基于DVB-S的數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)方法研究

向渝，華宇，許林生，董道鵬,魯瑞勇

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基于DVB-S的數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)方法研究

向渝1,2,3，華宇1,2，許林生1,2，董道鵬1,2,3,魯瑞勇4

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 國(guó)家廣播電影電視總局成都監(jiān)測(cè)臺(tái)，成都 611130）

介紹一種基于DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字衛(wèi)星電視高精度時(shí)間傳遞方法。在此方法中，以電視信號(hào)中的PCR（節(jié)目時(shí)鐘參考）作為標(biāo)志位，在發(fā)播臺(tái)和接收端實(shí)時(shí)記錄PCR發(fā)播和接收的精確時(shí)間戳，使得接收端與發(fā)播臺(tái)時(shí)間實(shí)現(xiàn)粗同步，再利用精密衛(wèi)星星歷以及接收點(diǎn)的位置等信息計(jì)算實(shí)時(shí)路徑傳播時(shí)延使其達(dá)到高精度同步。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法是可行的并且其時(shí)間同步精度優(yōu)于100ns(1)。

數(shù)字電視；衛(wèi)星授時(shí)；節(jié)目時(shí)鐘參考；時(shí)間戳

0 引言

我國(guó)的廣播電視系統(tǒng)作為國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施，要求廣播電視設(shè)備間時(shí)間同步和溯源不能過(guò)分依賴(lài)GPS等外部授時(shí)系統(tǒng)。需要一種自主的、高精度的、可靠的時(shí)間頻率服務(wù)冗余技術(shù)手段，以增強(qiáng)廣播電視服務(wù)系統(tǒng)的安全可靠性。

電視系統(tǒng)是現(xiàn)代無(wú)線電廣播系統(tǒng)之一，利用電視系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)頻傳遞與校準(zhǔn)，具有成本低，操作簡(jiǎn)單，能在較短時(shí)間內(nèi)得到較高精度等特點(diǎn)，并且電視信號(hào)很強(qiáng)，且很容易得到可用信號(hào)，是一種極易普及的遠(yuǎn)距離時(shí)頻傳遞與校準(zhǔn)技術(shù)。

上世紀(jì)60年代人們就已經(jīng)開(kāi)始利用各種電視系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)頻傳遞的研究，并取得了一些成果，但都是基于模擬電視廣播標(biāo)準(zhǔn)的[1]。隨著廣播電視技術(shù)的發(fā)展，采用模擬電視標(biāo)準(zhǔn)的電視廣播體制逐漸被采用數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的電視廣播體制取代。目前，我國(guó)各電視發(fā)播臺(tái)基本完成了數(shù)字化改造，所以，有必要對(duì)基于新的數(shù)字衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)的時(shí)頻傳遞進(jìn)行研究。

我國(guó)數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸采用DVB-S（digital video broadcasting-satellite）標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。本文主要研究基于數(shù)字電視衛(wèi)星廣播系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)的方法。

1 數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)原理

數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)主要是利用數(shù)字衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行廣播，用戶(hù)可通過(guò)接收該電視臺(tái)直播信號(hào)實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的測(cè)量比對(duì)以達(dá)到與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的高精度時(shí)間同步，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)系統(tǒng)框圖

圖1中ASI（asynchronous serial interface）是異步串行接口，用于傳送碼流的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DVB接口。ASI傳輸流可以有不同的數(shù)據(jù)速率，但傳輸速率恒定，因此ASI可以發(fā)送和接收不同數(shù)據(jù)速率的MPEG2數(shù)據(jù)。

數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)的主要思想是利用數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)中的PCR（節(jié)目時(shí)鐘參考）作為授時(shí)標(biāo)志信息，在發(fā)播臺(tái)利用差分接收機(jī)同時(shí)檢測(cè)提取發(fā)播信號(hào)中的PCR和經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來(lái)的信號(hào)中的PCR，并記錄其發(fā)播和接收時(shí)刻，生成時(shí)間戳經(jīng)過(guò)編碼，通過(guò)衛(wèi)星電視廣播專(zhuān)用信道對(duì)外廣播；用戶(hù)端接收衛(wèi)星電視信號(hào)，同樣提取信號(hào)中的PCR，并記錄接收到的接收機(jī)時(shí)間，同時(shí)解調(diào)授時(shí)電文得到發(fā)播信息和精密衛(wèi)星星歷等信息，進(jìn)而完成接收機(jī)與發(fā)播臺(tái)時(shí)間精確同步[4]。

