不同擴頻碼速率對TWSTFT比對的影響研究

陳曉堂，劉婭，史琛，李孝輝，王曉晗

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不同擴頻碼速率對TWSTFT比對的影響研究

陳曉堂1,2，劉婭1,3,4，史琛1,3，李孝輝1,3,4，王曉晗5

（1. 中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院 時間頻率基準實驗室，西安 710600；4. 中國科學(xué)院大學(xué) 天文與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100049；5.中國人民解放軍61336部隊，北京 100094）

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞是目前世界上最準確的遠距離時間比對技術(shù)之一。它是將兩個地面站的時間信號通過衛(wèi)星發(fā)送給對方站，時間信號的傳輸通過擴頻碼實現(xiàn)，因此擴頻碼速率是影響其比對精度的一個重要因素。文章首先給出了擴頻通信的相關(guān)理論，然后通過設(shè)計比較試驗，分析了不同擴頻碼速率對鐘差測量的影響，特別是不同擴頻碼速率對設(shè)備時延的影響。試驗結(jié)果證明擴頻碼速率越高，測量結(jié)果的不確定度越低，與理論分析一致。但受通信帶寬的限制，擴頻碼速率不能無限擴大。文章根據(jù)實測驗證，給出了衛(wèi)星雙向比對設(shè)備測試的碼速率的選取原則建議。

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞；衛(wèi)星雙向時間傳遞；擴頻碼速率；設(shè)備時延；鐘差測量

0 引言

衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞是指兩地面站同時向衛(wèi)星（GEO）發(fā)射時間調(diào)制信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后兩站分別接收來自對方站的信號，兩地面站將測量結(jié)果互換后相減，得到兩站之間高精度的鐘差[1-4]。衛(wèi)星雙向采用偽碼擴頻的方式對原子鐘產(chǎn)生的時間脈沖信號進行調(diào)制與解調(diào)，在對時間信號進行調(diào)制前，需將時間信號與擴頻碼相乘，以擴展傳輸?shù)膸?，這樣可以使雙向系統(tǒng)具有更好的抗干擾、抗衰減特性。

1 擴頻碼速率理論分析

在衛(wèi)星雙向時間頻率的傳遞過程中，為了提高時間信號傳遞的準確度，需將時間信號先與擴頻碼相乘，再進行調(diào)制和發(fā)送。擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，在發(fā)端采用擴頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息需要的帶寬，在收端解調(diào)后采用相同的擴頻碼進行相關(guān)處理，以恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。擴頻通信系統(tǒng)最大的特點是其具有很強的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑干擾的能力。衛(wèi)星雙向正是基于擴頻通信優(yōu)良的抗干擾性能，保證了衛(wèi)星雙向時間信號的安全可靠。

擴頻通信的基本理論依據(jù)是信息理論中的香農(nóng)公式，如式（1）所示：

式（1）中，為信道容量，為信道寬度，為信號平均功率，為噪聲平均功率[5]。

香農(nóng)公式指出，在給定信號平均功率和白噪聲平均功率的情況下，只要采用某種編碼系統(tǒng)，就能以任意小的差錯概率以接近于的傳輸速率來傳送信息。由公式可知，如果增加頻帶寬度，就可以在較低信噪比的條件下以任意小的差錯概率來傳輸信息。甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應(yīng)的增加信號的帶寬，也能進行可靠的通信。

信息流()（原子鐘產(chǎn)生的1 pps時間信號）與調(diào)制解調(diào)器（Modem）產(chǎn)生的二進制偽隨機碼()相乘，得到復(fù)合信號()。由于偽隨機碼的碼速率遠大于信息流的碼速率，這樣便擴展了傳輸信號的帶寬。頻率擴展后的復(fù)合信號()對載波進行調(diào)制（衛(wèi)星雙向采用BPSK調(diào)制），得到擴頻信號()，然后通過發(fā)射機和天線將信號送入信道中傳輸。它的基本原理如圖1[5-6]所示。發(fā)射機輸出的擴頻信號的帶寬取決于偽隨機碼的碼速率。在BPSK調(diào)制的情況下，射頻信號的帶寬等于偽隨機碼速率的兩倍，而幾乎與數(shù)字信號的碼速率無關(guān)。由香農(nóng)定理知，在衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞時，增加偽隨機碼的碼速率，便可增加射頻信號的帶寬，在信噪比不變的情況下，就能提高信道的容量，降低信息的差錯率，有助于提高時間測量的準確度，同時，碼速率越高意味著碼片越小，即測距碼的分辨率越高，即測量準確度越高。

