ分别代表接收信号和本地载波的初始相位,e(t)代表信号幅度。经过低通滤波得:

(7)

(8)

vf除以ve并求反正切即可得到环路滤波的输入,即vg=φ-θ。用vg不断更新本地载波频率,缩小频偏以达到频率跟踪。跟踪结果如图10所示。

本文仿真实验所用扩频码由两组PN码,PN0和PN1组成。PN0用于检测帧头和获取本地1 PPS信号,码周期为127个码片,PN1用于对标准时间信息扩频,码周期为63个码片。PN码序列有尖锐的自相关特性,在一个码周期长度内做相关累积,其最大相关值的位置出现在完全同步PN码的结束时刻[13-14]。根据PN码的这一特性,就可以找到帧头,如图11所示。

PN0码做滑动相关,取得最大值处即是帧头出现位置,对扩频增益为127的PN码,相关峰峰值应为127或-127,因此当滑动相关值的绝对值为127时,即捕获到了帧头,输出1 PPS脉冲信号。对带宽为5 kHz的调制信号,每个码片对应的时长是0.2 ms,即200 μs。在不考虑信号传播时延的情况下,若码相关误差为码元宽度的1/10～1/100[15],则所对应的测量误差可达2～20 μs。

图10 频率跟踪结果

图11 PN0码滑动相关结果

仿真实验中,以标准秒时刻为参考,测量相关峰出现的时刻与标准秒时刻之间的时间间隔,测量时长1 h,扣除固定偏差后,其结果如图12所示,表明在仿真实验中调频广播授时精度可达到微秒级。

图12 授时精度

在PN码捕获与跟踪成功后,即可对时码进行解调。

2.3 时码解调

在捕获到帧头后,需要对帧头后的数据做进一步的解扩和时码解调。图13是待解扩的码片信息,由1,-1组成,每63个码片与PN1码作相关,相关结果大于0则输出1,小于0输出-1。

由于科斯塔斯环输出数据可能存在180° 相位模糊,导致数据反相。即解析信号中的起始符[-1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1]时,可能得到正确的数据：[-1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1]；也有可能得到翻转的数据：[1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1],因此需要判断是否存在数据翻转。采用的方法是：将环路输出的前11 bit(即起始符)与固定的[-1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1]序列作相关,结果将会是11或者-11。如果得到11,表明科斯塔斯环输出的数据是正确的；如果得到-11,表明科斯塔斯环输出的数据是翻转的,需要将每一个数据取相反数。最终将数据1用0表示,数据-1用1表示,得到只用1,0表示的时间信息,如图14所示。仿真实验中,将2015年 9月 8日 11:20:04时码数据按照图3所示时间编码的规则编码,再通过调制并对外广播,经上述步骤解调后,正确得到了原时码信息。

图13 待解扩的码片信息 图14 时间信息

3 总结

本文介绍了利用调频广播附加信道授时的原理,通过仿真实验,实现了调频广播授时信号的接收,包括调频信号的解调、PN码的捕获与跟踪,并对时码信息进行解调,提取了时间信息。通过仿真实验验证了该调频广播授时接收方案具有理论上的可行性,实际的解调效果及授时精度还有赖于具体授时系统的实现。