BPM短波授時發播系統及其通道時延分析與測量

謝亮，蘆旭，蒙智謀，段建文

BPM短波授時發播系統及其通道時延分析與測量

謝亮，蘆旭，蒙智謀，段建文

（中國科學院 國家授時中心，西安 710600）

BPM短波授時系統七部短波發射機及監測控制設備的更新改造于2018年全部完成，由于設備更換，原BPM短波授時發播系統的時延修正值已無法適用于當前系統。重新測量系統各模塊的時延，分析時延產生的原因，對于提高短波授時發播時刻精度至關重要。主要對短波授時發播設備、控制設備等關鍵設備的時延值進行了測量，分析了時延產生的主要因素，為短波授時發播時刻的時延修正提供參考。

短波授時；發射機；時延

0 引言

BPM短波授時系統是國家重大科技基礎設施之一，是我國地基無線電授時服務、國家時頻體系的重要組成部分[1]。短波授時信號主要靠天波進行傳播，不受網絡樞紐和有源中繼體制約，因而具有傳播距離遠和戰時頑存性強等優點[2]。盡管當前新型授時手段不斷涌現，但在叢林、山區等衛星信號易受遮擋的弱覆蓋地區，短波授時依然能夠發揮其獨特優勢。準確測量短波授時發播系統的時延，并采用閉環控制方式予以補償，對于提高短波授時發播時刻準確度，更好地服務短波授時用戶群具有積極的作用。

1 BPM短波授時發播系統的組成及時延分析

BPM短波授時發播系統組成如圖1所示，時頻監控室提供標準時間頻率信號，短波授時臺采用發播設備，將標準時間頻率信號通過無線電傳播出去。由于短波授時臺的核心設備短波發射機進行了升級改造，從而導致短波授時系統發播端的時延發生變化。因此，需要重新測量發射機及其他更新設備的時延，以準確修正UTC發播提前值。

圖1 BPM短波授時發播系統組成框圖

BPM短波授時監測系統主要用于監測短波授時信號的相位準確度及穩定性。該系統可監測的時延為從BPM時號產生設備輸入端到BPM專用接收機輸出端信號的延遲。通過在時間頻率監控室外架設固定寬帶天線，采用四通道BPM專用監測接收機（對應BPM四個載波頻率）接收BPM時號，比較接收解調信號某固定電平相對于UTC（PU）相位差，即可實現對BPM短波授時發播系統時延的監測，通過多次測量，取平均值作為發播時延的修正參考值，原理框圖如圖2所示。

圖2 BPM短波授時監測系統

2 短波授時發播設備時延分析

發射機作為短波授時發播系統的核心設備，分析研究其工作原理、電路結構，信號失真度，對于準確把握發射機的時頻性能，精確計算發播時刻精度具有重要的意義。短波授時系統的發播歷史上有過兩次發射機升級改造，1998年以前使用的短波發射機為乙類屏調機，協調世界時（UTC）發播時刻準確度優于±100 μs。之后采用了當時較為先進的脈寬調制（PDM）發射機，時延平均值約80 μs，相較于乙類屏調機時延有所減少。2013年之后逐步使用目前最為先進的固態發射機。

2.1 脈寬調制（PDM）發射機和全固態發射機的區別

脈寬調制（PDM）發射機與固態發射機最大的區別在于固態發射機采用了功率合成技術，使用全固態器件，發射機的功放、電源、濾波等功能均采用模塊化設計。這種設計相較于PDM發射機，以晶體管代替電子管，延遲大幅降低，同時取消手動調諧匹配機械結構，頻率切換時間減小，從而增加了發射機的可靠性[3]。

脈寬調制（PDM）發射機原理如圖3所示。音頻信號對方波進行脈寬調制，放大后經調制級濾波還原，脈沖放大器和調制級均處于開關狀態。高頻末級（被調級）工作于丙類或丁類狀態。因此，PDM發射機的信號時延是信號經比較器、脈沖放大器、調制級、低通濾波器、高頻末級到天線端口的時延總和。