2 數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)系統(tǒng)時(shí)間同步方法

根據(jù)上述原理，數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)系統(tǒng)時(shí)間同步方法主要涉及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間溯源、數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)粗同步、數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)鏈路時(shí)延的精確測(cè)量等3個(gè)方面。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間溯源

確定、保持某種時(shí)間尺度，通過(guò)一定的方式把代表這種尺度的時(shí)間信息傳送出去，供應(yīng)用者使用，這一整套工作在中國(guó)稱(chēng)為授時(shí)，在其他國(guó)家稱(chēng)為時(shí)間服務(wù)[5]。作為我國(guó)的一個(gè)完整的授時(shí)系統(tǒng)，需要將電視發(fā)播臺(tái)的本地時(shí)間溯源到國(guó)家授時(shí)中心保持的UTC（NTSC）。目前，時(shí)間溯源可采用短波、長(zhǎng)波、衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)等多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)，采用衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)的方法將電視發(fā)播臺(tái)的時(shí)間溯源到UTC（NTSC），其時(shí)間同步精度達(dá)到1ns[6]，發(fā)播臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間由原子鐘保持。相應(yīng)的時(shí)間溯源框圖如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星雙向時(shí)間溯源系統(tǒng)

2.2 數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)粗同步方法

本方法以數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)作為平臺(tái)，利用數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)中的PCR作為同步標(biāo)志。在電視發(fā)播臺(tái)衛(wèi)星地球站利用本地高精度時(shí)間系統(tǒng)在復(fù)用器后端檢測(cè)PCR并為其打上精確時(shí)間戳，同時(shí)將時(shí)間戳加入授時(shí)電文通過(guò)衛(wèi)星廣播鏈路中授時(shí)電文專(zhuān)用數(shù)據(jù)信道對(duì)外廣播；用戶(hù)終端收到電視信號(hào)，同樣檢測(cè)PCR并利用接收機(jī)時(shí)間系統(tǒng)為其打上時(shí)間戳，同時(shí)，通過(guò)接收授時(shí)電文專(zhuān)用數(shù)據(jù)信道數(shù)據(jù)得到PCR的發(fā)播時(shí)間戳，這樣在用戶(hù)端就可以得到每一個(gè)相同PCR的發(fā)播時(shí)間和接收時(shí)間，通過(guò)相同PCR的發(fā)播、接收時(shí)間差就能實(shí)現(xiàn)用戶(hù)端與發(fā)播臺(tái)的時(shí)間粗同步功能，如圖3所示。

在電視發(fā)播臺(tái)，在功率放大器輸出端檢測(cè)電視信號(hào)中的PCR，利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源記錄數(shù)據(jù)流中PCR發(fā)送時(shí)刻，將該P(yáng)CR數(shù)據(jù)和時(shí)刻值打包生成時(shí)間戳PCR_s，同時(shí)將時(shí)間戳通過(guò)授時(shí)電文專(zhuān)用數(shù)據(jù)信道廣播出去。

圖3 用戶(hù)端與發(fā)播臺(tái)時(shí)間同步原理

2.3 數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)鏈路時(shí)延的精確測(cè)量

利用上述同步方法能使接收機(jī)時(shí)間與電視發(fā)播臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間達(dá)到粗同步，要使其達(dá)到精確同步還需要精確測(cè)量信號(hào)從發(fā)播臺(tái)到用戶(hù)之間的鏈路時(shí)延，并對(duì)接收機(jī)時(shí)間進(jìn)行校正。利用虛擬鐘技術(shù)可以將地面的原子鐘時(shí)間修正到轉(zhuǎn)發(fā)器出口時(shí)間，達(dá)到在衛(wèi)星無(wú)原子鐘的情況下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星存在原子鐘的功能[7]。從而可以通過(guò)確定衛(wèi)星到用戶(hù)的幾何鏈路時(shí)延，將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器出口時(shí)間推算到用戶(hù)接收時(shí)間。

