BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)及其通道時(shí)延分析與測量

謝亮，蘆旭，蒙智謀，段建文

BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)及其通道時(shí)延分析與測量

謝亮，蘆旭，蒙智謀，段建文

（中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600）

BPM短波授時(shí)系統(tǒng)七部短波發(fā)射機(jī)及監(jiān)測控制設(shè)備的更新改造于2018年全部完成，由于設(shè)備更換，原BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)的時(shí)延修正值已無法適用于當(dāng)前系統(tǒng)。重新測量系統(tǒng)各模塊的時(shí)延，分析時(shí)延產(chǎn)生的原因，對于提高短波授時(shí)發(fā)播時(shí)刻精度至關(guān)重要。主要對短波授時(shí)發(fā)播設(shè)備、控制設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備的時(shí)延值進(jìn)行了測量，分析了時(shí)延產(chǎn)生的主要因素，為短波授時(shí)發(fā)播時(shí)刻的時(shí)延修正提供參考。

短波授時(shí)；發(fā)射機(jī)；時(shí)延

0 引言

BPM短波授時(shí)系統(tǒng)是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，是我國地基無線電授時(shí)服務(wù)、國家時(shí)頻體系的重要組成部分[1]。短波授時(shí)信號主要靠天波進(jìn)行傳播，不受網(wǎng)絡(luò)樞紐和有源中繼體制約，因而具有傳播距離遠(yuǎn)和戰(zhàn)時(shí)頑存性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。盡管當(dāng)前新型授時(shí)手段不斷涌現(xiàn)，但在叢林、山區(qū)等衛(wèi)星信號易受遮擋的弱覆蓋地區(qū)，短波授時(shí)依然能夠發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢。準(zhǔn)確測量短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)的時(shí)延，并采用閉環(huán)控制方式予以補(bǔ)償，對于提高短波授時(shí)發(fā)播時(shí)刻準(zhǔn)確度，更好地服務(wù)短波授時(shí)用戶群具有積極的作用。

1 BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)的組成及時(shí)延分析

BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)組成如圖1所示，時(shí)頻監(jiān)控室提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號，短波授時(shí)臺(tái)采用發(fā)播設(shè)備，將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號通過無線電傳播出去。由于短波授時(shí)臺(tái)的核心設(shè)備短波發(fā)射機(jī)進(jìn)行了升級改造，從而導(dǎo)致短波授時(shí)系統(tǒng)發(fā)播端的時(shí)延發(fā)生變化。因此，需要重新測量發(fā)射機(jī)及其他更新設(shè)備的時(shí)延，以準(zhǔn)確修正UTC發(fā)播提前值。

圖1 BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)組成框圖

BPM短波授時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測短波授時(shí)信號的相位準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性。該系統(tǒng)可監(jiān)測的時(shí)延為從BPM時(shí)號產(chǎn)生設(shè)備輸入端到BPM專用接收機(jī)輸出端信號的延遲。通過在時(shí)間頻率監(jiān)控室外架設(shè)固定寬帶天線，采用四通道BPM專用監(jiān)測接收機(jī)（對應(yīng)BPM四個(gè)載波頻率）接收BPM時(shí)號，比較接收解調(diào)信號某固定電平相對于UTC（PU）相位差，即可實(shí)現(xiàn)對BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)時(shí)延的監(jiān)測，通過多次測量，取平均值作為發(fā)播時(shí)延的修正參考值，原理框圖如圖2所示。

圖2 BPM短波授時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

2 短波授時(shí)發(fā)播設(shè)備時(shí)延分析

發(fā)射機(jī)作為短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)的核心設(shè)備，分析研究其工作原理、電路結(jié)構(gòu)，信號失真度，對于準(zhǔn)確把握發(fā)射機(jī)的時(shí)頻性能，精確計(jì)算發(fā)播時(shí)刻精度具有重要的意義。短波授時(shí)系統(tǒng)的發(fā)播歷史上有過兩次發(fā)射機(jī)升級改造，1998年以前使用的短波發(fā)射機(jī)為乙類屏調(diào)機(jī)，協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）發(fā)播時(shí)刻準(zhǔn)確度優(yōu)于±100 μs。之后采用了當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的脈寬調(diào)制（PDM）發(fā)射機(jī)，時(shí)延平均值約80 μs，相較于乙類屏調(diào)機(jī)時(shí)延有所減少。2013年之后逐步使用目前最為先進(jìn)的固態(tài)發(fā)射機(jī)。

