（测试计量技术及仪器专业论文）虚拟仪器技术在低频时码授时信号测量与监测中的应用研究.pdf

虚拟仪器技术在低频时码授时信号 测量和监测中的应用研究 摘要 低频时码授时是i t u - r 推荐的中低精度民用授时方法。目前，低频时码授时信号的 测量方法和仪器问题是i t u - r 新研究课题中非常关注和实际应用中存在的非常重要的闻 题，开发出适合低频时码授时信号特点的仪器成为低频时码授时研究和应用中的非常有 意义的事情。 本文对国际上爨翦存在的凡种低频时码授时信号进行了介缨，结合信号特点，对 低频时码授时信号的场强进行了定义。在此基础上，对场强测量方法和载波相位测量方 法进行了深入研究，给出了算法的m a r l a b 仿真结果。 结合计算机技术和传统测试技术发展起来的虚拟纹器，是连今乃至| 以是测试系统 的发展方向。本文结合虚拟仪器技术，针对实际应用，利用美国n i 公司的l a b v i e w 软 件和高速采集卡对低频时码授时信号便携式测量系统和实时监测系统的开发进行了研 究，并给纛了其硬件组成及软件结构图。 利用开发出的测量系统对接收中存在的干扰进行了研究，针对实际中出现的干 扰，采用自适应陷波滤波算法，能较好的克服该干扰。 监测系统的网络化也是本文的研究重点之一，对虚拟仪器技术中翟种流行网络化 方法进行了比较，结合监测系统的特点，选取合适的方法来实现网络化监测。 关键词：低频时码授时，虚拟仪器，l a b v l e w ，场强测量，相攮测量，监测，滤波，露 络化测试 t h er e s e a r c ho na p p l y i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt om e a s u r e a n dm o n i t o rl o w - - f r e q u e n c yt i m e c o d e st i m es e r v i c es i g n a l l i uz h i f a n g ( m e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t s ) d i r e c t e db yw ug u i c h e n a b s t r a c t l o w f r e q u e n c yt i m e - c o d e st i m es e r v i c ei sr e c o m m e n d e db yi t u ri nm i d d l eo rl o wp r e c i s i o nt i m e s e r v i c es y s t e m s a tp r e s e n t , t h em e a s u r i n gm e t h o da n d i n s t r u m e n t a t i o nw h i c hi sn o t i c e di n i t u - rn e wq u e s t i o n si n f l u e n c i n gt h ea p p l i c a t i o no fl o w - f r e q u e n c yt i m e - c o d e st i m es e r v i c e s y s t e ms e v e r e l y i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pa p p r o p r i a t ei n s t r u m e n t a t i o nt om e a s u r et h e t r a n s m i t t e ds i g n a li nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s s e v e r a lf o r m a t so fl o w - 丘c q u e n c yt i m e - c o d e ss i g n a lw e r ei n 仃o d u c e & i n c l u d i n gd c f 7 7 ， 】ha n db p c b a s e do nt h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ed e f i n i t i o no fs i g n a lf i e l ds t r e n g t hi sg i v e n f u r t h e r m o r e ，t h ea r i t h m e t i ct om e a s u r ef i e l ds t r e n g t ha n dc a r r i e rp h a s ei sd i s c u s s e da n d s i m u l a t e db ym a t l a b t h es i m u l a t i o nf i g u r e st h a tt h ea r i t h m e t i cw o r k sv e r yw e l l v m l m li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y , c o m b i n e dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a lt e s t i n g t e c h n o l o g y , i st h ef u t u r eo ft h em o d e r nt e s t i n gs y s t e ma n di sv e r yb e f i t t i n gt ob ea p p l i e di n m e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gl o w - f r e q u e n c yt i m e - c o d et i m es e r v i c es i g n a l t h ep o r t a b l eb p c m e a s u r i n gs y s t e ma n dm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hs o f t w a r el a b v i e wa n dd a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) c a r d sa r ed i s c u s s e d t h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n ds o f t w a r es t r u c t u r ea r ep r e s e n t e d w i t ht h e d e v e l o p e di n s t r u m e n t a t i o n , t h e i n t e r f e r e n c ei n r e c e i v i n gl o w - f r e q u e n c y t i m e - c o d e ss i g n a li ss t u d i e d t h e r ei ss o m en a r r o wb a n di n t e r f e r e n c e i nt h er e c e i v e ds i g n a l w h i c hw i l ls e v e r e l yd a m a g et h ea p p l i c a t i o n t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ei n t e r f e r e n c e c a nb ec a n c e l l e db ya d a p t i v et r a pf i l t e rv e r yw e l l a n o t h e ri m p o r t a n tp a r ti st or e l e a s et h em o n i t o r i n gr e s u l to nt h ei n t e r a c t a f t e rc o m p a r e d t h ef o u rm e t h o d su s e di nv i r t u a li n s t r u m e n t s ，t h er e s u l tr e l e a s e so nt h ew e bb yr e m o t ep a n e l a n dd a t a s o c k e tt e c h n o l o g y , k e yw o r d s ：l o w - f r e q u e n c yt i m e - c o d et i m es e r v i c e ，v i r t u a li n s t r u m e n t , l a b v i e w , f i e l d s t r e n g t hm e a s u r e m e n t ，c a r r i e rp h a s em e a s u r e m e n t , m o n i t o r , f i l t e r , n e t w o r kt e s t i n g 玎 第一章引言 第一章引言 本章对本论文的研究背景和意义，以及国内外低频时码信号测试仪器的现 状进行了介绍简要介绍了本论文的内容安排和重难点 1 1 绪言 随着电子技术的发展，在计算机技术突飞猛进的推动下，测试技术正在向 自动化、智能化方向发展，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪 器和测试系统得到了迅猛发展，使得测量仪器和数据采集系统的设计方法和实现 技术产生了深刻的变化。 早在上世纪8 0 年代，美国的国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 就提出了“虚拟仪器 的概念。所谓虚拟仪器，就是用户在通用的计算 机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能。虚拟仪器采用计 算机开放体系结构来取代传统的单机测量仪器。