一种低频时码授时信号模拟器的制作方法

本发明属于信号与信息处理技术领域，涉及一种信号模拟器，用于为低频时码定时接收机的研制、时延标校提供模拟信号。

背景技术：

低频时码技术是国际电信联盟(itu)一直鼓励和支持推广的一种低频低速率的授时方式；低频无线电波的传播主要靠地波和天波，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(天波覆盖半径可达2000公里以上)，非常适合承载时码信息。

低频时码技术利用低频无线电波传输稳定、覆盖范围广、穿透能力强等特点，在电波钟表及民用工程领域取得了很大的进展。世界上主要的大国都拥有独立的低频时码授时系统，美国低频时码授时台的呼号为wwvb(载波为60khz)；俄罗斯由于国土面积大，拥有两座低频时码授时台呼号分别为rtz(载波为50khz)，rbu(载波为66.66khz)；英国低频时码授时台的呼号为msf(载波为60khz)；德国低频时码授时台的呼号为dcf77(载波为77.5khz)；日本拥有两座低频时码授时台呼号分别为jjy40(载波为40khz)，jjy60(载波为60khz)；我国的低频时码授时台呼号为bpc(载波为68.5khz)，位于河南省商丘市。

传统的低频时码授时信号模拟源，采用模拟器件搭建，发播控制精度低，不能对信号的输出幅度进行调整，不能模拟现实中的噪声和干扰，不能输出多频点，不能对多频点的输出信号进行相位一致性保持，仅能模拟输出一种低频时码授时台的信号，比如bpc专用信号模拟源，只能输出68.5khz的bpc时码，且发播控制精度较低，该类型的专用模拟源已不能满足科研和市场的需求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低频时码授时信号模拟器，采用数字电路控制，发播控制精度高，可以灵活模拟现实中的信号，对信号的幅度、噪声和干扰进行调整，能为多种型号的低频时码接收机研制提供激励信号，模拟中国的bpc，美国的wwvb，日本的jjy40和jjy60低频时码授时台的信号，并能以较高的相位一致性输出其中任意两路低频时码信号，能为低频时码授时系统的调试、性能评估、设备维护提供服务。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低频时码授时信号模拟器，包括模拟器控制单元、时间频率产生单元、信号产生与转换单元和信号合成输出单元。

所述的模拟器控制单元根据外部输入控制频点的选择、幅度的控制、干扰与噪声的有无及幅度；时间频率产生单元根据模拟器控制单元提供的时间频率信号进行频率和时间源的选择，产生fpga工作所需的工作时钟，输出10mhz频率信号和1pps定时信号至信号产生与转换单元；信号产生与转换单元模拟产生多频点低频时码授时信号，并调整输出信号的相位一致性，将地波信号、天波信号、干扰信号和随机噪声四路信号输出至信号合成输出单元；信号合成输出单元将四路信号通过数模转换器转换成模拟信号，并根据模拟器控制单元输出的参数，调整地波信号、天波信号、干扰信号及随机噪声的幅度，产生并输出低频时码授时信号。

所述的模拟器控制单元包括键盘、液晶显示屏、gnss接收机和模拟源中央处理器；中央处理器接收键盘输入的配置信息，并将正在输出的信号特征参数输送至液晶显示屏进行显示，gnss接收机为gps或者北斗接收机，中央处理器将从gnss接收机解调出的时码信息和位置信息输送至时间频率产生单元和信号产生与转换单元。

所述的时间频率产生单元包括恒温晶振、频率选择器、时间信号选择器和时钟管理芯片；外部输入的10mhz信号和模拟器自带的恒温晶振产生的10mhz信号分别输出至频率选择器，频率选择器对两个10mhz频率信号进行选择，并优先选择模拟器自带的内部10mhz信号，10mhz信号进入时钟管理芯片产生工作时钟，工作时钟的频率能够整数分频至低频时码载波频率；gnss接收机将解调输出的1pps定时信号和时码信息输出至时间信号选择器，时间信号选择器将gnss接收机输入的1pps信号和内部分频产生的1pps定时信号进行判断，优先选择内部输入1pps，然后输出1pps定时信号；同理，对时码信息进行选择，优先选择内部时码信息。