圖1 衛(wèi)星雙向時間頻率信號發(fā)射模型

此外 ，在偽碼擴頻技術(shù)中，不同的擴頻碼速率具有不同的測量精度，測量精度與碼元寬度的關(guān)系如式（2）所示：

2 測試原理

在衛(wèi)星雙向傳遞時，時間信號經(jīng)地面設(shè)備進行調(diào)制并變頻后通過天線發(fā)射出去，經(jīng)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)后由對面站接收，信號傳遞鏈路中各部分延遲的精確校準是實現(xiàn)高精度比對的基礎(chǔ)，而其中設(shè)備延遲又是誤差項的主要來源。因此，要分析不同擴頻碼速率對衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞的影響，可將其分解為兩部分：一是不同擴頻碼速率對地面設(shè)備時延的影響；二是不同擴頻碼速率對衛(wèi)星雙向測試站間鐘差結(jié)果的影響。其中，衛(wèi)星雙向比對地面設(shè)備按安裝位置不同可分為兩部分，分別是室內(nèi)和室外設(shè)備。室內(nèi)設(shè)備主要負責(zé)信號的生成和信號的調(diào)制解調(diào)，它的設(shè)備主要有調(diào)制解調(diào)器（Modem）；室外部分主要負責(zé)信號的上下變頻和對信號進行濾波、放大。地面站設(shè)備組成如圖2所示。

圖2 地面站設(shè)備組成結(jié)構(gòu)圖

其中，室內(nèi)設(shè)備時延指發(fā)射信號的擴頻、調(diào)制時延和接收信號的接收信號的解擴、解調(diào)時延以及電纜的傳輸時延的和，如圖3所示。室外設(shè)備時延指經(jīng)調(diào)制后的發(fā)射信號經(jīng)上變頻器變頻的時延，經(jīng)功率放大器進行功率放大的時延，經(jīng)模擬轉(zhuǎn)發(fā)器將發(fā)射信號轉(zhuǎn)發(fā)為接收信號的時延，接收信號經(jīng)過低噪聲放大器進行低噪聲放大的時延，接收信號經(jīng)過下變頻器進行下變頻的時延以及信號經(jīng)過電纜的時延的和。圖4為室外時延設(shè)備示意圖。地面設(shè)備時延包含室內(nèi)設(shè)備時延和室外設(shè)備時延兩部分。

圖3 室內(nèi)設(shè)備時延圖

圖4 室外設(shè)備時延圖

3 測試方法

本文針對上述目標，設(shè)計了兩種試驗，一是試驗不同擴頻碼速率對地面設(shè)備時延的影響。試驗時先測量不同擴頻碼速率對地面設(shè)備整體時延的總體影響，然后再單獨測試不同擴頻碼速率對地面室內(nèi)設(shè)備時延的影響，最后比較兩次測量的結(jié)果，分析不同擴頻碼速率對室外設(shè)備時延的影響。二是試驗不同擴頻碼速率對站間鐘差的影響。由于在兩部分的試驗中測試的均是不同擴頻碼速率的影響，因而在這兩部分試驗中，在保證其他參數(shù)不變的情況下，均將擴頻碼速率分別設(shè)置為20，5，2.5，1和0.5M碼片/s。下面詳細介紹試驗情況。