将传统测量仪器中的公共部分 ( 如电源、操作面板、显示屏幕、通信总线和c p u ) 集中起来由计算机共享，通 过计算机仪器扩展板卡和应用软件在计算机上实现多种物理仪器。虚拟仪器的突 出优点就是与计算机技术结合，仪器就是计算机，主机供货渠道多、价格低、维 修费用低，并能进行升级换代；虚拟仪器功能由软件确定，用户可以根据实际生 产环境变化的需要，通过更换应用软件来拓展虚拟仪器功能，适应实际科研、生 产需要；另外，虚拟仪器能与计算机的文件存储、数据库、网络通信等功能相结 合，具有很大的灵活性和拓展空间。 虚拟仪器的出现引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络 技术得以长驱直入进入仪器领域，并与仪器技术结合起来，开创了“软件就是仪 器 的时代。虚拟仪器是仪器领域中的新概念，它使整个电测仪器领域从设计、 制造、销售、维修到服务、咨询都出现了一种全新的模式。虚拟仪器的出现，使 传统的硬件仪器受到了前所未有的巨大挑战，是2 0 世纪仪器领域中的一次划时 代的实践。它将在促进科技进步，创造良好的社会效益和经济效益方面发挥卓越 第一章引言 作用并表现出强大生命力，是2 1 世纪电测仪器的发展方向。 1 2 研究背景和意义 时码授时在授时信号中加进时间编码，使其同时具有模拟信号和数字 信号的特点，是国际电信联盟( i t u ) 一直鼓励和推荐使用的技术，认为该技术尤 其适用于发展中国家使用。为了提高接收时码信息的可靠性，节约频谱资源， i t u - r 建议时码信息以低速率方式在信道中进行传播。而低频电波在地面和电离 层之间以多种模式进行传播，损耗小，相位稳定性高，覆盖范围广，非常适合承 载时码信号。由于低频时码授时信号采用数字编码，可以更方便的利用微电子技 术和数字信号处理技术，大大降低使用的成本和接收器的体积。 世界上多个发达国家早已使用此项技术。如英国国家物理实验室( n p l ) 早 在1 9 5 0 年就采用m s f ( 电台呼号) 时码信号，并于1 9 9 6 年起连续2 4 小时不间 断发播；美国国家标准技术局( n i s t ) 与1 9 6 5 年利用低频w w v b 发射台发播时码 信号；1 9 7 3 年，德国物理研究所( p t b ) 控制下的d c f 7 7 电台开始发播b c d 时码。 近十年来，在微电子技术的发展和广泛应用的推动下，这些国家进入了时码授时 技术的新一轮的完善和开发使用的高潮。先是p t b 对d c f 7 7 电台的发射系统进行 了完善，并成功开发民用技术；日本国家通信技术研究所( n i c t ) 新建了两个大 功率低频时码授时台，并用此取代了全部短波授时台：n i s t 对其所辖w w v b 电台 进行了升级改造，使辐射功率从1 3 k w 增至5 0 k w 以上；今年4 月，n p l 的授时工 作从工作了8 0 多年位于r u g b y 的电台向西海岸新电台的转移。从各发达国家对 低频时码授时台的重视，及其采取的升级、改造和重建等措施可以看出，低频时 码授时技术又将经历一个蓬勃发展，技术快速进步的阶段。 中国科学院国家授时中心与西安高华电气实业有限公司合作，于2 0 0 2 年4 月建成低频时码实验台，呼号为b p c ，发播频率为6 8 5 k h z ，采用与长波授时 b p l 天线分时公用的方式，每天发播7 小时，辐射功率约2 0 k w 。通过该实验台， 中国的低频时码授时在技术上和产业化方面已经打下了重要的基础。随着低频时 码授时在中国迅速发展，目前，该实验台已不能满足实际需求。中科院国家授时 中一t m e 与企业合作在河南省商丘市建立新的低频时码发播台，新台将于2 0 0 7 年 建成发播。新建的低频时码授时台将会实现全天2 4 小时发播，辐射功率可达到 2 第一章引言 5 0 k w ，覆盖范围也会大大扩大，届时该电台的发播信号将能覆盖包括京沪等东 部大部分地区。 采用无线电电波信号进行授时时，其时间同步精度是建立在对接收信号的 传播路径的估计上的，而对场强及信号覆盖的正确测量直接关系到路径估计的准 确性。所以，信号测量问题一直是我们非常重视和研究的主要工作之一。低频时 码实验台建立以来，我们对低频时码发播信号进行了大量的测试和研究。由于目 前国内外暂还没有专门针对低频时码信号测量的专用仪器，我们只有使用代用仪 器干扰测量仪( 又称为e i v i i 接收机) 进行测试。在对利用干扰测量仪测量 得到的实验结果的分析中，我们发现在测试仪器方面存在严重的不足，主要有以 下几个问题： 1 、仪器的精度不够 干扰测量仪是对电子设备的电磁兼容性进行测试的重要工具，一般都遵循 c i s p r 标准( 电磁兼容国际标准，c i s p r 为无线电干扰特别委员会) 。在该标准中， 规定利用该仪器进行干扰测量时，其误差为_ 2 d b 。在对低频时码信号进行测量 时，2 d b 将会相当于信号在传播距离相距为十几公里的两点上的场强差。这种精 度对我们进行传播研究和实际应用来说，是不能满足要求的。 2 、无法评估当前测试环境，对噪声和干扰的状况给出评价 利用干扰测量仪来进行低频时码信号测量时，是将接收到的低频时码信号 和噪声作为整体送入检波器进行检波，得到的测量结果将是噪声和信号强度的总 和。