BPM短波授时信号模拟器的研制

刘和平，王宏远



BPM短波授时信号模拟器的研制

刘和平1，王宏远2

（1. 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2. 中国科学院国家授时中心，西安 710600）

介绍了BPM短波授时信号模拟器的主要功能和工作原理，阐述了该模拟器的系统组成、输入输出及软件流程。该模拟器以GPS信号作为时间源，以10 MHz的高稳定恒温晶振作为守时频率源，并在程序控制下产生载频与调制信号，放大输出6路BPM短波模拟信号。测试结果表明，该模拟器的功能与技术指标符合BPM短波授时信号的要求。

BPM授时系统；短波授时；时号模拟器

BPM短波授时是一种方便而经济的授时方法，主要针对同步允差为毫秒量级的应用，同时可作为某些高精度无线电授时方式的粗（初）同步引导。

BPM短波授时信号由中国科学院国家授时中心发播，BPM短波授时台每天以2.5 MHz，5 MHz，10 MHz和15 MHz 4种载频发播标准时间、标准频率信号，覆盖全国陆地和近海海域，授时精度为毫秒量级。协调时秒信号是用１kHz音频信号中的10个周波去调制其发射载频以产生长度为10个周波的授时信号，其起点（零相位）为协调时的秒起点。每秒产生1个这样的时号，两个时号起始点之间的间隔为协调时的1 s。协调时整分信号是用１kHz音频信号中的300个周波调制其发射载频以产生长度为300个周波的授时信号，其起点（零相位）为协调时的整分起点。BPM短波授时信号模拟器就是要产生并输出这样的信号[1]。

BPM短波授时信号的传播信道受电离层变化和太阳活动的影响较大，尤其在日出、日落和电离层扰动期间有时出现无法正常接收和使用BPM短波信号的现象，给BPM接收设备的研发生产和时统系统的测试造成不便，因此我们研制了BPM短波授时信号模拟器。该模拟器提供6路5 MHz、10 MHz 和15 MHz 的BPM短波模拟授时信号，对于BPM定时设备研发、生产和调试以及时统系统的测试和试验具有较高的实用价值。

1 系统设计

BPM短波授时信号模拟器总体电路采用CPLD（complex programmable logic device，复杂可编程逻辑器件）、FLASH（一种快闪存储器）和单片机结构，应用DDS（direct digital synthesis，直接数字合成）技术、D/A转换技术和高频无线电技术设计，达到了具有小型化和便携性特点的要求。利用GPS提供的位置和时间信息，实时解算出信号路径传播时延，保证了模拟器输出信号与真实的BPM短波授时信号具有相同的特征，并实现精确的时间同步。

1.1 BPM短波授时信号模拟器系统设计

BPM短波授时信号模拟器主要由以下部分组成：GPS单元、人机接口单元、频标单元、DDS载频单元、BPM格式脉冲产生单元、BPM模拟调制信号产生单元、BPM高频时号幅度调制单元、6路射频时号隔离放大输出单元、模拟调制信号监听单元和电源管理单元共10个部分。模拟器电路总体框图如图1所示。

GPS接收单元采用美国Trimble公司推出的Copernicus GPS接收器，提供模拟器的时间/位置参考源，其串口输出的时间/位置信息送入1#MPU（微处理器），输出的1 PPS（GPS）（1 PPS-1 pulse per second）用于同步频标单元。

10 MHz高稳恒温晶振与频标单元将10 MHz晶振频率进行缓冲和107分频，该分频链经1 PPS（GPS） 同步后产生1 MHz，100 kHz频标和1 PPS（本地），其电路功能由CPLD完成。

系统控制与管理单元是模拟器的核心[2-3]。该单元除与人机界面交换信息外，在被GPS同步后的本地1 PPS启动下产生软件钟。由GPS获得的位置信息经1#MPU串口发送给2#MPU并计算出电波传播的时延后再回送给1#MPU。1#MPU利用内部计数器对100 kHz频标计数，处理BPM时号的超前秒信号的20 ms时延与电波传播时延后，在BPM发播程序控制下产生BPM格式脉冲。