圖3 脈寬調制（PDM）發射機原理

固態短波發射機原理如圖4所示。頻率合成器將標準頻率信號通過頻率合成與音頻同時送至信號調制器進行幅度調制。已調信號經高精度衰減控制進行調幅度設置并送推動級放大器進行第一級放大，放大之后的信號由功率分配器分解成十六路分別送往十六個功率放大模塊，每個模塊采用濾波器單獨濾波。濾波器的十六路信號每四路進行一次功率合成，從而得到四個功率合成單元。四路放大后的信號再次進行功率合成，最后送往定向耦合器，通過天線輻射出去[4]。因此，全固態發射機的信號時延是時號經信號調制器、推動級放大器、功率分配器、功放電路、濾波電路、功率合成電路、匹配電路至天線端口所產生的延遲。

圖4 全固態短波發射機原理圖

2.2 全固態發射機性能指標對調制信號的影響

對于固態發射機，功放單元的非線性以及濾波器的電路設計結構是產生時延的主要因素，將作為分析研究的重點，其余模塊的時延對整個發射機的時延影響不大，文中不作分析。

BPM短波授時信號采用2.5，5，10和15 MHz四個頻點作為載波信號，使用1 kHz正弦波的固定周波表示UTC和UT1信號。UTC的秒信號寬度為10 ms，整分信號寬度為300 ms。UT1的秒信號寬度為100 ms，整分信號寬度為300 ms[5]。采用1 kHz正弦周波實現UTC秒信號和分信號的數學表達式如式（1）所示：

固態發射機的前級電路中，調制振蕩電路產生的射頻信號功率很小，無法滿足發射要求，因此信號需要經過一系列的放大、緩沖、濾波、功率合成等變換過程，在獲得足夠大的射頻功率之后，才能饋送到天線上輻射出去。

為獲得足夠大的射頻輸出功率，全固態發射機采用了射頻功率放大器，這也是整個發射機的核心模塊。功率放大器使用的晶體管為非線性器件，因而產生新的頻率分量，通常為二次、三次等多次諧波[6]，發射機中的濾波器采用橢圓函數結構實現對諧波分量和雜散分量的濾除和抑制，該濾波器對帶內基波的衰減小于0.3 dB，對帶外諧波分量的衰減大于50 dB，保證發射機符合ITU的相關規定和要求。

短波發射機中，功率放大器晶體管的非線性性質和濾波器模塊的結構特性是產生時延失真的主要環節。由于幅頻特性和時延特性互相關聯，幅頻特性發生劇變總是伴隨相頻特性的非線性，因此幅頻特性和時延特性的不均勻性將導致信號產生時延失真[7-15]。

目前，BPM短波授時系統使用的全固態發射機，已經按照國家《中、短波調幅廣播發射機技術要求和測量方法》[9]（GY/T 225-2007）對5，10，15 MHz 3個頻點進行了技術指標測試，測試結果均優于國家中短波發射機測試參考標準，通過長時間連續運行，其性能可靠穩定[10-15]。表1所示為短波發射機組其中一部發射機入所驗收時，發射機輸出端諧波分量的測試統計數據，表2所示為發射機音頻失真的測量統計記錄。

表1 諧波分量測試數據

從表1可以看出，10 MHz頻點的三次諧波測試指標，實測值未達到設計要求，這是因為發射機兼顧了20.008 MHz頻點，因需要兼顧滿足該頻點的技術指標要求，從而對10 MHz的三次諧波產生了一定的影響，雖然滿足廣電乙級發射機設計指標要求，但對發射機的時延特性將產生一定的不良影響。

表2 音頻失真測量記錄表

表2所示為發射機其中一部音頻失真測試記錄表，從測試結果可以看出，發射機的技術指標滿足發射機設計要求。

對于授時而言，短波時號秒脈沖的調制涉及到頻率對應調制信號起點的初始相位。全固態短波發射機，其電路結構、時頻特性、調制信號失真等因素都會影響授時信號的起始點，高次諧波會使調制信號產生失真，而抑制高次諧波產生的重要因素是短波發射機放大電路和濾波器模塊設計。因此，分析短波發射機的組成結構，通過技術指標了解短波發射機的性能，對于判斷短波發射機時延的穩定性具有至關重要的作用。

通過以上對短波全固態授時發射機關鍵指標的測試可以看出，發射機的諧波分量測試指標和音頻失真測量值均優于國家中、短波調幅廣播發射機技術要求。因而BPM短波授時系統的七部短波授時發射機其時延值是相對穩定的。

