基于PN码的电话信道时延测量方法研究

金晓臻，华宇



基于PN码的电话信道时延测量方法研究

金晓臻1,2,3，华宇1,2

（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）

针对目前电话授时系统中授时准确度低的缺点，提出了一种基于PN码的时延测量方法，该方法将PN码引入电话信道的时延测量中，服务器端将PN码信号经幅度调制和DA转换后通过电话信道传输至用户端，用户端先对输入信号进行AD采样，幅度解调，再利用PN码信号的自相关特性对其进行快速捕获，进而完成信道时延测量。通过实验测试表明：该方法可以用于电话信道的时延测量，能够将不同电话端局间的时延测量波动值由毫秒级减小到125μs，从而为提高电话授时准确度打下了基础。

时延测量；PN码；波动值

0 引言

电话授时是一种通过电话线传递时间信号的有线授时方式，与其他有线授时方式相比具有费用低，申请时间快捷方便等特点，20世纪90年代在国外得到了广泛的应用[1]。与无线授时方式相比，电话授时具有接收设备简单，接收信号不受周边环境影响等优势[2]。然而电话授时的授时准确度与无线授时方式相比存在较大差距，本文的研究目的旨在减小电话信道时延测量的波动值，从而提高电话授时准确度，使其更好地满足中等精度用户的需求。

无论是有线还是无线授时方式，时间传递的关键都在于传输路径时延的测量，目前应用于电话授时系统时延测量的主要方法是十几年前发展的字符检测法，字符检测法由于外置调制解调器的使用以及收发两端处理器对字符的检测精度低等因素制约了时延测量准确度的进一步提高。中国科学院国家授时中心的科研人员还曾用检测载波相位的方法测量电话信道时延[3]，但由于载波在长距离传输过程中抗干扰性较差并没有得到广泛应用。针对上述问题，本文提出了一种基于PN码的电话信道时延测量方法，省去了外置调制解调器的应用，同时在物理层检测PN码使时延测量信号检测精度更高，实验证明：这种方法可以减小时延测量的波动值，为提高电话授时准确度打下了基础。

1 传统电话信道时延测量方法

1.1 传统电话授时系统介绍

电话授时系统组成如图1所示，系统基于公共交换网络（PSTN，public switched telephone network）完成时间的传递，主要包括：主钟、时间服务器、调制解调器、用户端等几部分，其中国家授时中心综合原子时主钟为服务器提供标准时间，时间服务器主要功能是测定电话信道的时延及向用户端发送时码，调制解调器作用是对时间服务器和用户端收发的字符进行AD和DA转换，用户端参与时延测量，接收标准时间信号并进行时间显示和秒脉冲输出。

图1 电话授时系统组成

1.2 传统电话信道时延测量原理

服务器端和用户端进行字符传输时都需要用到调制解调器，而调制解调器调制解调字符时的时间波动会被引入到电话授时的时延测量中，另外两端的处理器对于字符的检测精度不高，仅为毫秒级，故这种方法测量的传输时延准确度并不高，国家授时中心于1998年测量的不同电话端局的时间同步精度仅为5 ms[4]，时间同步精度主要由时延测量波动引起，毫秒级的检测精度以及调制解调器的应用会引起较大的时延波动，使这种方法测得的时延值与电话信道实际的时延值相差较大。

图2 字符检测法原理

由于字符检测法自身的局限性，难以通过它减小时延测量波动值，在对电话信道特性和PN码进行了大量研究后，本文提出了一种基于PN码（pseudo-noise code）的电话信道时延测量方法。

2 基于PN码的信道时延测量方法

2.1 基于PN码的时延测量原理

基于PN码的时延测量原理如图3所示，服务器端将本地的1PPS信号作为PN码产生的触发脉冲，后将PN码信号与正弦波信号进行幅度调制，使调制后的信号满足电话信道的带宽要求，然后将调制信号经DA转换后变为模拟信号送入公共电话交换网络；用户端对模拟信号进行AD采样后转换为数字信号，再根据相干解调的原理进行幅度解调，并采用匹配滤波器的方式对去载波后的信号进行快速捕获，匹配滤波器可以在1s内完成对一个周期PN码信号的捕获并产生最大相关峰值，在最大相关峰处可生成1PPS信号，再将此1 PPS信号与服务器端的1 PPS信号进行比对，比对值即为电话信道的传输时延值。

