地面数字电视单频网中北斗同步时钟的研究

朱忠城

地面数字电视单频网中北斗同步时钟的研究

朱忠城

（作者单位：福州大学物理与信息工程学院；福州董凤山发射台）

在地面数字电视单频网系统中，使用标准的同步时间是不可或缺的部分，是地面数字电视安全播出的前提条件。目前，地面数字电视单频网系统中常利用GPS或GPS/北斗双模授时来获取标准同步时间。北斗同步时钟装置是只基于我国自主研发的北斗卫星用FPGA来实现获取标准同步时间，并对本地时钟进行校准，实现地面数字电视单频网的时间同步。

北斗卫星；地面数字电视；单频网

单频网是地面数字电视广播系统的主要组成方式，具有抗干扰能力强、信息传播可靠性高、频率利用率高、移动接收等优势。我国地面数字电视单频网技术正处在应用和发展的特殊阶段，由于数字电视宽带传输的特点，非常精准的时间同步和频率同步使其需要既经济又有效的卫星授时这个统一的参考时钟，可见卫星授时的高精度时间产品在广播电视单频网系统中占有重要位置，是组建广播电视单频网的前提条件。现阶段，地面数字电视单频网系统中常利用GPS 或GPS/北斗双模授时来获取标准同步时间，在一定程度上存在不安全因素。

1　地面数字电视单频网组网方式

频率资源是有限的，随着现代社会的发展频率资源日趋紧张，单频网技术可以节省紧张的频率资源，可以最大地提高无线覆盖范围，在全球的地面数字电视中得到广泛的应用。目前，最常见的单频网组网方式是通过复用器对多路信号源进行复用后传输给单频网适配器，单频网适配器由卫星授时装置提供高精度的绝对时间参考和频率参考，之后送到传输网络。在接收端，在同步系统中再一次使用卫星授时装置，以达到信号同步播出，如图1。

图1　地面数字电视单频网组网示意图

采用该组网方式可以构建全国性的地面数字电视单频网，依靠卫星授时装置的特性，在我国都可以得到一致的同步时间和频率信息［1］。

2　北斗卫星导航系统的优势

目前，市面上一般卫星授时产品是GPS授时或者是GPS/北斗双模授时（一般以GPS卫星信号为主）产品，或多或少都与GPS有关，而GPS是美国军方的产物。北斗卫星导航系统相比于GPS有以下2个优势。

2.1安全

这是建立北斗卫星导航系统最最重要的原因，因为在战时相对的双方绝对不会让彼此用他的GPS，GPS信号是可以加密或关闭的。在2000年5月1日前，美国对民用领域的GPS信号使用SA （Selective Availability）政策，即选择可用性政策，使GPS平面定位精度降低到100m左右，虽然现在SA政策取消了，却让民用市场对其信心大大降低，只有自己能够完全掌控的系统才能保证安全

2.2三频信号

北斗卫星导航系统使用的是三频信号，GPS使用的是双频信号，这是北斗的后发优势。三频信号可以更好地消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，大大提高模糊度的固定效率。且如果一个频率信号出现问题，可使用传统方法利用另外两个频率进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。

3　北斗同步时钟装置设计思路

本装置主要完成北斗卫星授时信号对恒温晶振的驯服，输出具有高稳定度、高精度的标准秒脉冲1PPS信号和10MHz基准频率信号。

3.1北斗同步时钟的设计与制作

北斗同步时钟的设计与制作中是利用北斗卫星导航系统单向授时原理提出的，采用单片FPGA来组建闭合锁相环，其主要电路有FPGA主控器，电源接口、外围存储、北斗卫星接收模块、本地恒温晶振、D/A转换器、LED指示电路、JTAG接口、1PPS和10MHz标准频率信号输出接口等构成，如图2。

图2　北斗同步时钟电路方框图

3.2采用FPGA的晶振驯服电路

对本地恒温晶体振荡器的驯服是本装置的重点，也是整个电路的核心部分。采用单片FPGA+D/A+OCXO构建闭合负反馈锁相环电路，锁相环形式与数字锁相环的方式相似，但由于最终控制本地晶体振荡器OCXO MV85的电压为模拟电压而不是数字电压，因此在环路中加入D/A转换电路。晶振驯服电路主要包括FPGA（计数器、PID控制器、分频）、D/A转换模块，和本地恒温晶振。

北斗信号接收模块提供标准秒脉冲信号，在卫星信号有效的情况下驯服晶振调整其频率。首先，脉冲计数模块比较本地恒温晶振分频产生的秒脉冲信号与卫星接收模块标准参考秒脉冲信号进行相位比较，然后通过PID控制器计算出数字调整值，得到数字电压控制量，通过D/A转换电路之后给本地恒温晶振的压控端，实现对本地晶振频率的修正，最后通过分频控制模块分频得到秒脉冲信号，实现与卫星标准秒脉冲同步输出，提高授时精度。若卫星信号无效，因为本地晶振经过驯服频率得到了补偿，因此在短期内可以利用分频产生的秒脉冲信号作为输出信号，实现守时功能［2］。

在锁相环电路中，可以采用等效脉冲计数法对北斗信号接收模块提供标准秒脉冲信号与本地恒温晶振分频产生的秒脉冲信号进行相位比较，比较后通过对PID电路输出控制调整本地晶体振荡器的信号。效脉冲计数法其采用的方法是对计数时钟同时进行四次移相，分别移相45o、90o、135o、180o这样相对于普通电子计数法可以提高8倍的精度。PID电路起到线性调节作用，它根据给定输入值与实际输出值之间的偏差，按照比例（P）、积分（I）、微分（D）函数关系计算出控制量，使输出很好的跟踪输入信号［3］。

4　结语

本装置是基于FPGA现场可编程门陈列的北斗同步时钟授时系统，在FPGA内部通过算法测量得到本地1PPS与标准1PPS的偏差，然后采用于锁相环（PLL）原理来实现对本地恒温晶振的驯服，输出标准秒脉冲信号和10 MHz基准频率信号，，使地面数字电视单频网播出节目时时同步、减少发射机载波频率偏差的目的。可以提供优于100ns时间同步精度，并完全摒弃GPS等国外卫星导航系统，有完全自主控制权，可靠性高，安全性强。

[1]阳辉,马杰,潘长勇.地面数字电视单频网组网技术[J].电视技术,2006(2).

[2]张道杰.基于锁相环结构的GPS时间同步系统及其在电力系统中的应用研究[D].西安:西安理工大学,2009.

[3]姚利红.基于FPGA的电力系统GPS/北斗时间同步装置[D].济南:山东大学,2010.

朱忠城（1984-），男，福建福州人，本科，工程师，研究方向：广播电视无线传输。