而在实际中，我们无法知道测试环境的噪声强度。同时，干扰测量仪无法对 测量地点的噪声情况给出明确的评估，其测量数据的可靠性也需要的数据处理时 进行特别的评估，降低了数据的有效性。 3 、无法对被测信号进行采集进行事后分析和处理 在对低频时码信号的定时算法研究和抗干扰研究中，需要采集各种情况下 接收到的低频时码信号的典型标本，事后对这些标本进行针对性地研究。如果在 信号测试时，能够同时进行各种情况下标本的采集，将会对低频时码的应用研究 产生很大的帮助。而干扰测量仪采用模拟的检波方式，无法对信号波形进行记录 和储存。 4 、测量速率太慢 3 第一章引言 符合c i s p r 规范的干扰测量仪一般采用模拟的检波方式，由于测量的信号 为低频信号( 载波频率为6 8 5 k h z ) ，其检波器的充放电时间比较长，导致实际 测试时测试速率比较慢。以北京计算机一厂生产的k h 3 9 2 1 型e m i 干扰接收机为 例，在进行单频点的测量时，需要的时间为几秒，若采用与计算机通信自动记录 测量数据，需要的时间更长。在实际测试中，特别是进行天地波干涉研究时，由 于电离层的剧烈变化，天波的强度可能发生快速变化，导致接收到的天地波干涉 信号的强度也会发生快速的变化，为了通过测量信号强度来描述电离层的变化， 对天波的应用进行研究和评估，测试速率必须能够跟上电离层速率变化的速率。 若测试速率太慢，则无法捕获到整个变化过程，得到有价值的数据。 低频时码授时的应用和信号测量近年来引起了i t u r 的高度关注。2 0 0 5 年 底i t u 发通函和各成员国协商，2 0 0 6 年正式提出了两个与低频时码授时相关的 研究课题。 在新课题2 4 4 7 电干扰源对低频带内的标准频率和时间信号业务所造 成的干扰( i n t e r f e r e n c et ot h es t a n d a r df r e q u e n c ya n dt i m es i g n a ls e r v i c ei nt h e l o w - f r e q u e n c yb a n dc a u s e db yn o i s ef r o me l e c t r i c a ls o u r c e s ) 中提出，由于目前低频 时码授时的快速发展，i t u - r 决定各成员国需要在2 0 1 0 年前，对以下课题进行 研究： “在低频带，信号强度和信噪比的测量方法如何? 应采用何种仪器? 一 “在低频带，有哪些现成证据可以说明各种电磁干扰源对标准频率和时间 ( s f t s ) 业务接收的干扰影响? 一 “为减少在低频带内对由无线电控制的时钟进行的s f t s 接收造成的有害干 扰影响，可以采用哪些办法? 耪 在新课题2 4 5 7 运行于2 0 和9 0 k l - l z 之间的标准频率和时间业务之间的 干扰( i n t e r f e r e n c eb e t w e e ns t a n d a r df r e q u e n c ya n dt i m es i g n a ls e r v i c e so p e r a t i n g b e t w e e n2 0a n d9 0l d - i z ) 中提到“目前尚未很好的研究出测量信号强度的方法及标 准仪器，或此类方法和仪器尚不多见纾，提出各成员国需要在2 0 0 8 年之前，对以 下课题进行研究： “为计算信号传播及预测信号强度和信噪比( s n r ) ，目前可提供需要哪些 算法? 4 第一章引言 “应采用何种标准信号强度和信噪比测量程序? 为进行这些测量，目前可 提供需要提供何种仪器? “为测量辐射功率，应采用何种标准程序? “为限制干扰，应采用哪种方法? 从i t u - r 对目前测量仪器和算法的描述和重视上，可以发现目前在国际上， 对低频时码授时信号的研究中，合适的测试理论，方法和仪器仍然是没有完全解 决的。这些都是自前低频时码授时研究中的非常重要的问题，需要我们在这个方 面引进先进的技术和理论进行深入研究。 在低频时码的应用中，测试仪器和理论的研究是远远落后于其他理论的研 究，合适的测量仪器的缺乏已经成为了低频时码授时快速发展和推广应用中的一 个显著问题。基于实际的需要和国际上对此类问题的重视。我们认为应该尽快的 解决这个问题，对低频时码信号的场强进行明确的定义，结合信号特点提出最合 适的测量方法，在该方法的基础上研制出合适的仪器。 如果采用传统的模式来进行仪器的研制，开发一台仪器的工作量将是非常 巨大的，并且在开发的过程中，可能还会有很多无法预计到的困难。更重要的是， 开发这台仪器可能会花上几年的时间，这会为低频时码授时技术的应用带来无法 估计的负面影响。此外，相对于其他的专门化仪器来说，用于低频时码信号测量 的仪器数目和需求会比较小，研制的成本相对太高，这也是专门化的测量仪器迟 迟没有出现的原因之一。 虚拟仪器技术在通用的硬件平台上进行开发，测试功能主要由软件实现， 通过对计算机或板卡的升级可以很容易的实现硬件的升级，而通过对软件进行更 新就可以很容易实现仪器的升级，算法的改进等。