BPM格式脉冲产生单元是在1#MPU的I/O接口控制下由CPLD电路产生10 ms和300 ms宽度的脉冲后输出BPM格式脉冲的。BPM模拟调制信号产生单元是由29分频链（CPLD电路构成的地址发生器）、1 kHz窄脉冲产生器（CPLD电路构成）、1 kHz数字正弦波存储器（FLASH）、DAC数模转换器及放大电路组成，并受BPM格式脉冲同步控制与调制后输出BPM 模拟调制信号。

DDS载频合成单元由2#MPU、DDS直接数字频率合成器（这里采用DDS芯片AD9852）和驱动放大器CLC 449组成。DDS芯片AD9852受2#MPU 控制，产生5 MHz，10 MHz和15 MHz的相位连续的高稳载频信号，DDS芯片的时钟驱动信号由10 MHz高稳晶振提供。2#MPU 接收1#MPU的载频定义字，计算出对应于DDS芯片的频率数据并控制输出当前设置的BPM载频频率，经CLC 449放大驱动输出。

BPM射频时号调制单元由乘积调制器MC 1496及外围电路完成。1 kHz 的BPM模拟调制信号和相应载波分别加到调制器MC 1496的输入端，其输出是BPM模拟授时信号，经CLC 449驱动放大后加到6个隔离放大器的输入端。6路BPM射频时号隔离放大器输出单元均由CLC 449构成，CLC 449具有超宽的频带，极高的输入阻抗和很低的输出阻抗，保证提供高品质的射频信号。

在BPM音频时号监听单元中，BPM 模拟调制信号经功率放大后驱动扬声器，该单元用于实时监听信号的发播情况。

电源管理单元由两组独立的线性电源组成。模拟电源+12 V/-12 V/+5 V与数字电源+12 V/+5 V独立配置，以降低噪声增强抗干扰能力。

1.2 BPM短波授时信号模拟器发播程序设计

我国的BPM短波授时系统遵循一定的发播程序。为方便使用，本文所述的BPM短波授时信号模拟器具有两种工作模式。模式1为默认模式，按BPM发播程序输出5 MHz /10 MHz /15 MHz 高频时号；通过人机接口切换还可工作在模式2，连续发播BPM 5 MHz /10 MHz /15 MHz高频时号。该BPM短波授时信号模拟器以BPM短波授时台（位于陕西蒲城）为基准点，根据位置的变化实时自动修正BPM时号的时延，以保持输出的模拟授时信号与BPM短波授时台所发播的BPM时号同步。该BPM短波授时信号模拟器发播频率和发播程序如表1所示。

表1 BPM短波授时信号模拟器发播程序表

2 BPM短波授时信号模拟器的软件设计

该BPM短波授时信号模拟器的软件是由1#MPU和2#MPU协同完成的。1#MPU采用89S52单片机，分为4个程序段：主程序、INT0中断、T0中断和T1中断。2#MPU（也采用89S52单片机）完成时延计算与DDS载频控制。

2.1 1# MPU主程序流程

1#MPU主程序完成系统初始化、串口数据查询和按键管理以及LCD显示功能。系统初始化后，如果接收到有效的串口时延信息，则保存时延信息并置位串口时延接收有效标志位，之后查询按键是否按下并执行相应的按键功能。其程序流程如图2所示。

图2 短波授时信号模拟器主程序

2.2 INT0中断流程

1#MPU INT0中断程序由本地1 PPS触发，完成工作模式管理、BPM信号时延处理、串口收发信息、显示屏管理、软件钟和在发播模式1下的发播程序扫描，其中断流程如图3所示。

2.3 计数器中断

计数器T0和T1是100 kHz 频标的计数器，是为配合INT0中断程序中的BPM信号时延处理与1 PPS/1 PPM（1 pulse per minute，即分脉冲）生成而设计的。计数器T0产生1 PPS信号，计数器T1产生1 PPM信号。T0中断服务流程图如图4所示。

图4 短波授时信号模拟器T0中断程序流程

2.4 2# MPU 程序流程

2#MPU也采用89S52单片机，主要完成时延计算、串口接收发送和DDS载频控制[4-5]。主程序在完成初始化后，串口接收来自1#MPU的位置与控制信息；根据短波电波传播的大圆计算公式计算出BPM发射台到接收点的传播时延；根据控制信息控制 AD9852产生5 MHz/10 MHz /15 MHz的载频频率输出[6-7]。其程序流程如图5所示。