4 測試試驗

4.1 不同擴頻碼速率對地面設(shè)備時延的影響

4.1.1 不同擴頻碼速率對室內(nèi)設(shè)備時延的影響

不同擴頻碼速率對室內(nèi)設(shè)備時延的影響的試驗原理如圖5所示，兩臺Modem使用同一原子鐘輸出的10 MHz和1 pps信號作為參考（1 pps是傳輸?shù)脑隅姷臅r間信號，10 MHz是作為調(diào)制的載波），兩臺Modem的輸出經(jīng)過衰減器互連，不經(jīng)過室外設(shè)備。其中，加入衰減器，是因為Modem的輸出信號功率過大，直連會導(dǎo)致輸入過載。

圖5 不同擴頻碼速率對室內(nèi)設(shè)備時延的影響的試驗原理圖

不同擴頻碼速率對室內(nèi)設(shè)備時延的影響的變化關(guān)系如圖6和7所示，將所測數(shù)據(jù)計算標準差，具體的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

圖6 不同擴頻碼速率對Modem345接收時延和Modem374發(fā)射時延的影響（初測）（2015-12-19）

圖7 不同擴頻碼速率對Modem345接收時延和Modem374發(fā)射時延的影響（復(fù)測）（2015-12-20）

表1 不同擴頻碼速率對室內(nèi)設(shè)備時延的影響

觀察表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，擴頻碼速率越小，室內(nèi)設(shè)備時延的標準差越大，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越差，即測試的數(shù)據(jù)質(zhì)量越差。其中，20 M碼片/s的擴頻碼速率的標準差比2.5，1和0.5 M碼片/s的擴頻碼速率的標準差好一個量級以上，說明20 M碼片/s擴頻碼速率時測得的數(shù)據(jù)質(zhì)量較其他擴頻碼速率有明顯提升。另外，擴頻碼速率不同，測得的室內(nèi)設(shè)備時延的均方根值不同，說明擴頻碼速率對室內(nèi)設(shè)備時延的大小有影響。

4.1.2 不同擴頻碼速率對地面設(shè)備整體時延的影響

不同擴頻碼速率對地面設(shè)備整體時延的影響測試是利用地面站內(nèi)置的衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)本站發(fā)射的信號到接收通道，通過自發(fā)自收測試地面站的環(huán)路時延，試驗原理圖參照圖2。為了充分驗證結(jié)果，試驗反復(fù)進行了多次，圖8和9是其中兩次典型結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

圖8 不同擴頻碼速率對地面設(shè)備整體時延的影響（初測）（2015-10-17）

圖9 不同擴頻碼速率對地面設(shè)備整體時延的影響（復(fù)測）（2015-10-30）

表2 不同擴頻碼速率對地面設(shè)備整體時延的影響

由擴頻通信和香農(nóng)公式可知，增加擴頻碼速率，可提高傳輸信號的抗干擾能力，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量越好，如圖8和9所示，減小擴頻碼速率對應(yīng)的測量誤差明顯增大，進一步對測量結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1示，擴頻碼速率越小，設(shè)備整體時延的標準差越大，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越差。其中，20碼片/s擴頻碼速率的地面設(shè)備整體時延的標準差比2.5，1和0.5碼片/s擴頻碼速率的設(shè)備時延的標準差好一個量級以上，說明20 M碼片/s擴頻碼速率時測得的數(shù)據(jù)質(zhì)量較其他擴頻碼速率有明顯提升，這一結(jié)果與理論分析吻合。不同擴頻碼速率對地面設(shè)備整體時延復(fù)測的結(jié)果全面優(yōu)于初測，這與復(fù)測持續(xù)時間更短有關(guān)。初測試驗總共約持續(xù)了12 h復(fù)測是驗證性質(zhì)，因此持續(xù)了約2 h。比較表1和表2發(fā)現(xiàn)，相同擴頻碼速率時，室內(nèi)設(shè)備時延的標準差比室內(nèi)外設(shè)備整體時延的標準差要小一個量級，室內(nèi)設(shè)備0.5 M碼片/s的擴頻碼速率的標準差與室內(nèi)外整體設(shè)備5 M碼片/s的擴頻碼速率的標準差相當(dāng)，這說明室內(nèi)設(shè)備對測量不確定度的貢獻遠小于室外設(shè)備。另外，擴頻碼速率不同，測得的設(shè)備整體時延的均方根值不同，說明擴頻碼速率對設(shè)備整體時延的大小也有影響。

