基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及時(shí)間同步技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 時(shí)間同步不僅在人們?nèi)粘Ｉ钪姓紦?jù)著重要的位置，也對(duì)國(guó)家的國(guó)防、軍事起著 至關(guān)重要的作用。隨著社會(huì)科學(xué)生產(chǎn)力的快速發(fā)展，時(shí)鐘同步的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。當(dāng) 前人們需要實(shí)時(shí)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(zhǔn)確且可靠的傳遞就需要有高精度的時(shí)間同步。
[0003] 隨著高精度原子鐘技術(shù)的發(fā)展，時(shí)間計(jì)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(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)共同促進(jìn)了時(shí)間同步技術(shù)的發(fā)展，大幅度提高了時(shí)間 同步的精度。
[0004] 目前，高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)有單向時(shí)間同步和雙向時(shí)間同步等方法。單向時(shí)間 同步和雙向時(shí)間同步方法都是通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，這些無(wú)線信號(hào)采用的信號(hào) 頻段無(wú)論是微波、短波或長(zhǎng)波，都多少會(huì)周?chē)系K物（高樓、高植被或地球曲面等）的遮擋， 而使得時(shí)間同步終端之間不能直視，這會(huì)影響傳輸距離或時(shí)間同步精度，甚至使得終端不 能實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有時(shí)間同步方式會(huì)因周?chē)系K物而影響傳 輸距離或時(shí)間同步精度，提供一種基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)，其可以實(shí)現(xiàn)非直視 各終端之間的時(shí)間同步和數(shù)據(jù)傳輸。
[0006] 為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)，由信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接收部分組成；其中 信號(hào)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(hào)接收單元；接收天 線將接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)接收射頻前端單元的處理后下變頻至模擬中頻信號(hào)；該模擬中 頻信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)；同步信號(hào)接收單元對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)做載波解 調(diào)和偽碼解擴(kuò)，并把解調(diào)出的電文數(shù)據(jù)信息輸出，同時(shí)根據(jù)接收信號(hào)中包含的時(shí)間信息輸 出秒脈沖信號(hào)；信號(hào)發(fā)射部分包括同步信號(hào)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(hào)生成單元利用信號(hào)接收部分輸出的秒脈沖信號(hào)馴服本地時(shí)鐘的秒脈沖信 號(hào)，并對(duì)信號(hào)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(hào)；DA轉(zhuǎn)換器 件將調(diào)制好的數(shù)字中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)；該模擬中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射射頻前端單元 上變頻至射頻信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去。
[0008] 上述同步信號(hào)生成單元包括基準(zhǔn)秒脈沖生成模塊、時(shí)鐘管理模塊、通信模塊、擴(kuò)頻 碼生成模塊、載波生成模塊和信號(hào)調(diào)制模塊；基準(zhǔn)秒脈沖生成模塊，利用信號(hào)接收部分輸出 的秒脈沖信號(hào)馴服本地時(shí)鐘，并送入時(shí)鐘管理模塊；時(shí)鐘管理模塊，完成輸入時(shí)鐘的鎖相和 倍頻，為系統(tǒng)提供全局穩(wěn)定時(shí)鐘；通信模塊，把來(lái)自信號(hào)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(kuò)頻碼生成模塊，用于產(chǎn)生擴(kuò)頻碼；載波生成模 塊，用于產(chǎn)生載波；信號(hào)調(diào)制模塊，根據(jù)產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼和載波，完成通信電文的擴(kuò)頻和載波 調(diào)制，并發(fā)送至DA轉(zhuǎn)換器。
[0009] 上述基準(zhǔn)秒脈沖生成模塊包括時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)比較器、電壓轉(zhuǎn)換器和壓控晶振； 時(shí)鐘計(jì)數(shù)器接收信號(hào)接收部分輸出的秒脈沖信號(hào)，并在秒脈沖信號(hào)的控制下對(duì)壓控晶振 的CLK時(shí)鐘輸出計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)比較器將時(shí)鐘計(jì)數(shù)器輸出的實(shí)際CLK時(shí)鐘個(gè)數(shù)與壓控晶振的額 定CLK時(shí)鐘個(gè)數(shù)進(jìn)行比較，判斷壓控晶振的時(shí)鐘快慢；電壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)計(jì)數(shù)比較器判斷的 壓控晶振的時(shí)鐘快慢結(jié)果，去改變壓控晶振的控制電壓；壓控晶振向時(shí)鐘計(jì)數(shù)器輸出實(shí)際 CLK時(shí)鐘個(gè)數(shù)，同時(shí)接受控域電壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的控制，并最終實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘馴服。
