不同扩频码速率对TWSTFT比对的影响研究

陈晓堂，刘娅，史琛，李孝辉，王晓晗



不同扩频码速率对TWSTFT比对的影响研究

陈晓堂1,2，刘娅1,3,4，史琛1,3，李孝辉1,3,4，王晓晗5

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院 时间频率基准实验室，西安 710600；4. 中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 100049；5.中国人民解放军61336部队，北京 100094）

卫星双向时间频率传递是目前世界上最准确的远距离时间比对技术之一。它是将两个地面站的时间信号通过卫星发送给对方站，时间信号的传输通过扩频码实现，因此扩频码速率是影响其比对精度的一个重要因素。文章首先给出了扩频通信的相关理论，然后通过设计比较试验，分析了不同扩频码速率对钟差测量的影响，特别是不同扩频码速率对设备时延的影响。试验结果证明扩频码速率越高，测量结果的不确定度越低，与理论分析一致。但受通信带宽的限制，扩频码速率不能无限扩大。文章根据实测验证，给出了卫星双向比对设备测试的码速率的选取原则建议。

卫星双向时间频率传递；卫星双向时间传递；扩频码速率；设备时延；钟差测量

0 引言

卫星双向时间频率传递是指两地面站同时向卫星（GEO）发射时间调制信号，经卫星转发后两站分别接收来自对方站的信号，两地面站将测量结果互换后相减，得到两站之间高精度的钟差[1-4]。卫星双向采用伪码扩频的方式对原子钟产生的时间脉冲信号进行调制与解调，在对时间信号进行调制前，需将时间信号与扩频码相乘，以扩展传输的带宽，这样可以使双向系统具有更好的抗干扰、抗衰减特性。

1 扩频码速率理论分析

在卫星双向时间频率的传递过程中，为了提高时间信号传递的准确度，需将时间信号先与扩频码相乘，再进行调制和发送。扩频通信技术是一种信息传输方式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息需要的带宽，在收端解调后采用相同的扩频码进行相关处理，以恢复所传信息数据。扩频通信系统最大的特点是其具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。卫星双向正是基于扩频通信优良的抗干扰性能，保证了卫星双向时间信号的安全可靠。

扩频通信的基本理论依据是信息理论中的香农公式，如式（1）所示：

式（1）中，为信道容量，为信道宽度，为信号平均功率，为噪声平均功率[5]。

香农公式指出，在给定信号平均功率和白噪声平均功率的情况下，只要采用某种编码系统，就能以任意小的差错概率以接近于的传输速率来传送信息。由公式可知，如果增加频带宽度，就可以在较低信噪比的条件下以任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号的带宽，也能进行可靠的通信。

信息流()（原子钟产生的1 pps时间信号）与调制解调器（Modem）产生的二进制伪随机码()相乘，得到复合信号()。由于伪随机码的码速率远大于信息流的码速率，这样便扩展了传输信号的带宽。频率扩展后的复合信号()对载波进行调制（卫星双向采用BPSK调制），得到扩频信号()，然后通过发射机和天线将信号送入信道中传输。它的基本原理如图1[5-6]所示。发射机输出的扩频信号的带宽取决于伪随机码的码速率。在BPSK调制的情况下，射频信号的带宽等于伪随机码速率的两倍，而几乎与数字信号的码速率无关。由香农定理知，在卫星双向时间频率传递时，增加伪随机码的码速率，便可增加射频信号的带宽，在信噪比不变的情况下，就能提高信道的容量，降低信息的差错率，有助于提高时间测量的准确度，同时，码速率越高意味着码片越小，即测距码的分辨率越高，即测量准确度越高。

图1 卫星双向时间频率信号发射模型

此外 ，在伪码扩频技术中，不同的扩频码速率具有不同的测量精度，测量精度与码元宽度的关系如式（2）所示：

2 测试原理

在卫星双向传递时，时间信号经地面设备进行调制并变频后通过天线发射出去，经卫星中转后由对面站接收，信号传递链路中各部分延迟的精确校准是实现高精度比对的基础，而其中设备延迟又是误差项的主要来源。因此，要分析不同扩频码速率对卫星双向时间频率传递的影响，可将其分解为两部分：一是不同扩频码速率对地面设备时延的影响；二是不同扩频码速率对卫星双向测试站间钟差结果的影响。其中，卫星双向比对地面设备按安装位置不同可分为两部分，分别是室内和室外设备。室内设备主要负责信号的生成和信号的调制解调，它的设备主要有调制解调器（Modem）；室外部分主要负责信号的上下变频和对信号进行滤波、放大。地面站设备组成如图2所示。