2.1 脈寬調(diào)制（PDM）發(fā)射機(jī)和全固態(tài)發(fā)射機(jī)的區(qū)別

脈寬調(diào)制（PDM）發(fā)射機(jī)與固態(tài)發(fā)射機(jī)最大的區(qū)別在于固態(tài)發(fā)射機(jī)采用了功率合成技術(shù)，使用全固態(tài)器件，發(fā)射機(jī)的功放、電源、濾波等功能均采用模塊化設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)相較于PDM發(fā)射機(jī)，以晶體管代替電子管，延遲大幅降低，同時(shí)取消手動(dòng)調(diào)諧匹配機(jī)械結(jié)構(gòu)，頻率切換時(shí)間減小，從而增加了發(fā)射機(jī)的可靠性[3]。

脈寬調(diào)制（PDM）發(fā)射機(jī)原理如圖3所示。音頻信號對方波進(jìn)行脈寬調(diào)制，放大后經(jīng)調(diào)制級濾波還原，脈沖放大器和調(diào)制級均處于開關(guān)狀態(tài)。高頻末級（被調(diào)級）工作于丙類或丁類狀態(tài)。因此，PDM發(fā)射機(jī)的信號時(shí)延是信號經(jīng)比較器、脈沖放大器、調(diào)制級、低通濾波器、高頻末級到天線端口的時(shí)延總和。

圖3 脈寬調(diào)制（PDM）發(fā)射機(jī)原理

固態(tài)短波發(fā)射機(jī)原理如圖4所示。頻率合成器將標(biāo)準(zhǔn)頻率信號通過頻率合成與音頻同時(shí)送至信號調(diào)制器進(jìn)行幅度調(diào)制。已調(diào)信號經(jīng)高精度衰減控制進(jìn)行調(diào)幅度設(shè)置并送推動(dòng)級放大器進(jìn)行第一級放大，放大之后的信號由功率分配器分解成十六路分別送往十六個(gè)功率放大模塊，每個(gè)模塊采用濾波器單獨(dú)濾波。濾波器的十六路信號每四路進(jìn)行一次功率合成，從而得到四個(gè)功率合成單元。四路放大后的信號再次進(jìn)行功率合成，最后送往定向耦合器，通過天線輻射出去[4]。因此，全固態(tài)發(fā)射機(jī)的信號時(shí)延是時(shí)號經(jīng)信號調(diào)制器、推動(dòng)級放大器、功率分配器、功放電路、濾波電路、功率合成電路、匹配電路至天線端口所產(chǎn)生的延遲。

圖4 全固態(tài)短波發(fā)射機(jī)原理圖

2.2 全固態(tài)發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)對調(diào)制信號的影響

對于固態(tài)發(fā)射機(jī)，功放單元的非線性以及濾波器的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生時(shí)延的主要因素，將作為分析研究的重點(diǎn)，其余模塊的時(shí)延對整個(gè)發(fā)射機(jī)的時(shí)延影響不大，文中不作分析。

BPM短波授時(shí)信號采用2.5，5，10和15 MHz四個(gè)頻點(diǎn)作為載波信號，使用1 kHz正弦波的固定周波表示UTC和UT1信號。UTC的秒信號寬度為10 ms，整分信號寬度為300 ms。UT1的秒信號寬度為100 ms，整分信號寬度為300 ms[5]。采用1 kHz正弦周波實(shí)現(xiàn)UTC秒信號和分信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示：

固態(tài)發(fā)射機(jī)的前級電路中，調(diào)制振蕩電路產(chǎn)生的射頻信號功率很小，無法滿足發(fā)射要求，因此信號需要經(jīng)過一系列的放大、緩沖、濾波、功率合成等變換過程，在獲得足夠大的射頻功率之后，才能饋送到天線上輻射出去。

為獲得足夠大的射頻輸出功率，全固態(tài)發(fā)射機(jī)采用了射頻功率放大器，這也是整個(gè)發(fā)射機(jī)的核心模塊。功率放大器使用的晶體管為非線性器件，因而產(chǎn)生新的頻率分量，通常為二次、三次等多次諧波[6]，發(fā)射機(jī)中的濾波器采用橢圓函數(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對諧波分量和雜散分量的濾除和抑制，該濾波器對帶內(nèi)基波的衰減小于0.3 dB，對帶外諧波分量的衰減大于50 dB，保證發(fā)射機(jī)符合ITU的相關(guān)規(guī)定和要求。