图5 短波授时信号模拟器2#MPU程序流程

3 BPM短波授时信号模拟器测试分析

BPM短波授时信号模拟器输出以下几路信号：一路与1 PPS（GPS）同步的1 PPS（本地）信号；一路1 PPS/1 PPM（BPM）信号；一路BPM模拟调制信号；6路5 MHz/10 MHz/15 MHz的BPM高频时号。

测试表明：1 PPS（本地）与1 PPS（GPS）的钟差绝对值小于300 ns；1 PPS（本地）的频率准确度优于1×10-8；1 PPS/1 PPM（BPM）比1 PPS（本地）超前19.75 ms；BPM模拟调制信号符合BPM信号规范。

3.1 输出幅度测试

由测试结果可见，模拟器的输出幅度峰-峰值均在340 mV左右，符合接收机使用要求。

3.2 钟差时间测量

将该模拟器输出的高频时号连接到NT-100 BPM短波自动校时标准钟的天线输入端，接收5 MHz/10 MHz/15 MHz载频时号，将NT-100 BPM短波自动校时标准钟的1 PPS输入到FPC-6 GPS时间频率校验仪（由中国科学院国家授时中心研制）并与其1 PPS进行钟差测量。以10 MHz载频的某路时号为例的测量结果如图6所示。

图6 短波模拟器10 MHz载频钟差测量（每秒一个采样点）

由以上测试结果可见，对于模拟器10 MHz载频输出的BPM模拟短波授时信号，经NT-100 BPM短波自动校时标准钟接收后输出的1 PPS信号与FPC-6 GPS 时间频率校验仪的1 PPS之间的钟差为0~0.5 ms。这些误差主要是由接收机延时（电路与软件）、系统误差和随机误差产生的。随机误差的峰-峰值在0.5 ms以内，满足短波接收的精度要求。

4 结语

BPM短波授时信号模拟器是新研制的一种便携式授时仪器，其功能与主要指标达到了技术要求，能确保 BPM时号的清晰可辨和稳定发播，可满足BPM定时设备和时统设备的研发、生产调试、测试和外场联调试验使用。在后续的工作中，如果能够对模拟器的高频时号输出幅度灵活调节，实现模拟器自身时延控制与补偿，将会对定时接收机的灵敏度测试和BPM短波外场场强测试带来更有效的帮助。

[1] 陈洪卿. BPM短波时号用户指南[Z]. 西安: 陕西天文台台刊编辑部, 1989.

[2] 张毅刚, 彭喜源, 谭晓昀, 等. MCS-51单片机应用设计[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1997.

[3] 高峰. 单片微机应用系统设计及实用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[4] Analog Device Inc. AD9852 Datasheet[Z]. Norwood, Massachusetts: Analog Device Inc., 1999.

[5] 王永涛, 韩健, 牟海维, 等. 基于单片机与AD9852的信号源设计[J]. 电测与仪表, 2006, 43(4): 39-41.

[6] 胡永辉, 漆贯荣. 时间测量原理[M]. 香港: 香港亚太出版社, 2000.

[7] 漆贯荣. 时间科学技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

A BPM Short-wave Time-service Signal Simulator

LIU He-ping1, WANG Hong-yuan2

(1. Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China;2. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

The main function and principle of a BPM short-wave time-service signal simulator is introduced. The components, input/output interfaces and software flow chart for this simulator are expounded. The clock of time-keeping of the simulator, whose time source is traced to GPS, is driven by a 10 MHz OCXO, a cryetal oscillator with high stability and constant temperature. The simulator produces the carrier frequency and modulating signal under the program control, and provides 6 channels of amplified BPM signals. Some tests indicate that the technical indexes of this BPM signal simulator meet the demand of BPM short-wave time-service signal.

BPM time-service system; short-wave time-service; time-signal simulator

2009-08-05

刘和平，男，研究员，主要从事时频技术研究与设备研制工作。

P127.1

A

1674-0637(2010)01-0016-07