图2 地面站设备组成结构图

其中，室内设备时延指发射信号的扩频、调制时延和接收信号的接收信号的解扩、解调时延以及电缆的传输时延的和，如图3所示。室外设备时延指经调制后的发射信号经上变频器变频的时延，经功率放大器进行功率放大的时延，经模拟转发器将发射信号转发为接收信号的时延，接收信号经过低噪声放大器进行低噪声放大的时延，接收信号经过下变频器进行下变频的时延以及信号经过电缆的时延的和。图4为室外时延设备示意图。地面设备时延包含室内设备时延和室外设备时延两部分。

图3 室内设备时延图

图4 室外设备时延图

3 测试方法

本文针对上述目标，设计了两种试验，一是试验不同扩频码速率对地面设备时延的影响。试验时先测量不同扩频码速率对地面设备整体时延的总体影响，然后再单独测试不同扩频码速率对地面室内设备时延的影响，最后比较两次测量的结果，分析不同扩频码速率对室外设备时延的影响。二是试验不同扩频码速率对站间钟差的影响。由于在两部分的试验中测试的均是不同扩频码速率的影响，因而在这两部分试验中，在保证其他参数不变的情况下，均将扩频码速率分别设置为20，5，2.5，1和0.5M码片/s。下面详细介绍试验情况。

4 测试试验

4.1 不同扩频码速率对地面设备时延的影响

4.1.1 不同扩频码速率对室内设备时延的影响

不同扩频码速率对室内设备时延的影响的试验原理如图5所示，两台Modem使用同一原子钟输出的10 MHz和1 pps信号作为参考（1 pps是传输的原子钟的时间信号，10 MHz是作为调制的载波），两台Modem的输出经过衰减器互连，不经过室外设备。其中，加入衰减器，是因为Modem的输出信号功率过大，直连会导致输入过载。

图5 不同扩频码速率对室内设备时延的影响的试验原理图

不同扩频码速率对室内设备时延的影响的变化关系如图6和7所示，将所测数据计算标准差，具体的统计结果如表1所示。

图6 不同扩频码速率对Modem345接收时延和Modem374发射时延的影响（初测）（2015-12-19）

图7 不同扩频码速率对Modem345接收时延和Modem374发射时延的影响（复测）（2015-12-20）

表1 不同扩频码速率对室内设备时延的影响

观察表1数据发现，扩频码速率越小，室内设备时延的标准差越大，数据的稳定性越差，即测试的数据质量越差。其中，20 M码片/s的扩频码速率的标准差比2.5，1和0.5 M码片/s的扩频码速率的标准差好一个量级以上，说明20 M码片/s扩频码速率时测得的数据质量较其他扩频码速率有明显提升。另外，扩频码速率不同，测得的室内设备时延的均方根值不同，说明扩频码速率对室内设备时延的大小有影响。

4.1.2 不同扩频码速率对地面设备整体时延的影响

不同扩频码速率对地面设备整体时延的影响测试是利用地面站内置的卫星模拟转发器，转发本站发射的信号到接收通道，通过自发自收测试地面站的环路时延，试验原理图参照图2。为了充分验证结果，试验反复进行了多次，图8和9是其中两次典型结果，统计结果如表2所示。

图8 不同扩频码速率对地面设备整体时延的影响（初测）（2015-10-17）

图9 不同扩频码速率对地面设备整体时延的影响（复测）（2015-10-30）

表2 不同扩频码速率对地面设备整体时延的影响

由扩频通信和香农公式可知，增加扩频码速率，可提高传输信号的抗干扰能力，传输的数据质量越好，如图8和9所示，减小扩频码速率对应的测量误差明显增大，进一步对测量结果进行统计，结果如表1示，扩频码速率越小，设备整体时延的标准差越大，数据的稳定性越差。其中，20码片/s扩频码速率的地面设备整体时延的标准差比2.5，1和0.5码片/s扩频码速率的设备时延的标准差好一个量级以上，说明20 M码片/s扩频码速率时测得的数据质量较其他扩频码速率有明显提升，这一结果与理论分析吻合。不同扩频码速率对地面设备整体时延复测的结果全面优于初测，这与复测持续时间更短有关。初测试验总共约持续了12 h复测是验证性质，因此持续了约2 h。比较表1和表2发现，相同扩频码速率时，室内设备时延的标准差比室内外设备整体时延的标准差要小一个量级，室内设备0.5 M码片/s的扩频码速率的标准差与室内外整体设备5 M码片/s的扩频码速率的标准差相当，这说明室内设备对测量不确定度的贡献远小于室外设备。另外，扩频码速率不同，测得的设备整体时延的均方根值不同，说明扩频码速率对设备整体时延的大小也有影响。

4.2 不同扩频码速率对站间钟差的影响

不同扩频码速率对站间钟差测量的影响的试验原理图如图10所示，将两台Modem分别置于西安和喀什两地，Modem（345）接入西安厂区铯钟产生的时间信号，Modem（374）接入喀什站氢钟产生的时间信号，用双向移动校准站测试不同扩频码速率对站间钟差的影响。