所述的信号产生与转换单元包括低频时码编码调制模块、低频时码信号格式参数配置模块、延迟模块、随机噪声模块和干扰模块；低频时码信号格式参数配置模块根据信号参数选择输出中国bpc时码、日本jjy时码或者美国wwvb时码，并通过低频时码编码调制模块将时码信息进行相应的调制编码，输出地波信号，延迟模块根据输入的天波参数将地波信号进行延迟生成天波信号；随机噪声模块根据输入的噪声参数产生噪声信号并输出；干扰模块根据输入的干扰参数产生干扰信号。

所述的信号合成输出单元包括数模转换模块、幅度调节模块、信号合成模块和滤波器模块；数模转换模块将地波信号、天波信号、噪声信号和干扰信号转换成模拟信号输出至幅度调节模块；幅度调节模块根据输入的信号幅度调节参数，进行幅度调节控制，然后将信号输出至信号合成模块；最后经过滤波后输出低频时码授时信号。

本发明的有益效果是：由于采用

(1)本发明可以真实模拟多种国内外低频时码信号，包括中国bpc授时发播台、美国wwvb授时发播台和日本jjy40及jjy60发播台的授时信号；

(2)本发明可以根据需要对低频时码的地波信号幅度、天波信号幅度、噪声幅度和干扰幅度进行调整，以适应不同的应用场合；

(3)本发明输出的低频时码信号相位一致性高，可以应用于低频时码接收机的时延标定、接收机抗噪与抗干扰能力测试等多种用途；

(4)本发明内置了gnss定时接收机，可以提供实时调制低频时码的授时信号，便于用户对低频时码接收机的时延标定；同时提供内置的固定时间信息，用户可以根据不同的使用环境进行选择；

(5)本发明提供的频率及时间信号自动选择器，可根据需要进行切换，方便使用。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图；

图2是本发明的模拟器控制单元结构框图；

图3是本发明的时间频率产生单元结构框图；

图4是本发明的信号产生与转换单元结构框图；

图5是本发明的信号合成输出单元结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明为解决我国低频时码授时系统建设发展以及低频时码定时接收机研究的需求，提出一种功能完善、操作简单且可扩展的低频时码定时信号模拟器，在任何地方都能模拟中国的bpc、美国的wwvb、日本的jjy40和jjy60低频时码授时台的信号，并兼顾授时信号的实时性，以满足低频时码授时系统建设维护需求以及低频时码定时接收机研制调试及时延标定等需求。

本发明提供的一种低频时码授时信号模拟器，包括模拟器控制单元、时间频率产生单元、信号产生与转换单元和信号合成输出单元；

模拟器控制单元根据键盘的输入对模拟器进行配置，包括频点的选择，幅度的控制，干扰与噪声的有无及幅度的控制；并将相关参数通过液晶显示屏进行显示，同时将gnss接收机输出的时码信息输出至低频时码信号产生与转换单元。时间频率产生单元根据模拟器控制单元输入的时频参数进行频率和时间源的选择，产生fpga工作所需的工作时钟，输出10mhz频率信号和1pps定时信号至信号产生与转换单元；信号产生与转换单元模拟产生多频点低频时码授时信号，并调整输出信号的相位一致性，将地波信号、天波信号、干扰信号和随机噪声，四路信号输出至信号合成输出单元；信号合成输出单元将四路信号通过数模转换器转换成模拟信号，并根据模拟器控制单元输出的参数，调整地波信号、天波信号、干扰信号及随机噪声的幅度，产生并输出低频时码授时信号。

所述模拟器控制单元包括键盘、液晶显示屏、gnss接收机和模拟源中央处理器；中央处理器接收键盘输入的配置信息，并将正在输出的信号特征参数输送至液晶显示屏进行显示，gnss接收机为gps或者北斗接收机，中央处理器将从gnss接收机解调出的时码信息和位置信息输送至时间频率产生单元和信号产生与转换单元。

所述时间频率产生单元主要为整个模拟器提供工作时钟和定时信号。包括恒温晶振、频率选择器、时间信号选择器和时钟管理芯片；外部输入的10mhz信号和模拟器自带的恒温晶振产生的10mhz信号分别输出至频率选择器，频率选择器对两个10mhz频率信号进行选择，并优先选择模拟器自带的内部10mhz信号，10mhz信号进入时钟管理芯片产生电路工作所需的工作时钟，工作时钟频率的产生原则为该频率为可以整数分频至低频时码载波频率；gnss接收机将解调输出的1pps定时信号和时码信息输出至时间信号选择器，时间信号选择器将gnss接收机输入的1pps信号和内部分频产生的1pps定时信号进行判断，优先选择内部输入1pps的原则进行自动选择切换，然后输出1pps定时信号；同理，对时码信息进行选择，优先选择内部时码信息。