n i 推出的虚拟仪器开发平台 软件l a b v i e w 给用户提供了更直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程 序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷的构筑自己在实际生产中所需 要的仪器系统创造了基础条件。利用数据采集卡和l a b v i e w 软件来进行低频时码 授时信号测量系统的开发，将会大大减少开发的成本。 在对低频电波的天地波干涉等问题进行研究时，需要非常精确地计算发射 信号与接收信号之间的损耗。但是，在实际的对低频时码信号的测量中，由于发 射信号的功率可能存在一定范围的波动，为了让外场测试的结果更接近实际情 5 第一章引言 况，对信号进行监测，将测试结果扣除发播信号的误差，也是实际中不可或缺的 步骤。此外，在实际应用中，由于低频时码授时的用户群将会非常庞大，为了对 使用的用户负责，使发播信号质量得到保证，必须对发播信号进行长期有效的监 测。 目前，我们也对低频时码实验台的发播信号进行一些监测，不过这种监测 是在发射机端进行的监测，并且监测方式还是人工的。通过对发射机端发射信号 的电流、电压进行监测，进而阀接的对发射信号进行监测。但是，这季孛监测只能 非常粗略的对发射信号进行监测，是不能满足我们的需求的，其存在的问题主要 表现在以下几个方面： 重、精度差 现有的监测系统采用的是指针式的电流和电压表，指针摆动的速度很快， 实际中人工记录和读取数据时，其有效的精度会比较差。此外，由于是对发射端 的信号进行测量，无法非常准确的反映出实际测量或者接收使用时的信号强度变 化。 2 、人工记录数据 目前对低频时码发播信号的监测还只能实现人工地记录电流，电压值，在 实际过程中，人工读数的精度比较差，在数据记录的频率也比较低，数据量小， 不能实时反映信号的变化过程。 3 、无法及时发现问题 由于只能记录发射枫端的电流、电压，所以无法发播的时码信息进行监测， 所以若发生发射端误码、发射信号频率漂移等问题时，无法察觉，及时发现问题， 丧失了监测的作用。 4 、数据共享的逶道不畅通 由于数据由人工记录，无法让更多的人能够实时的共享到这些数据，及时 了解低频时码台的发播情况。随着低频时码技术在中国的发展和用户的增多，在 低频时码发播信号酌监测中，弓| 入霹络技术，将监测数据通过霹络进行共享将是 非常必要的。 为此，我们考虑对低频时码发播信号建立新的实时监测机制。在监测中， 不仅需要有对信号的信号质量( 包括场强、相位和编码等) 进行监测，还需要引 6 第一章引言 进先进的网络技术实现监测数据的实时共享。 若采用虚拟仪器技术来对低频时码发播信号进行监测，由于虚拟仪器具有 “软件就是仪器 的特点，监测系统的硬件部分将与低频时码信号测量系统基本 一致，所需要的改动仅仅是软件方面的。这样不仅会降低系统的复杂度，面且会 大大减少开发所需要的时间和精力。 1 。3 本论文的重难点及内容安排 3 。 本论文的内容安排 本文研制了基于虚拟仪器技术的低频时码信号测量系统和实时监测系统， 并利用研制的测量仪器对低频时码信号进行了大量的测量，实时监测系统也已经 进入了实际应用阶段。 本论文正文共分五章，各章的主要内容如下所示： 继本章之后的第二章：对低频时码授时信号形式进行介绍，并重点介绍了 国际上典型的低频时码授时台的信号格式。结合信号特点，对低频时码授时信号 的场强进行了定义，提出了适合信号特点的场强测量方法。对算法进行了仿真， 并在软件仿真的情况下，与干扰测量仪进行测量时进行对比，得到结论。此外， 对进行低频时码授时信号载波相位测试算法进行了研究，通过对相位测量方法进 行了深入的了解和研究后，利用锁相环中的鉴相思想来进行相位测量，并用软件 实现了该算法。 第三章：介绍了虚拟仪器技术相对于传统仪器的优势。介绍了虚拟仪器技 术的概念，虚拟仪器的组成，虚拟仪器中的软硬件还有典型的虚拟仪器开发环境 l - 最b v 王e 嚣。 第四章：利用虚拟仪器开发软件l a b v i 麟和数据采集卡n iu s b - 6 2 5 1 开发 便携式低频时码信号测量系统。重点介绍了系统的硬件组成，包括前端信号的处 理，以及处理后信号输入数据采集卡时在连接方式上需要注意的闻题。利用 l a b v i e w 模块化的思想进行软件的开发，给出了系统的流程图和结构图。根据实 际测试中出现的窄带干扰问题，提出了抗窄带干扰的自适应陷波滤波方法，通过 实际应用发现，该方法对窄带干扰的抑制效果很好。 7 第一章引言 第五章：利用虚拟仪器开发软件l a b v i e w 和数据采集卡n ip c i - 6 2 5 0 开发 低频时码实时监测系统。给出了其软件的流程图和结构图。介绍了低频时码授时 信号的数字正交解调算法。重点讨论了该监测系统的网络功能的实现，对 l a b v i e w 下四种网络通信方法：远程桌面连接、d a t a s o c k e t 技术、t c p 和u d p 通 信协议和远程w e b 面板发布进行了介绍和比较，给出了监测系统的网络功能实现 方案。 第六章：利用研制出的仪器进行了一系列实验测试。在电力系统的几个典 型地点对低频时码授时信号进行了测试，给出了测试结果和报告。利用研制的监 测系统对发播信号进行监测，发现了信号载频快速漂移的问题，分析了产生这种 现象的原因，通过对发射机房的一些调整，消除了这种现象，使发播恢复正常。 