地面數字電視單頻網中北斗同步時鐘的研究

朱忠城

地面數字電視單頻網中北斗同步時鐘的研究

朱忠城

（作者單位：福州大學物理與信息工程學院；福州董鳳山發射臺）

在地面數字電視單頻網系統中，使用標準的同步時間是不可或缺的部分，是地面數字電視安全播出的前提條件。目前，地面數字電視單頻網系統中常利用GPS或GPS/北斗雙模授時來獲取標準同步時間。北斗同步時鐘裝置是只基于我國自主研發的北斗衛星用FPGA來實現獲取標準同步時間，并對本地時鐘進行校準，實現地面數字電視單頻網的時間同步。

北斗衛星；地面數字電視；單頻網

單頻網是地面數字電視廣播系統的主要組成方式，具有抗干擾能力強、信息傳播可靠性高、頻率利用率高、移動接收等優勢。我國地面數字電視單頻網技術正處在應用和發展的特殊階段，由于數字電視寬帶傳輸的特點，非常精準的時間同步和頻率同步使其需要既經濟又有效的衛星授時這個統一的參考時鐘，可見衛星授時的高精度時間產品在廣播電視單頻網系統中占有重要位置，是組建廣播電視單頻網的前提條件。現階段，地面數字電視單頻網系統中常利用GPS 或GPS/北斗雙模授時來獲取標準同步時間，在一定程度上存在不安全因素。

1　地面數字電視單頻網組網方式

頻率資源是有限的，隨著現代社會的發展頻率資源日趨緊張，單頻網技術可以節省緊張的頻率資源，可以最大地提高無線覆蓋范圍，在全球的地面數字電視中得到廣泛的應用。目前，最常見的單頻網組網方式是通過復用器對多路信號源進行復用后傳輸給單頻網適配器，單頻網適配器由衛星授時裝置提供高精度的絕對時間參考和頻率參考，之后送到傳輸網絡。在接收端，在同步系統中再一次使用衛星授時裝置，以達到信號同步播出，如圖1。

圖1　地面數字電視單頻網組網示意圖

采用該組網方式可以構建全國性的地面數字電視單頻網，依靠衛星授時裝置的特性，在我國都可以得到一致的同步時間和頻率信息［1］。

2　北斗衛星導航系統的優勢

目前，市面上一般衛星授時產品是GPS授時或者是GPS/北斗雙模授時（一般以GPS衛星信號為主）產品，或多或少都與GPS有關，而GPS是美國軍方的產物。北斗衛星導航系統相比于GPS有以下2個優勢。

2.1安全

這是建立北斗衛星導航系統最最重要的原因，因為在戰時相對的雙方絕對不會讓彼此用他的GPS，GPS信號是可以加密或關閉的。在2000年5月1日前，美國對民用領域的GPS信號使用SA （Selective Availability）政策，即選擇可用性政策，使GPS平面定位精度降低到100m左右，雖然現在SA政策取消了，卻讓民用市場對其信心大大降低，只有自己能夠完全掌控的系統才能保證安全

2.2三頻信號

北斗衛星導航系統使用的是三頻信號，GPS使用的是雙頻信號，這是北斗的后發優勢。三頻信號可以更好地消除高階電離層延遲影響，提高定位可靠性，增強數據預處理能力，大大提高模糊度的固定效率。且如果一個頻率信號出現問題，可使用傳統方法利用另外兩個頻率進行定位，提高了定位的可靠性和抗干擾能力。

3　北斗同步時鐘裝置設計思路

本裝置主要完成北斗衛星授時信號對恒溫晶振的馴服，輸出具有高穩定度、高精度的標準秒脈沖1PPS信號和10MHz基準頻率信號。

3.1北斗同步時鐘的設計與制作

北斗同步時鐘的設計與制作中是利用北斗衛星導航系統單向授時原理提出的，采用單片FPGA來組建閉合鎖相環，其主要電路有FPGA主控器，電源接口、外圍存儲、北斗衛星接收模塊、本地恒溫晶振、D/A轉換器、LED指示電路、JTAG接口、1PPS和10MHz標準頻率信號輸出接口等構成，如圖2。

圖2　北斗同步時鐘電路方框圖

3.2采用FPGA的晶振馴服電路

對本地恒溫晶體振蕩器的馴服是本裝置的重點，也是整個電路的核心部分。采用單片FPGA+D/A+OCXO構建閉合負反饋鎖相環電路，鎖相環形式與數字鎖相環的方式相似，但由于最終控制本地晶體振蕩器OCXO MV85的電壓為模擬電壓而不是數字電壓，因此在環路中加入D/A轉換電路。晶振馴服電路主要包括FPGA（計數器、PID控制器、分頻）、D/A轉換模塊，和本地恒溫晶振。

北斗信號接收模塊提供標準秒脈沖信號，在衛星信號有效的情況下馴服晶振調整其頻率。首先，脈沖計數模塊比較本地恒溫晶振分頻產生的秒脈沖信號與衛星接收模塊標準參考秒脈沖信號進行相位比較，然后通過PID控制器計算出數字調整值，得到數字電壓控制量，通過D/A轉換電路之后給本地恒溫晶振的壓控端，實現對本地晶振頻率的修正，最后通過分頻控制模塊分頻得到秒脈沖信號，實現與衛星標準秒脈沖同步輸出，提高授時精度。若衛星信號無效，因為本地晶振經過馴服頻率得到了補償，因此在短期內可以利用分頻產生的秒脈沖信號作為輸出信號，實現守時功能［2］。

在鎖相環電路中，可以采用等效脈沖計數法對北斗信號接收模塊提供標準秒脈沖信號與本地恒溫晶振分頻產生的秒脈沖信號進行相位比較，比較后通過對PID電路輸出控制調整本地晶體振蕩器的信號。效脈沖計數法其采用的方法是對計數時鐘同時進行四次移相，分別移相45o、90o、135o、180o這樣相對于普通電子計數法可以提高8倍的精度。PID電路起到線性調節作用，它根據給定輸入值與實際輸出值之間的偏差，按照比例（P）、積分（I）、微分（D）函數關系計算出控制量，使輸出很好的跟蹤輸入信號［3］。

4　結語

本裝置是基于FPGA現場可編程門陳列的北斗同步時鐘授時系統，在FPGA內部通過算法測量得到本地1PPS與標準1PPS的偏差，然后采用于鎖相環（PLL）原理來實現對本地恒溫晶振的馴服，輸出標準秒脈沖信號和10 MHz基準頻率信號，，使地面數字電視單頻網播出節目時時同步、減少發射機載波頻率偏差的目的。可以提供優于100ns時間同步精度，并完全摒棄GPS等國外衛星導航系統，有完全自主控制權，可靠性高，安全性強。

[1]陽輝,馬杰,潘長勇.地面數字電視單頻網組網技術[J].電視技術,2006(2).

[2]張道杰.基于鎖相環結構的GPS時間同步系統及其在電力系統中的應用研究[D].西安:西安理工大學,2009.

[3]姚利紅.基于FPGA的電力系統GPS/北斗時間同步裝置[D].濟南:山東大學,2010.

朱忠城（1984-），男，福建福州人，本科，工程師，研究方向：廣播電視無線傳輸。