虛擬鐘的時(shí)間改正量觀測(cè)值的獲取，如圖4所示。圖4示意了電視發(fā)播臺(tái)衛(wèi)星地球站自發(fā)自收信號(hào)

圖4 虛擬鐘的實(shí)現(xiàn)原理

的流程，為了更好地示意信號(hào)各階段的時(shí)延關(guān)系，將信號(hào)上、下行鏈路分開(kāi)表示。由圖（4）可見(jiàn)：

數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)系統(tǒng)鏈路時(shí)延主要包括地面發(fā)播設(shè)備時(shí)延、上行幾何路徑時(shí)延、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延、下行幾何路徑時(shí)延和發(fā)播站接收信道時(shí)延等。整個(gè)鏈路時(shí)延大約250 ms左右，所以要實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步就需要精確測(cè)量以上鏈路時(shí)延并對(duì)用戶(hù)接收機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)?？蓪⑿盘?hào)鏈路分成如下幾個(gè)部分，如圖5所示。

圖5 虛擬鐘實(shí)現(xiàn)及授時(shí)鏈路

3 驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果證明利用數(shù)字衛(wèi)星電視信號(hào)進(jìn)行高精度時(shí)間同步的方法是可行的，其測(cè)試參考時(shí)間基準(zhǔn)使用GPS時(shí)間，所以測(cè)試結(jié)果也包含各測(cè)試點(diǎn)與發(fā)播站的時(shí)間基準(zhǔn)誤差。另外，試驗(yàn)中沒(méi)有詳細(xì)考慮鏈路中設(shè)備時(shí)延、大氣誤差修正以及Sagnac效應(yīng)等誤差修正，所以，其性能還有優(yōu)化提升空間。

4 結(jié)語(yǔ)

利用數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)進(jìn)行高精度時(shí)間頻率傳遞具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該試驗(yàn)只是為了驗(yàn)證方法的正確性，作為完整的授時(shí)系統(tǒng)還有不完善處，比如溯源系統(tǒng)和衛(wèi)星測(cè)定軌方法以及鏈路精確時(shí)延測(cè)量及修正方法等需要進(jìn)行深入的研究和完善。

[1] 胡永輝,漆貫榮. 時(shí)間測(cè)量原理[M]. 香港: 香港亞太科學(xué)出版社, 2000.

[2] GB/T 17700—1999衛(wèi)星數(shù)字電視廣播信道編碼和調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)[S]. 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局, 1999.

[3] GY/T 146—2000衛(wèi)星數(shù)字電視上行站通用規(guī)范[S]. 國(guó)家廣播電影電視總局, 2000.

[4] 宋軻欣. 數(shù)字衛(wèi)星電視授時(shí)技術(shù)研究[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 2011.

[5] 漆貫榮. 時(shí)間科學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005: 72.

[6] 武文俊. 衛(wèi)星雙向時(shí)間頻率傳遞的誤差研究[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 2012.

[7] 李孝輝, 吳海濤, 邊玉敬, 等. 內(nèi)含偽距差分功能的虛擬衛(wèi)星原子鐘[J]. 中國(guó)科學(xué)(G輯: 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)), 2008,38(12): 1723-1730.

Study on digital satellite-television time-service based on DVB-S

XIANG Yu1,2,3, HUA Yu1,2, XU Lin-sheng1,2, DONG Dao-peng1,2,3, LU Rui-yong4

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. Chengdu Monitor Station of the State Administration of Radio Film and Television, Chengdu611130, China)

digital television; satellite time-service; PCR(program clock reference); time-stamp

P127.1

A

1674-0637(2014)02-0074-06

2013-09-09

中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制基金資助項(xiàng)目（YZ201218）；中國(guó)科學(xué)院“西部之光”聯(lián)合學(xué)者基金資助項(xiàng)目（2012LH01）

向渝，男，博士研究生，助理研究員，主要從事授時(shí)方法與技術(shù)研究。