BMP短波授时

短波授时原理

波长在10~100米，即频率为3~30MHZ的无线电波段为短波波段。短波授时是最早利用短波无线电信号发播标准时间和标准频率信号的授时手段，其授时的基本方法是由无线电台发播时间信号，用户用无线电接收机接收时号，然后进行本地对时。

短波授时采用地波、天波传播信号，其传播范围约为3000km，覆盖全国陆地和近海海域。目前我国西安中科院国家授时中心在发播短波授时信号，BPM短波授时台位于陕西省蒲城县。国家授时中心的短波发射台采用4种标准频率交替发播，频率分别为：2.5MHZ、5MHZ、10MHZ和15MHZ，频率选用随季节不同有所变化，但在每一瞬间都有两个以上的频率在工作，以保证24小时的连续发播。BMP短波授时台的组成框图如下所示。

图1. 短波授时台组成框图

短波授时是一种利用短波无线电信号进行实践频率校准和传递的方法，精度为1ms。无线电台发播的时间信号经过电离层的一次或多次反射，传递给用户；用户再用无线电接收机接收时号，然后进行本地校时。用户在接收信号时还必须考虑地点、频率和季节等因素影响。上文提到的两种短波授时信号（地波和天波），在发射台附近约100km范围内，用户可以使用地波信号，地波同步精度可达0.1ms。短波时号主要依靠电离层反射的天波信号为广大用户服务。短波授时的

优点是覆盖面广、发送设备相对简单、使用成本相对较低。但由于电离层随季节而变化，且电波信号受太阳的活动影响较大，日出和日落时都会影响接收时号，因此造成了短波传输时延的不稳定性，限制了短波时频校对的精度。所以，综上所述对于同步偏差在毫秒级的用户还是非常有利的，对于高精度的则可以作为粗同步方法使用。

BPM短波信号格式

BPM短波信号采用标准频率分别为2.5MHZ、5MHZ、10MHZ、15MHZ载频发送协调世界时（UTC时号）和我国综合世界时系统制定的UT1时号。UT1与UTC时号偏差一般在5us。UTC信号采用正弦波形，即时刻起点为零相位，时号格式见下：

sin(2f0t)m(t)0t0~10ms(sec),0~300ms(min),f01KHz其他

UTC秒信号是用1KHz的标准音频信号中的10个周波去调制其发射载频以产生长度为10ms的音频信号，其起点（零相位）为协调时的秒起点。每秒产生一个这样的时号，两个时号起始之间的间隔为协调时的1秒，波形图如图2所示。

图2. UTC秒信号波形

UTC整分信号使用1KHz的标准音频信号中的300个周波调制其发射载频以产生长度为300ms的音频信号，其起点（零相位）为UTC的整分起点，波形图如图3所示。

图3. UTC整分信号波形

UT1信号仍采用正弦波形，时刻起点为零相位。UT1秒信号采用的是1kHz音频信号的100个周波调制载频以产生长度为100ms的调制信号，两个时号的起点之间的间隔是UT1的1秒，信号波形图如图4所示。

图4. UT1秒信号波形

UT1整分信号和UTC整分信号一样，采用300个周波去调制载频形成300ms的音频调制信号，其起点（零相位）为协调时的整分起点，波形图如图5所示。

图5. UT1整分信号波形

BPM发播程序每半个小时为一个周期，如表1所示：

表1. BPM发播顺序时间表

其中，BPM呼号前40秒为BPM莫尔斯电码，后20s为语言呼号（女声：BPM标准时间标准频率发播台）。协调时UTC信号采用正弦波形，时刻起点为零相位。载波频率和发播时间如表2安排所示：

表2. BPM短波时号发播频率安排

发射载频的调制方式是1kHz音频调幅信号，调幅方式原理如下：

设载波为：

u(z)U0cos(0t)

1kHz音频调幅信号为：

u(c)Ucos(t)

则调制后的信号为：

u(c)[U0Ucos(t)]cos(0t)

假设初相为0，即、为0，则调制后的信号为：

u(c)[U0Ucos(t)]cos(0t)

11U0cos0tUcos(0)tUcos(0)t22

U02其中令m=U/U0，称其为调制指数，最大为1。载波功率PZ,上下边2R

2Um2U02带功率均为PB,当m=1时，边带功率为载波功率的1/4。 8R8R

由上可知，调幅系统占有频带宽，为实际所需的两倍，在短波信道拥挤的情况下，短波信号更容易受干扰；有用信号功率小，短波信号的发射功率，绝大部分为载波功率，不含时码信息，在发射功率有限度的情况下，有用的边带功率就小，不利于信号传送；调幅信号也容易受到噪声的干扰。

BPM短波授时的接收结构

目前短波接收机主要是模拟接收机和数字接收机模拟接收机在第一次对时成功后，可以连续自动跟踪UTC和UT1时号而排出其他信号的干扰，自动修正设备延时和传播延时，定时精度为1.5ms，并有时分秒显示，同时可以用来校准本地频率源，精度为10-7~10-8。

数字化短波接收机主要由射频接收前段、信号检测与处理、时延修正等部分组成。射频前段部分完成BPM短波信号的接收与音频处理，包括信号接收、放大、滤波、下变频等功能，完成BPM短波信号的射频接收。信号检测与处理部分主要完成短波授时音频信号的检测与判决，包括模拟音频信号的模数转换，即AD采样，数字信号滤波，信号的捕获和跟踪，信号授时点检测等功能。BPM接收机主要处理时延包括发射超前UTC20ms、系统信号处理时延、信号传播时延等，需要在延时修正单元予以扣除。最后一部分就是1PPS与1PPM的输出，其组成框图如图6所示。