2.3 BPM全固態短波發射機時延測量

對于全固態短波發射機和BPM時號分配放大器，采用了實測的測量方式，發射機延遲測量原理如圖5所示，BPM時號分配放大器采用類似方法進行時延測量。截至2018年7月，BPM短波授時系統的七部發射機以及監控設備全部更新完成，本測試采用改造之后的設備完成。利用示波器測量音頻分配放大器輸出的1 kHz秒信號和多路選擇器輸出的調制信號起始時刻的相位差值，從而可確定出發射機時延。

圖5 短波發射機時延測量原理圖

測試結果表明，BPM時號分配放大器的延遲均值約為1 μs（原BPM時號分配放大器均值大于5 μs）。10 kW全固態短波發射機5部機器均進行了測試，測試結果如表3所示，不同的頻點，不同發射機延遲存在差異，但總體比較穩定。該測試結果相較于脈寬發射機延遲減小（PDM脈寬發射機根據歷史測試數據均值在80 μs），這是由于全固態發射機內部采用了大規模的集成電路，采用了晶體管代替陶瓷電子管等原因。

表3 10 kW全固態發射機時延測試數據

3 BPM短波授時發播系統時延修正

在短波時號監測系統中，使用中的時號產生器和短波接收機，設備陳舊，內部電路結構復雜，相較于剛剛更新完成的BPM時號分配放大器和BPM短波發射機，是時延產生的主要因素。

表4 BPM短波授時系統的發播時延 μs

可以看出，影響BPM短波授時系統發播時延的主要因素是系統的組成設備，由于不同的發射機時延本身存在差異，每部發射機的時延相對獨立，不同的發射機，同樣的頻點，其時延值也有差異，且有一定的波動，因此實時監測、實時修正是提高發播端授時精度的關鍵。

目前，BPM短波授時系統的實際運行中，對發射機時延進行統一調整，通過BPM短波授時系統的監測數據，標記總傳遞時延為，采用2018年2月、3月和4月短波10 MHz頻點的數據分析，時延實測均值在360 μs左右，最大時延為395 μs，最小時延為325 μs，波動差值為70 μs，如圖6所示。誤差主要來自發射機時延變化、短波接收機誤差，以及一些其他的忽略因素所導致。發射機時延變化主要源于發射機頻響和發射機音頻處理器以及信號調制器，功放等模塊的性能因素。

圖6 短波授時系統時延實測統計圖

短波UTC發播控制精度是衡量短波授時質量的一個重要指標[16-18]，通過對短波UTC發播控制精度進行實時監控、修正，使其誤差在±5μs以內。在滿足該指標的前提下，通過修正短波發射機、時號放大器等設備的時延，可進一步提高短波發播時刻精度。實際運行中對BPM授時系統每部發射機的時延值進行實時測量且單獨修正，相較于目前采用的將所有發射機時延值進行統一修正，能夠大幅提高BPM短波授時發播時刻準確度。

4 結語

針對短波授時發播系統設備更新改造完成之后，發播設備延遲無參考數據的問題展開研究，分析了兩代發射機的電路結構和工作原理，針對延遲產生的主要構成單元進行了重點分析，最后給出了主要設備的延遲測量數據，計算了發播設備時延修正數值，并建議修正短波授時臺改造之前的時延值。這樣在滿足短波發播控制精度指標的前提下為進一步提高BPM短波授時發播時刻準確度提供參考。

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An analysis and measurement on the time delay of BPM short wave broadcasting system and its channel

XIE liang, LU xu, MENG Zhi-mou, DUAN Jian-wen

(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600)

The National Time Service Center update seven shortwave BPM transmitters and the control systems of these transmitters in 2018. Due to the change of the hardware, the time delay correction values of the old BPM system cannot be used. Therefore, it is necessary to measure the time delay of the new system. Here, we report the measurement of time delays of the new equipments, i.e., the new transmitters and the new control system, and analyze the main reasons of equipment time delays.

shortwave time service; transmitter; time delay

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0248-08

2019-01-23；

2019-03-24

中國科學院國家授時中心青年創新人才資助項目（Y824SC1S11）

謝亮，男，工程師，主要從事長短波授時技術與方法研究。