[0010] 上述同步接收模塊包括同步信號(hào)捕獲模塊、相干器、同步信號(hào)跟蹤模塊、秒脈沖信 號(hào)的輸出模塊和信號(hào)同步解碼模塊；同步信號(hào)捕獲模塊，通過(guò)對(duì)接收射頻前端單元輸出的 數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行降采樣處理、數(shù)字相關(guān)運(yùn)算、非相干累加處理和峰值檢測(cè)處理后，完成對(duì) 信號(hào)的搜索，獲得電文數(shù)據(jù)的碼相位和載波頻率；相干器，對(duì)同步信號(hào)捕獲模塊輸出的碼相 位和載波頻率做相關(guān)運(yùn)算得到積分值；同步信號(hào)跟蹤模塊，根據(jù)同步信號(hào)捕獲模塊輸出的 碼相位和載波頻率，完成對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)的解調(diào)和解擴(kuò)，并對(duì)相干器輸出的積分值進(jìn)行鑒 頻和鑒相處理；秒脈沖提取模塊，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)以后，本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼碼 相位與接收信號(hào)的擴(kuò)頻碼碼相位保持同步，由此獲得秒脈沖信號(hào)；信號(hào)同步解碼模塊，對(duì)同 步信號(hào)跟蹤模塊輸出的信號(hào)進(jìn)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(shí)用新型不受周?chē)系K物，并能夠?qū)崿F(xiàn)非直視各終端之間的 時(shí)間同步和數(shù)據(jù)傳輸。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼方法的原理圖。
[0013] 圖2為基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖3為信號(hào)生成的流程圖。
[0015] 圖4為同步信號(hào)生成單元的原理框圖。
[0016] 圖5為基準(zhǔn)秒脈沖生成模塊的原理框圖。
[0017] 圖6為信號(hào)接收模塊的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 一種基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)，如圖1所示，由信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接 收部分組成。信號(hào)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(hào)接收 單元；接收天線將接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)接收射頻前端單元的處理后下變頻至模擬中頻信 號(hào)；該模擬中頻信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)；同步信號(hào)接收單元對(duì)數(shù)字中頻 信號(hào)做載波解調(diào)和偽碼解擴(kuò)，并把解調(diào)出的電文數(shù)據(jù)信息輸出，同時(shí)根據(jù)接收信號(hào)中包含 的時(shí)間信息輸出秒脈沖信號(hào)。信號(hào)發(fā)射部分包括同步信號(hào)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(hào)生成單元利用信號(hào)接收部分輸出的秒脈沖信號(hào)馴服本地時(shí) 鐘的秒脈沖信號(hào)，并對(duì)信號(hào)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(hào)；DA轉(zhuǎn)換器件將調(diào)制好的數(shù)字中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)；該模擬中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射 射頻前端單元上變頻至射頻信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去。
[0019] 系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要是由FPGA和DSP組成，如圖2所示，信號(hào)發(fā)射部分主要由FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)，而信號(hào)接收部分主要由FPGA+DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，另外再加上一些外圍器件構(gòu)成。在信 號(hào)接收過(guò)程中，信號(hào)處理過(guò)程分為捕獲、跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)和秒脈沖提??；其中信號(hào)的捕獲在 FPGA中進(jìn)行，其他處理是用DSP實(shí)現(xiàn)。在信號(hào)發(fā)射過(guò)程中，信號(hào)生成部分包括本地時(shí)鐘馴 月艮、基準(zhǔn)秒脈沖生成、信息編碼和信號(hào)調(diào)制。
[0020] 下面詳細(xì)介紹其組成：
[0021] 1、同步信號(hào)生成部分