图10 不同频码速率对站间钟差的影响的试验原理图

不同扩频码速率测试时间比较长，受两地时间参考存在频差的影响，站间钟差结果主要反映两地时间的变化，码速率影响被淹没其中，故将每个扩频码速率试验时间段进行细分，以20min作为一个试验时段，根据两地钟频差分析，20 min内钟差变化小于1 ns，可以忽略。假设20 min内两地钟差相对变化可忽略，计算测试结果的标准差，选取各码速率中的两组典型值于表3所示，并取各码速率中的一组典型值于图11所示。

根据图10，11和表3中的测试结果可以看出，扩频码速率越小，站间钟差值的标准差越大，数据的稳定性越差，即测试的数据质量越差。其中，扩频码速率在0.5M码片/s时，钟差值变化最大。0.5M码片/s扩频码速率的站间钟差标准差较20M码片/s扩频码速率的站间钟差标准差大一个量级以上，说明扩频码速率越大，测得的数据的稳定性越好。

图11 不同扩频码速率对站间钟差测量的影响

表3 不同扩频码速率对站间钟差的影响

5 结语

为了验证扩频码速率对卫星双向的影响，设计了两个试验进行验证。一是试验不同扩频码速率对设备时延的影响。经试验发现，扩频码速率越小，室内设备时延和室内外设备整体时延的标准差均越大，数据的稳定性越差，即测试的数据质量越差。并且当扩频码速率相同时，比较对应的室内设备时延和室内外设备整体时延部分发现，室内设备时延的标准差比室内外设备整体时延的标准差要小一个量级，可见室内设备受扩频码速率影响远小于室外设备；二是试验不同扩频码速率对站间钟差的影响。经试验发现，随着扩频码速率的减小，站间的钟差值的标准差越来越大，说明测得的数据质量越来越差。此外，扩频码速率不同，测得的设备时延的均方根值不同，说明扩频码速率对设备时延的大小也有影响。

综上，经过两个试验的验证发现，随着扩频码速率的减小，卫星双向测得站间钟差及设备时延的稳定性均越来越差，并且扩频码速率对室外设备时延也有影响。因此，在进行卫星双向时间频率传递试验时，如果带宽条件足够，建议将扩频码速率设置为20M码片/s，测量不确定度最低，并且保持各次测试结果均使用相同码速率，以确保设备时延的稳定性，当带宽资源有限时，5 M码片/s码速率对测量贡献的不确定度在0.2 ns以内，在满足测试精度要求情况下，也可以使用。

[1] PIESTER D，BAUCH A，BECKER J，et al．Time transfer between USNO and PTB: operation and calibration results[C] // 35th Annual Precise Time and Time Interval Meeting, 2003: 93-102.

[2] PIESTER D, ACHKAR J, BECKER J, et al. Calibration of six European TWSTFT earth stations using a portable station[C]//Proceedings of the 20th European Frequency and Time Forum, Braunschweig: [s.n.], 2006: 460-467.

[3] 李志刚, 李焕信, 张虹. 卫星双向时间比对的归算[J]. 天文学报, 2002, 43(4): 422-431.

[4] 刘利, 韩春好. 卫星双向时间比对及其误差分析[J]. 天文学进展, 2004, 22(3): 219-226.

[5] 暴宇. 扩频通信技术及应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2011: 2-67.

[6] 田日才. 扩频通信[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007: 8-56.

[7] 武文俊. 卫星双向时间频率传递的误差研究[D]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2012: 4-42.

The study on effect of different spread spectrum code rates on TWSTFT comparison

CHEN Xiao-tang1,2, LIU Ya1,3,4, SHI Chen1,3, LI Xiao-hui1,3,4, WANG Xiao-han5

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Science, Xi’an 710600, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China；4. School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；5. Unit 61336 of PLA, Beijing 100094, China)

Two-way satellite time and frequency transfer (TWSTFT) is one of the most accurate mean for remote clock comparison, which sends local clock signal to the other station through the satellite simultaneously. The spread spectrum code rate is an important factor which affect the precision of the time comparison because the transmission of time signal is realized through the spread code. This paper firstly introduces the theory of spread spectrum communication, and then analyzes the influence of different spread-spectrum code rates on measurement of clock error by test experiment, especially the influence of different spread-spectrum code rates on the device delay. The test results show that the higher the spread-spectrum code rate, the small the measuring uncertainty, it is consistent with the theoretical analysis. However, due to the limitation of communication bandwidth, the spread-spectrum code rate can not be extended infinitely. Based on the experimental data, the selection of spread-spectrum code rates for TWSTFT device testis proposed.

two-way satellite time and frequency transfer; two-way satellite time transfer; spread-spectrum code rate; device delay; measurement of clock error

P127.1

A

1674-0637(2017)03-0146-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0146-09

2017-01-18

国家自然科学基金资助项目（61127901）

陈晓堂，男，硕士研究生，主要从事卫星双向时间频率传递误差校准方法研究。