所述信号产生与转换单元包括低频时码编码调制模块、低频时码信号格式参数配置模块、延迟模块、随机噪声模块和干扰模块；低频时码信号格式参数配置模块根据信号参数选择输出中国bpc时码、日本jjy时码或者美国wwvb时码，并通过低频时码编码调制模块将时码信息进行相应的调制编码，输出地波信号，延迟模块根据输入的天波参数将地波信号进行延迟生成天波信号；随机噪声模块根据输入的噪声参数产生噪声信号并输出；干扰模块根据输入的干扰参数产生干扰信号。

所述信号合成输出单元包括数模转换模块、幅度调节模块、信号合成模块和滤波器模块；数模转换模块将地波信号、天波信号、噪声信号和干扰信号转换成模拟信号输出至幅度调节模块；幅度调节模块根据输入的信号幅度调节参数，进行幅度调节控制，然后将信号输出至信号合成模块；最后经过滤波后输出低频时码授时信号。

参照图1，本发明的实施例中，低频时码模拟器包括模拟器控制单元、时间频率产生单元、信号产生与转换单元和信号合成输出单元。模拟器控制单元根据键盘输入对模拟器进行参数配置，如低频时码授时台的选择、信号幅度的设置和内外频标选择等，并将相关参数通过液晶显示屏进行显示，同时将gnss接收机的时码信息输出至低频时码信号产生与转换单元。时间频率产生单元根据模拟器控制单元输入的时频参数进行频率和时间源的选择，输出10mhz频率信号和1pps定时信号至信号产生与转换单元；信号产生与转换单元模拟产生多频点低频时码授时信号，并调整输出信号的相位一致性，将地波信号、天波信号、干扰信号和随机噪声，并将该四路信号输出至信号合成输出单元；信号合成输出单元将四路信号通过数模转换器转换成模拟信号，并根据模拟器控制单元输出的参数，调整地波信号、天波信号、干扰信号及随机噪声的幅度，产生并输出低频时码授时信号。

参照图2，本发明的实施例中，模拟器控制单元包括gnss接收机、键盘、液晶显示屏、数据传输模块、显示控制模块和数据处理模块。其中，gnss接收机选用gps或者北斗定时接收机，提供时码信息和1pps定时信号；键盘主要用于参数的输入；液晶显示器用于模拟源当前状态的显示；数据传输模块用于gnss接收机及键盘输入信息的解码和转换；显示控制模块用于控制显示器的状态和显示信息；数据处理模块用于将键盘输入的参数分类转换为模拟器的可识别的逻辑信号，其中数据传输模块、显示控制模块和数据处理模块的功能均由armstm32f4来实现。

参照图3，本发明的实施例中，时间频率产生单元主要包括恒温晶振、频率选择器、时钟管理芯片和时间信号选择器。其中，恒温晶振采用10mhz频率输出，为模拟器提供基准的工作频率信号；时钟管理芯片采用adi公司的ad9516芯片，可对10mhz频率信号进行倍频和分频操作，以产生fpga方便可用的工作时钟频率，及产生低频时码信号的载波信号；频率选择器和时间信号选择器通过fpga编程实现；fpga采用altera公司的ep3c120芯片。

参照图4，本发明中的实施例中，信号产生与转换单元主要包括低频时码编码调制模块、延迟模块、低频时码信号格式参数配置模块、随机噪声模块和干扰模块。其中，低频时码信号格式参数配置模块内置有中国bpc信号、美国wwvb信号和日本jjy40及jjy60信号的编码调制方式，通过用户的参数选择，可以将多频点低频时码信息按不同的编码调制方通过低频时码编码调制模块进行调制输出，并进行相位一致性调整；延迟模块根据输入的天波参数将地波信号进行延迟生成天波信号；随机噪声模块，根据输入的噪声参数产生随机噪声；干扰模块根据输入的干扰参数产生干扰信号。

参照图5，本发明中的实施例中，信号合成输出单元主要包括数模转换模块、幅度调节模块、信号合成模块和滤波模块。其中，数模转换模块采用dacad9744将数字信号转换成模拟信号；幅度调节模块采用放大器ad8041和数控衰减器hmc472实现，根据输入的信号幅度调节参数完成对信号的幅度控制；信号合成模块采用功率合成器实现，最后经过滤波器模块后输出低频时码授时信号。