[0022] 信號(hào)發(fā)射部分的主要功能是基準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)的生成、通信電文編碼、信號(hào)調(diào)制、數(shù) 模轉(zhuǎn)換、上變頻和天線發(fā)射。利用信號(hào)接收部分獲得的秒脈沖馴服本地時(shí)鐘，并利用本地產(chǎn) 生馴服時(shí)鐘的秒脈沖作為基準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。信號(hào)接收部分以該基準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)為基準(zhǔn)，同 步產(chǎn)生擴(kuò)頻碼、載波、編碼和信號(hào)調(diào)制，其中，編碼是對(duì)信號(hào)接收部分解調(diào)出的通信電文重 新編碼。信號(hào)生成的流程如圖3所示。
[0023] 首先對(duì)信號(hào)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(guò)乘法器做模二加運(yùn)算，形成包含數(shù)據(jù)信息的復(fù)合 碼。最后將該復(fù)合碼再與余弦信號(hào)AcosQjif^t+e)做BPSK調(diào)制得到數(shù)字中頻信號(hào)f(t)， 數(shù)學(xué)表達(dá)式為
[0024]f(t) =A(x(t) ?D(t)) ?cos(2nf〇t+ 0 ) (1)
[0025] 其中，A為信號(hào)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(hào)再進(jìn)入到AD轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后通后上變頻器上變頻為射頻信號(hào)發(fā) 射出去。
[0026] 發(fā)射信號(hào)結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0027] 信號(hào)的主要組成部分分為：電文、擴(kuò)頻碼、載波。主要的信號(hào)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(kuò)頻方式：直接序列擴(kuò)頻0>SSS);
[0031] ④.擴(kuò)頻碼碼片速率：lMcps;
[0032] ⑤.擴(kuò)頻碼：Gold碼（1000個(gè)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(hào)的FPGA實(shí)現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)
[0036] 基帶信號(hào)的生成是基于FPGA硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)部分主要包 括基準(zhǔn)秒脈沖生成模塊、時(shí)鐘管理模塊、通信模塊、擴(kuò)頻碼生成模塊、載波生成模塊和信號(hào) 調(diào)制t吳塊。
[0037] 1. 1、基準(zhǔn)秒脈沖生成模塊
[0038] 利用信號(hào)接收部分的秒脈沖信號(hào)馴服壓控晶振（VC0)原理框圖如圖5所示，時(shí)鐘 計(jì)數(shù)器對(duì)本地壓控晶振的CLK時(shí)鐘輸出計(jì)數(shù)，例如，本振為16MHz的晶振，每秒應(yīng)該輸出 6400000個(gè)時(shí)鐘數(shù)。在信號(hào)接收部分的pps秒脈的上升沿比較，并用計(jì)數(shù)比較器對(duì)兩個(gè)計(jì)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(gè)數(shù)，如果An大于0,說(shuō)明本地時(shí)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(fù)載電容，使其振蕩頻率變小，即每秒輸出 的CLK時(shí)鐘數(shù)變??；相反，如果An小于0,說(shuō)明本地時(shí)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(fù)載電容，使其振蕩頻率變大，即每秒輸出的CLK時(shí)鐘數(shù)變大。
[0041] 在本實(shí)用新型中秒脈沖要實(shí)現(xiàn)高精度輸出，還需要確定生成秒脈沖信號(hào)的最小時(shí) 間刻度標(biāo)準(zhǔn)，本最小時(shí)間刻度決定了秒脈沖信號(hào)的生成精度。在本系統(tǒng)中所采用的信號(hào)體 制為擴(kuò)頻調(diào)制和BPSK載波調(diào)制，而擴(kuò)頻調(diào)制中采用的對(duì)擴(kuò)頻碼為GL0D碼。設(shè)擴(kuò)頻碼的周 期為N，即一個(gè)擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度有N個(gè)碼片，碼速率為K(Mcps)，那么擴(kuò)頻碼持續(xù)一個(gè)周期的時(shí) 間T為
[0042]
(3)
[0043] 一個(gè)碼片的時(shí)間寬度為1\為
[0044]
(4)
[0045] 信號(hào)接收部分對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行跟蹤處理時(shí)，跟蹤環(huán)路中的碼環(huán)通過(guò)不斷調(diào)整 本地產(chǎn)生的碼相位，保持與接收信號(hào)中的碼相位達(dá)到一致。若本地時(shí)鐘精度高的話，那么 接收信號(hào)中一個(gè)碼片的時(shí)間寬度T2應(yīng)該十分接近于Ti。如果以一個(gè)碼片作為計(jì)時(shí)刻度的 標(biāo)準(zhǔn)，那么在信號(hào)產(chǎn)生端累計(jì)KXTiXlO6個(gè)碼片所需要的時(shí)間應(yīng)該與信號(hào)接收部分累加 KXT2X106個(gè)碼片所需的時(shí)間接近，若這兩個(gè)數(shù)值有差別，微調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘，使得這兩個(gè)脈 沖信號(hào)的相對(duì)位置基本是固定的，即系統(tǒng)也就達(dá)到了時(shí)間同步。
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