图6. BPM数字接收机框图

短波授时原理

波长在10~100米，即频率为3~30MHZ的无线电波段为短波波段。短波授时是最早利用短波无线电信号发播标准时间和标准频率信号的授时手段，其授时的基本方法是由无线电台发播时间信号，用户用无线电接收机接收时号，然后进行本地对时。

短波授时采用地波、天波传播信号，其传播范围约为3000km，覆盖全国陆地和近海海域。目前我国西安中科院国家授时中心在发播短波授时信号，BPM短波授时台位于陕西省蒲城县。国家授时中心的短波发射台采用4种标准频率交替发播，频率分别为：2.5MHZ、5MHZ、10MHZ和15MHZ，频率选用随季节不同有所变化，但在每一瞬间都有两个以上的频率在工作，以保证24小时的连续发播。BMP短波授时台的组成框图如下所示。

图1. 短波授时台组成框图

短波授时是一种利用短波无线电信号进行实践频率校准和传递的方法，精度为1ms。无线电台发播的时间信号经过电离层的一次或多次反射，传递给用户；用户再用无线电接收机接收时号，然后进行本地校时。用户在接收信号时还必须考虑地点、频率和季节等因素影响。上文提到的两种短波授时信号（地波和天波），在发射台附近约100km范围内，用户可以使用地波信号，地波同步精度可达0.1ms。短波时号主要依靠电离层反射的天波信号为广大用户服务。短波授时的

优点是覆盖面广、发送设备相对简单、使用成本相对较低。但由于电离层随季节而变化，且电波信号受太阳的活动影响较大，日出和日落时都会影响接收时号，因此造成了短波传输时延的不稳定性，限制了短波时频校对的精度。所以，综上所述对于同步偏差在毫秒级的用户还是非常有利的，对于高精度的则可以作为粗同步方法使用。

BPM短波信号格式

BPM短波信号采用标准频率分别为2.5MHZ、5MHZ、10MHZ、15MHZ载频发送协调世界时（UTC时号）和我国综合世界时系统制定的UT1时号。UT1与UTC时号偏差一般在5us。UTC信号采用正弦波形，即时刻起点为零相位，时号格式见下：

sin(2f0t)m(t)0t0~10ms(sec),0~300ms(min),f01KHz其他

UTC秒信号是用1KHz的标准音频信号中的10个周波去调制其发射载频以产生长度为10ms的音频信号，其起点（零相位）为协调时的秒起点。每秒产生一个这样的时号，两个时号起始之间的间隔为协调时的1秒，波形图如图2所示。

图2. UTC秒信号波形

UTC整分信号使用1KHz的标准音频信号中的300个周波调制其发射载频以产生长度为300ms的音频信号，其起点（零相位）为UTC的整分起点，波形图如图3所示。

图3. UTC整分信号波形

UT1信号仍采用正弦波形，时刻起点为零相位。UT1秒信号采用的是1kHz音频信号的100个周波调制载频以产生长度为100ms的调制信号，两个时号的起点之间的间隔是UT1的1秒，信号波形图如图4所示。

图4. UT1秒信号波形

UT1整分信号和UTC整分信号一样，采用300个周波去调制载频形成300ms的音频调制信号，其起点（零相位）为协调时的整分起点，波形图如图5所示。

图5. UT1整分信号波形

BPM发播程序每半个小时为一个周期，如表1所示：

表1. BPM发播顺序时间表

其中，BPM呼号前40秒为BPM莫尔斯电码，后20s为语言呼号（女声：BPM标准时间标准频率发播台）。协调时UTC信号采用正弦波形，时刻起点为零相位。载波频率和发播时间如表2安排所示：

表2. BPM短波时号发播频率安排

发射载频的调制方式是1kHz音频调幅信号，调幅方式原理如下：

设载波为：

u(z)U0cos(0t)

1kHz音频调幅信号为：

u(c)Ucos(t)

则调制后的信号为：

u(c)[U0Ucos(t)]cos(0t)

假设初相为0，即、为0，则调制后的信号为：

u(c)[U0Ucos(t)]cos(0t)

11U0cos0tUcos(0)tUcos(0)t22

U02其中令m=U/U0，称其为调制指数，最大为1。载波功率PZ,上下边2R

2Um2U02带功率均为PB,当m=1时，边带功率为载波功率的1/4。 8R8R

由上可知，调幅系统占有频带宽，为实际所需的两倍，在短波信道拥挤的情况下，短波信号更容易受干扰；有用信号功率小，短波信号的发射功率，绝大部分为载波功率，不含时码信息，在发射功率有限度的情况下，有用的边带功率就小，不利于信号传送；调幅信号也容易受到噪声的干扰。

BPM短波授时的接收结构

目前短波接收机主要是模拟接收机和数字接收机模拟接收机在第一次对时成功后，可以连续自动跟踪UTC和UT1时号而排出其他信号的干扰，自动修正设备延时和传播延时，定时精度为1.5ms，并有时分秒显示，同时可以用来校准本地频率源，精度为10-7~10-8。

数字化短波接收机主要由射频接收前段、信号检测与处理、时延修正等部分组成。射频前段部分完成BPM短波信号的接收与音频处理，包括信号接收、放大、滤波、下变频等功能，完成BPM短波信号的射频接收。信号检测与处理部分主要完成短波授时音频信号的检测与判决，包括模拟音频信号的模数转换，即AD采样，数字信号滤波，信号的捕获和跟踪，信号授时点检测等功能。BPM接收机主要处理时延包括发射超前UTC20ms、系统信号处理时延、信号传播时延等，需要在延时修正单元予以扣除。最后一部分就是1PPS与1PPM的输出，其组成框图如图6所示。

图6. BPM数字接收机框图