4.2 不同擴頻碼速率對站間鐘差的影響

不同擴頻碼速率對站間鐘差測量的影響的試驗原理圖如圖10所示，將兩臺Modem分別置于西安和喀什兩地，Modem（345）接入西安廠區(qū)銫鐘產(chǎn)生的時間信號，Modem（374）接入喀什站氫鐘產(chǎn)生的時間信號，用雙向移動校準站測試不同擴頻碼速率對站間鐘差的影響。

圖10 不同頻碼速率對站間鐘差的影響的試驗原理圖

不同擴頻碼速率測試時間比較長，受兩地時間參考存在頻差的影響，站間鐘差結(jié)果主要反映兩地時間的變化，碼速率影響被淹沒其中，故將每個擴頻碼速率試驗時間段進行細分，以20min作為一個試驗時段，根據(jù)兩地鐘頻差分析，20 min內(nèi)鐘差變化小于1 ns，可以忽略。假設(shè)20 min內(nèi)兩地鐘差相對變化可忽略，計算測試結(jié)果的標準差，選取各碼速率中的兩組典型值于表3所示，并取各碼速率中的一組典型值于圖11所示。

根據(jù)圖10，11和表3中的測試結(jié)果可以看出，擴頻碼速率越小，站間鐘差值的標準差越大，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越差，即測試的數(shù)據(jù)質(zhì)量越差。其中，擴頻碼速率在0.5M碼片/s時，鐘差值變化最大。0.5M碼片/s擴頻碼速率的站間鐘差標準差較20M碼片/s擴頻碼速率的站間鐘差標準差大一個量級以上，說明擴頻碼速率越大，測得的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越好。

圖11 不同擴頻碼速率對站間鐘差測量的影響

表3 不同擴頻碼速率對站間鐘差的影響

5 結(jié)語

為了驗證擴頻碼速率對衛(wèi)星雙向的影響，設(shè)計了兩個試驗進行驗證。一是試驗不同擴頻碼速率對設(shè)備時延的影響。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，擴頻碼速率越小，室內(nèi)設(shè)備時延和室內(nèi)外設(shè)備整體時延的標準差均越大，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越差，即測試的數(shù)據(jù)質(zhì)量越差。并且當(dāng)擴頻碼速率相同時，比較對應(yīng)的室內(nèi)設(shè)備時延和室內(nèi)外設(shè)備整體時延部分發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)設(shè)備時延的標準差比室內(nèi)外設(shè)備整體時延的標準差要小一個量級，可見室內(nèi)設(shè)備受擴頻碼速率影響遠小于室外設(shè)備；二是試驗不同擴頻碼速率對站間鐘差的影響。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，隨著擴頻碼速率的減小，站間的鐘差值的標準差越來越大，說明測得的數(shù)據(jù)質(zhì)量越來越差。此外，擴頻碼速率不同，測得的設(shè)備時延的均方根值不同，說明擴頻碼速率對設(shè)備時延的大小也有影響。

綜上，經(jīng)過兩個試驗的驗證發(fā)現(xiàn)，隨著擴頻碼速率的減小，衛(wèi)星雙向測得站間鐘差及設(shè)備時延的穩(wěn)定性均越來越差，并且擴頻碼速率對室外設(shè)備時延也有影響。因此，在進行衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞試驗時，如果帶寬條件足夠，建議將擴頻碼速率設(shè)置為20M碼片/s，測量不確定度最低，并且保持各次測試結(jié)果均使用相同碼速率，以確保設(shè)備時延的穩(wěn)定性，當(dāng)帶寬資源有限時，5 M碼片/s碼速率對測量貢獻的不確定度在0.2 ns以內(nèi)，在滿足測試精度要求情況下，也可以使用。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目（61127901）

陳曉堂，男，碩士研究生，主要從事衛(wèi)星雙向時間頻率傳遞誤差校準方法研究。