图3 基于PN码的时延测量原理

2.2 时延测量信号设计

2.2.1 PN码特性

PN码是一种具有类似于随机噪声统计特性的周期性数字序列，PN码由逻辑0和1构成且便于重复产生与处理，由于具有随机噪声的优点，同时又能避免随机噪声不可预期的缺点，故在通信领域得到了较广泛应用[5]。

工程上，常采用移位寄存器产生PN码，它具有以下特性[6]：

① 均衡性：每个周期内，码元0和码元1的数目基本相等；

③ 相关特性：序列具有双值自相关性函数，即[7]

2.2.2 时延测量信号设计

PN码的基础组成为序列，而Gold码是序列的复合码，它是将两个码长和码周期相同的序列经模2相加产生，与序列相比，Gold码除具有更好的自相关性外，并且结构更简单，相对容易实现。C/A码是GPS卫星导航系统应用的一种Gold码，也被称为粗捕获码，它是经序列优选对异或运算后产生的一种短码[8]。

2.3 PN码信号调制

由于电话信道带宽范围为0.3～3.4kHz，为了使PN码信号通过电话信道时尽量不损失频率成分，考虑将PN码信号的频谱在频域内进行搬移以满足电话带宽的要求，另外PN码良好的自相关特性使其具有较强的抗干扰性能，因而对调制方式的抗噪声性能要求不高，故选取接收设备简单，频带利用率高的幅度调制对PN码信号进行调制，将2kHz的正弦波信号与上述PN码信号进行调制，调制后的频谱示意图如图4所示[7]。

图4 幅度调制频谱示意图

2.4 PN码信号解调与捕获

根据相干解调的原理，接收端将采集到的调制信号通过带通滤波器后分为，两个支路，分别对信号进行同相和正交的相乘运算，再经过低通滤波器后送入匹配滤波器对信号进行捕获，将匹配滤波器的输出信号平方求和后可去除收发两端载波相位差引起的幅度变化，最终输出信号为1 PPS信号。接收端对PN码信号的解调和捕获原理如图5所示。

图5 PN码信号解调与捕获原理

2.4.1 PN码信号解调

2.4.2 PN码信号捕获

与滑动相关法相比，匹配滤波器法虽然算法复杂，消耗硬件资源多，但捕获时间短，适合于电话授时的时延测量，下文将对基于匹配滤波器法捕获PN码信号的原理进行分析。

匹配滤波器的输出公式为[5]：

PN码序列波形的连续相关函数表达式为[5]：

以I支路为例分析，按照式（12）画出输出函数曲线如图6所示。

由式（14）可以看出平方求和的最大相关值为定值，即经捕获后输出的峰值幅度仅受用户端接收信号的幅值影响，不会随开机时刻的不同而变化。

3 基于PN码的信道时延测量功能验证与性能测试

3.1 实验系统设计

3.1.1 实验平台

实验验证平台包括：算法验证平台和信号连接平台，服务器端和用户端的算法验证平台相同，如图7所示，主芯片为Altera公司生产的FPGA芯片EP2S60F1020C4ES，DA和AD转换芯片选用TI公司的TLV320AIC23B语音芯片，服务器端平台实现PN码的产生，调制算法，而用户端平台实现PN码的解调，捕获算法。服务器端和用户端分别连接信号连接平台，如图8所示，信号连接平台完成电话的连通，服务器端拨号和用户端摘机的实现，并且还将完成两端模拟信号与电话线的耦合。其中拨号和摘机由ARM芯片LPC2214配合电路完成。

图7 算法验证平台

图8 信号连接平台

3.1.2 实验系统设计

基于PN码的信道时延测量原理与字符法时延测量原理类似，可通过用户端接收并回发PN码的方式双向测量，受硬件条件限制，目前只讨论单向测时延的方式。实际应用中服务器端与用户端多位于不同地点，本文以GPS接收机输出的1 PPS信号作为试验系统两端的基准，服务器端以GPS的1 PPS信号触发PN码信号发送，用户端将捕获PN码后产生的1PPS信号和本地GPS的1PPS信号通过时间间隔计数器进行比对，相当于和服务器端PN码的起始1PPS信号比对，故用户端两个1PPS信号的比对值即为电话信道的时延值，时延值可直接通过计算机采集。经上文分析这种测量方法不含服务器和用户端之间的钟差，两端GPS的1 PPS信号同步误差为纳秒级，可忽略不计。实验系统设计如图9所示，其中时间服务器端包含时延测量信号的产生、调制和发送等模块，用户端包含时延测量信号的接收、解调、捕获等模块。