此外，对恢复正常的某天低频时码授时发播信号进行了监测，给出了场强监测和 相位监测的监测结果，并对结果进行了分析。 1 3 2 本论文的重难点 本论文的重难点主要有以下几个方面： ( 1 ) 低频时码授时信号的场强定义及其测量方法 目前，在这方面根本没有标准或是公认的行业规范，由于低频时码信号特 殊的信号形式，我们对其场强进行了定义，并给出了合适的测量方法。虽然，该 方法不一定是最优的，但是该方法能很有效的反映实际的信号强度，比起代用仪 器将会是非常大的改进。 ( 2 ) 低频时码授时信号的相位测量方法 在进行相位测量时，有多种方法可供选择，包括锁相环法、过零检测法、 数字相关法、d f t 法等多种方法。在对上述几种方法进行比较，结合实际情况考 虑，我们采用了用软件方法来实现锁相环鉴相原理的鉴相的方法进行相位测量。 该算法继承了了锁相环的善于提取小信号和抗噪声性能好的特点和软件计算的 实现容易的特点，能够较好的对低频时码授时信号的相位进行测量。 ( 3 ) 抗干扰滤波方法 在对低频时码信号的实际测试过程中，可能存在各种各样的干扰，如何最 大程度的去掉干扰，留下信号的有用成分，是一个非常复杂的问题。本论文根据 8 第一章引言 实际测量结果，针对实际测量接收过程中存在的窄带干扰，提出可以采用自适应 陷波滤波的方法去除干扰。 ( 4 ) 监测系统的编码监测 要进行编码监测，首先就要将接收到的调制信号进行解调。本论文采用数 字式正交解调算法对低频时码进行解调，该实验同时也为低频时码授时数字接收 机提供了事实依据。 ( 5 ) 监测系统的网络功能 在低频时码监测系统中引入自动监测是该系统的一大进步，而网络测试则 是该系统的另一大进步。引入网络技术，将会使监测数据共享的渠道变得畅通， 监测将也会更加有效。 9 第五章低频时码授时发援信号的特点及其测量方法研究 第二章低频时码授时发播信号的特点及其测量方法研究 本章对国际上现有的几种低频时码授时信号的发播形式以及现有的代用测 量仪器一一干扰测量仪的测量原理进行了介绍在此基础上，根据低频时码信号 的特点，提出了适合信号特点的场强测量方法和相位测量方法 2 1 低频时码发播信号形式和编码介绍 目前，国际电联正大力推广应用时码( 时间编码) 技术来进行时间传递和 同步。所谓时码授时就是将时闻信号，包含年、月、臣、时、分、秒等信息进行 编码。这种时间编码有很多不同的编码格式，并且可以通过多种方式来发布。其 中绝大多数是将时码信息通过幅度调制、频率调制或相位调制等方式将时间信息 附加在一个专用频率的载波上进行传播和接收。焉低频无线电波的传播主要以地 波形式传播，不太容易受多变的电离层影响，相对稳定，并可以穿过高山、建筑 物等障碍物，单台就可达到很大的覆盖范围，所以，非常适合承载时码信号。低 频时码授时就是将时码调制在莱一频率的低频载波上，在接收端通过对低频信号 的接收可以将其携带的时码信息和同步信息接收下来，从丽达到时间同步目的。 目前，拥有低频时码授时技术的国家主要有：德国、日本、美国、英国和 中国等，大多数低频时码授时体制采用幅度调制的方式。但是，各个国家的编码 方式和信号形式各有不同。下面将德困和习本的信号形式和编码方式进行简要的 介绍。 德国是世界上低频时码授时技术应用最成功的国家之一，十几年前已成功 地用于电力系统、交通等公益场所和民用计时市场。箕低频时玛授时台简称 d c f 7 7 ，位于德国法兰克福市附近的m a i n f l i n g e n 。d c f 7 7 采用的载波频率为 7 7 5 k h z ，调制方式为幅度调制。d c f 7 7 采用的信号形式为；码速率为1 b a u d ，采 用二进制编码，在每个秒时亥l ( 除第5 9 秒) 到来时，脉冲幅度下降到原幅度的 2 5 ，若下降脉冲宽度为l o o m s 时，表示为信息0 ，下降脉冲宽度为2 0 0 m s 时， 表示为信息1 。其基带波形如下图2 1 、2 2 所示。 1 0 第二章低频对码授时发攒信号的特点及其测量方法研究 a jl l 一 4 r t a jl i 一 4 t 图2 1d c f 7 7 信息0 的基带波形图2 2d c f 7 7 信息1 的基带波形 d c f 7 7 的信号编码格式为：采用b c d 编码，每分钟( 6 0 秒) 为一帧，在这一 帧中包含了年、胃、星期、日、小时、分钟、闰秒、时区等信息。在每帧的结束， 即第5 9 秒，在整秒到来时，脉冲幅度不降低，作为分结束标志。其具体编码格 式及b c d 码的权值如下图2 3 所示。 c 擎q 哆t i m ec o d e 弧穗豢 图2 3i ) c f 7 7 编码格式示意图 日本也是低频时码技术应用比较成功的国家之一。日本于2 0 0 2 年废掉了原 有j g 2 a s 电台，新建两个大功率低频时码台，改呼号为j j y ，取代了短波授时 第二章低频时码授时发播信号的特点及其测量方法研究 由于日本的地形特点( 呈长条形) ，单台无法覆盖全部地区。所以，日本的低频 时码发播台有两个，分别位于本州福岛和九州富冈，分别采用4 0 k h z 和6 0 k h z 进行发播，其呼号分别为j j y 4 0 和j j y 6 0 。 j j y 采用幅度调制，调制深度为9 0 9 6 ，脉冲为高时信号幅值为载波幅度的 1 0 0 ，低时为载波幅度的1 0 。