图9 实验系统设计

3.2 功能验证

通过用户端FPGA的在线逻辑分析仪对PN码捕获过程进行测试来验证上述算法的有效性，测试结果如图10所示。

图10 用户端PN码捕获测试

图10中逻辑分析仪的采样率设置为4 kHz，_dmfOut为支路匹配滤波器输出，_dmfOut为支路匹配滤波器输出，squareAddOut为，支路平方求和输出。图中相关峰值间隔为4000个点，即每秒钟可通过捕获服务器端发送的PN码产生一个秒脉冲。验证了用户端对时延测量信号解调与捕获方法的有效性，进而验证了基于PN码进行时延测量的可行性。

3.3 性能测试

基于以上实验系统，分别对来自同一电话端局的国家授时中心内部电话，来自不同电话端局的临潼到西安市区的市话，来自省级交换中心的临潼到渭南的省内长话以及西安市内IP网络电话等电话信道的时延进行了测试，测试时间为5 min，测试结果如图11至图14所示。

图11 同一电话端局内部电话测试图

图12 不同电话端局市话测试图

图13 省内长话测试图

图14 市内IP网络电话测试图

图11至图14的测量均值和测量标准差可以用表1表示。

表1 时延测量值

通过表1可以看出，基于图9所示的实验系统可以准确测出电话信道的时延值，时延均值可通过数据传输方式在用户端扣除，故相对于时延均值，我们更注重时延标准差，标准差反映了信道时延的波动，将会决定授时的准确度，表1中数据显示标准差均在125μs以内，表明时延测量波动值可以达到125μs。图11和图12显示：同一电话端局的内部电话和不同电话端局的市话的时延测量值围绕均值在上下波动；而图13和图14显示：省内长话和IP网络电话的时延测量值朝某一个方向单向变化，测量结果显示并未对标准差产生很大影响，而长时间测量可能会使时延测量波动值变大，主要原因在于省内长话和IP网络电话的服务器端时间源和用户端时间源的频率差引起了时差的线性变化，而时差的变化被计入到时延的测量中，实际电话授时的授时时间很短，通常在1 min以内可以完成，因而以上通道时延的单向变化趋势对于电话授时准确度的影响较小。

4 结论

目前无线授时方式的授时准确度较高，且应用广泛，但是对于接收无线信号受限的环境，有线授时方式可以作为重要的补充，而提高有线授时方式的授时准确度成为促进其应用的关键。本文基于电话信道特性，将PN码信号应用于信道时延的测量，提出了一种基于PN码的信道时延测量方法，通过实验验证表明本方法可以精确测量电话信道时延，并可将传统电话授时毫秒级的时延测量波动值减小到125μs，为提高电话授时准确度打下了基础。

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Research on method of time delay measurement in telephone channel based on PN code

JIN Xiao-zhen1,2,3, HUA Yu1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precise Navigation and Timing Technology, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A new time delay measurement method is proposed to improve the timing accuracy in telephone time service system, PN code is used to measure time delay in the method. The PN code is modulated firstly by sine wave, and then the modulated signal is converted to analog signal. The analog signal is transmitted from time server to user terminal through telephone channel. Then the received analog signal is converted to digital signal which is demodulated to PN code signal. Because PN code can be quickly captured duo to its auto-correlation characteristic, it can be used to measure the time delay in telephone channel. The experiment results between different telephone interoffice proved that the time delay fluctuation in telephone channel can be decreased from millisecond to less than 125 microseconds, it is a foundation work for improving the accuracy of telephone time service.

time delay measurement; PN code; fluctuation

TN911.7

A

1674-0637(2017)04-0221-10

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-04-0221-10

2017-04-17

中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（29Y607YR00011）

金晓臻，男，博士研究生，助理研究员，主要从事授时方法与技术研究。