编码的脉冲形式有三种，脉冲宽度分别为2 0 0 m s ， 5 0 0 m s 和8 0 0 m s ，脉冲重复速率为i b a u d 。在每个整秒来到时，脉冲为高，每分 钟一帧。宽度为2 0 0 m s 的脉冲为每分钟的o s ，9 s 。1 9 s ，2 9 s ，3 9 s ，4 9 s 和5 9 s 的标志，宽度为8 0 0 m s 的脉冲代表信息0 ，宽度为5 0 0 m s 的脉冲代表信息1 。 j j y 发播的时码格式有两种，一种是在每小时的1 5 分和4 5 分发播的带电台呼号 ( c a l ls i g n ) 的格式b ，还有一般情况下发播的格式a 。两种格式的区别主要在于 后2 0 s ，格式a 包含了年、星期和闰秒信息，格式b 包含了电台呼号以及电台的 发播情况。 编码采用b c d 码的形式，其编码格式如下图2 4 所示。 广一时问点a l jll jl jl jl jl l l lul ll jul l l l l ll jl jl jl l i ll ji l il jl lll jl i l lu ull 丘：一危卜一l m 。i 卅。ii1 i 几几几胛m lm 肿厂盯l 肿m n 厂疆n 咖唧m lm 肿几m i 盯m6 簧昌2 争一z 争昌2 一一争曼墨2 霉昌2 2 一争争至甄z 置2 导高2 一2 一一量争争2 z 剁一、岂丁掣t 黜 日本标准时问点a ：2 6 9 d a y o f l 9 娩1 5 h 3 5 r a i n , s u n d a y , 没有闰秒 ll jul jl jl jl jl jul jl ju ul jul jl jl jul jl jul j l jul jl jul jul j 扛：一咒十一蜘l 一：慨i 卅：们。l il in r 丌们n 几兀lm 广丌几r 盯厂盯i 唧呷t liitt ii h _ 罱昌2 争一互争争高2 争一一芷争是墨q x = 2 一争争至p z 2 争争足z n l h 伽一l _ 嘞矿高j l c a i l s i l 1 兰m s t a i t 咖i o n 。 格式b i n f o n m i o e 日本标准时问点a ：2 6 9 d i y o f l 9 9 9 , s t h , 1 5h 4 5m i n 图2 5j j y 编码格式图 1 2 第二章低频对玛授时发播信号的特点及其测量方法氍究 中国科学院露家授时孛心予2 0 0 2 年毒月建成低频时码实验台，呼号为b p c ， 采用与长波授时b p l 天线分时公用的方式，每天发播7 小时，发射功率为2 5 k w 。 通过对该实验台的研究，中国的低频时码授时的理论与配套产品都已逐渐走向成 熟。强前，中国科学院国家授时中心i e 与西安高华电气实业有限公司合作在溺南 省商丘市建立全天2 4 小时不间断发播，发射功率为1 0 0 k w 的低频时码授时台， 新建成的电台将在2 0 0 7 年投入使用。b p c 电台采用的发播频率为6 8 5 k h z ，在 每个整秒到来时，脉冲幅度下跌至原襁度的8 0 ，下跌脉冲的宽度可能力l o o m s ， 2 0 0 m s ，3 0 0 m s 和4 0 0 m s 。其编码格式目前尚未公布，一釉可能的发播信号形式 如下图所示： 6 s 5 k l z 载波 r 。1- 一 ljf i 1 劂|删 jf 6 0 而s18 0 0 m s 一。 ，1 9 0 0 m $ 一。+ 3 0 0 m s 7 0 0 m s 4 0 0 m sl n ， 图2 6b p c 信号波形形式示意图 通过对上述三种制式低频时码授时信号的介绍，可以看出，低频时码信号 拥有其特有的特征。主要有以下咒点； l 、信号形式特殊 由低频时码授时信号基带波形可以看出，由于其基带信号的幅度值具有多 值性，导致检波后的信号幅度也具有多值性。测量时，为了得到正确的测量结果， 必须去除这方面的影响，对同一幅度进行测量，褥到正确的测量结果。 2 、载波频率比较低 由于低频时码载波频率比较低，因此在对信号进行a d 变换时，可以直接 采样，丽不需要增加变频等步骤，可以减少这些过程中信号的损失和雩| 入干扰成 分。 3 、信号以1 秒为单位 1 3 第二章低频时码授时发播信号的特点及其测量方法研究 不管在上面介绍的哪种授时制式下，低频时码授时信号的码速率都是 1 b a u d ，信号形式都是以1 秒为单位变化的。在1 秒中包含了信号的秒脉冲信息 和两种不同的幅度值。由于信息速率比较低，实际中如果对信号进行采样，可以 很明显的看到信号幅度的变化过程，这样将会有助于对测量接收环境的判断。 所以，在对低频时码信号进行测量时，必须结合这些特点对低频时码信号 在统一的测量标准下进行测量。 2 2 低频时码授时信号的场强测试方法 当携带时码信息的低频电磁波在传播时，由于低频时码信号的基带信号幅 度具有两种幅度值，这会导致测试的场强值的不确定。为了准确的反映低频时码 信号的强度变化，我们将低频时码信号的场强规定为当信号幅度处于满幅度时的 场强。 电磁场的场强可以用电场强度e c q m ) 来表征，也可以用磁场强度h c a m ) 来表征。当距辐射源很远( 处于远场区时) ，e 和h 有如下的关系： e h = 1 2 0 p i = 3 7 0o h m s ( 2 - 1 ) 当距辐射源比较近( 处于近场区时) ，e 和h 的关系不能精确的对应，但是e 的 最大值和h 的最大值仍近似于3 7 0o h m s 对低频时码信号进行测量时，一般处于远场区，因此我们用电场强度或磁 场强度均能较好的对信号进行表征，为了方便起见，我们统一采用电场强度。 根据电波和天线的原理，可以知道，当天线在空中与被测信号的极化方向 一致时，天线上会取得最大的感应信号。对场强的测量就可以转化为对感应信号 大小，即对电信号幅值大小的测量，能够实现电信号测量的仪器有很多，如电平 表、场强仪和频谱分析仪等。其示意图如下图2 7 所示。 图2 7 场强测量示意图 1 4 第二章低频时码授时发播信号的特点及其测量方法研究 在上图中，如果已知天线特性，准确地说，是知道天线因子或是天线增益， 一般用d b i 来表示，则感应信号的幅值( r s l ) 与被测信号的场强值之间存在着与 天线增益相关的线性关系。其关系可以表示成如下式： 场强( d b p v m ) = r s l ( d b b v ) 一天线因子( d b i ) + 馈线及其他损耗 ( 2 2 ) 因此，对场强的测量可以转化为对r s l 的测量。下面我们将会介绍低频时码 信号测量的代用仪器干扰测量仪在测量r s l 时的原理。 2 2 1 干扰测量仪( e m i 接收机) 的工作原理 干扰测量仪一般主要包括一个线性放大器，一个变频器，一个非线性检波 器和一个具有机械时间常数的显示器三大部分，其大致框图如图2 7 所示。 图2 8 干扰测量仪原理 干扰测量仪一般遵循c i s p r ( 国际无线电干扰委员会) 规范，它的工作原理 主要是：选择合适的通频带的带宽，将干扰信号变至中频后进行检波，得到包络 的有关参数，就可测得干扰的大小其主要的检波方式有平均值检波( a v ) ，峰 值检波( p k ) 和准峰值( q p ) 检波。其中，平均值检波的最大特点是检波器的充 放电时间常数相同，特别适用于对连续波的测量。峰值检波的充电时间常数很小， 即使是很窄的脉冲也能很快充电到稳定值，当中频信号消失后，由于电路的放电 时间常数很大，检波的输出电压可在很长一段时间内保持在峰值上。准峰值检波 的充放电时间常数介于平均值与峰值之间，在测量周期内的检波器输出既与脉冲 幅度有关，又与脉冲重复频率有关。在进行q p 检波时，c i s p r 规定对频率范围 为i o k h z - - , 1 5 0 k h z 的a 段，充电时间常数为4 5 m s ，放电时间为5 0 0 m s ，干扰测量 仪的通频带带宽b = 2 0 0 h z 。 由图2 6 中的低频时码信号形式，可以看出，每秒内都有一段时间的信号 幅值会变小，并且幅值变小的时间长度会随时码信息的不同发生变化，要正确反 映所在地的场强的大小，实际上需要测量的是信号幅值没有减小时的信号场强 1 5 第二章低频时码授时发搔僚号的特点及其测量方法研究 在利用干扰测量仪对低频时码信号进行测试时，对比上述兰种方式，利用a v 方 式和p k 方式都只能在一定程度上反映信号特性，在利用q p 方式进行测量时，可 以发现，由予低频时码授时信号的码速率1 b a u d ，如果取脉冲重复速率为1 h z ， 经过检波器得到的r s l 值刚好对应载波的幄度值。但是，若检波信号中含有脉冲 干扰，此时得到的测量结果为信号与干扰叠加的结果。而在实际测量中，测试频 率为6 8 k h z ，则干扰测量仪的带宽为2 0 0 h z ，若受到一个与6 8 5 k h z 频率相近的 干扰，测试结果的准确性将不容置疑。菰在低频时码授时接收所面临的复杂电磁 环境中，对这点是不能不加以考虑的。为了更准确地对信号强度进行测量，必须 采用更加合适的方法对信号强度进行测试。 2 2 2 数字化直接场强测量 在前面讲述的干扰测量仪中，可以看出，场强测量中，对信号的处理过程 全是对模拟信号进行处理。随着数字信号处理技术的飞速发展，如今的数字信号 处理技术已经非常成熟。对比模拟处理技术，数字信号处理主要有下面的几个优 势： l 、灵活性高 信号处理部分全由运算得到，而计算的算法只用通过软件就能很容易的改 变，相比模拟处理方式，器件和电路选定后就无法改变，具有很高的灵活性。 2 、抗干扰能力强 在利用模拟处理方式时，由于电路中的非线性作用，可能在各级电路中引 入耦合，交叉调制等额外的干扰成分。在数字信号处理中，不仅不会产生这些 现象，还可以应用一些抗干扰算法来抑制接收信号中的干扰。 3 、高精度和高稳定性 数字信号处理不易碎使用条件的变化而变化，所以具有很高的可靠性和稳定 性。随着电予技术的进步，计算机以及数字信号处理器件的运算链数越来越高， 计算精度已远远超过模拟系统。 4 、可以进行存储，便于事后处理 数字信号处理可以将计算前后，或者中闻数计算结栗保存起来，便予事后 的处理。这是模拟处理方式无法达到的优点。 由于对场强值的测量可以转化为对感应信号幅值的测量，在进行幅值测量 1 6 第二章低频时码授时发播信号的特点及其测量方法研究 时，考虑采用数字化的方法，可以引进一些数字滤波方法来可以对时码信号进行 变频后进行a d 变换后测量，而时码信号由于其频率本身比较低，可以不进行变 频，对天线上的感应信号直接进行a d 变换后处理和测