短波發(fā)射機(jī)中，功率放大器晶體管的非線性性質(zhì)和濾波器模塊的結(jié)構(gòu)特性是產(chǎn)生時(shí)延失真的主要環(huán)節(jié)。由于幅頻特性和時(shí)延特性互相關(guān)聯(lián)，幅頻特性發(fā)生劇變總是伴隨相頻特性的非線性，因此幅頻特性和時(shí)延特性的不均勻性將導(dǎo)致信號產(chǎn)生時(shí)延失真[7-15]。

目前，BPM短波授時(shí)系統(tǒng)使用的全固態(tài)發(fā)射機(jī)，已經(jīng)按照國家《中、短波調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)要求和測量方法》[9]（GY/T 225-2007）對5，10，15 MHz 3個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)測試，測試結(jié)果均優(yōu)于國家中短波發(fā)射機(jī)測試參考標(biāo)準(zhǔn)，通過長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，其性能可靠穩(wěn)定[10-15]。表1所示為短波發(fā)射機(jī)組其中一部發(fā)射機(jī)入所驗(yàn)收時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出端諧波分量的測試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，表2所示為發(fā)射機(jī)音頻失真的測量統(tǒng)計(jì)記錄。

表1 諧波分量測試數(shù)據(jù)

從表1可以看出，10 MHz頻點(diǎn)的三次諧波測試指標(biāo)，實(shí)測值未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這是因?yàn)榘l(fā)射機(jī)兼顧了20.008 MHz頻點(diǎn)，因需要兼顧滿足該頻點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)要求，從而對10 MHz的三次諧波產(chǎn)生了一定的影響，雖然滿足廣電乙級發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，但對發(fā)射機(jī)的時(shí)延特性將產(chǎn)生一定的不良影響。

表2 音頻失真測量記錄表

表2所示為發(fā)射機(jī)其中一部音頻失真測試記錄表，從測試結(jié)果可以看出，發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)滿足發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)要求。

對于授時(shí)而言，短波時(shí)號秒脈沖的調(diào)制涉及到頻率對應(yīng)調(diào)制信號起點(diǎn)的初始相位。全固態(tài)短波發(fā)射機(jī)，其電路結(jié)構(gòu)、時(shí)頻特性、調(diào)制信號失真等因素都會(huì)影響授時(shí)信號的起始點(diǎn)，高次諧波會(huì)使調(diào)制信號產(chǎn)生失真，而抑制高次諧波產(chǎn)生的重要因素是短波發(fā)射機(jī)放大電路和濾波器模塊設(shè)計(jì)。因此，分析短波發(fā)射機(jī)的組成結(jié)構(gòu)，通過技術(shù)指標(biāo)了解短波發(fā)射機(jī)的性能，對于判斷短波發(fā)射機(jī)時(shí)延的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。

通過以上對短波全固態(tài)授時(shí)發(fā)射機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)的測試可以看出，發(fā)射機(jī)的諧波分量測試指標(biāo)和音頻失真測量值均優(yōu)于國家中、短波調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)要求。因而BPM短波授時(shí)系統(tǒng)的七部短波授時(shí)發(fā)射機(jī)其時(shí)延值是相對穩(wěn)定的。

2.3 BPM全固態(tài)短波發(fā)射機(jī)時(shí)延測量

對于全固態(tài)短波發(fā)射機(jī)和BPM時(shí)號分配放大器，采用了實(shí)測的測量方式，發(fā)射機(jī)延遲測量原理如圖5所示，BPM時(shí)號分配放大器采用類似方法進(jìn)行時(shí)延測量。截至2018年7月，BPM短波授時(shí)系統(tǒng)的七部發(fā)射機(jī)以及監(jiān)控設(shè)備全部更新完成，本測試采用改造之后的設(shè)備完成。利用示波器測量音頻分配放大器輸出的1 kHz秒信號和多路選擇器輸出的調(diào)制信號起始時(shí)刻的相位差值，從而可確定出發(fā)射機(jī)時(shí)延。

圖5 短波發(fā)射機(jī)時(shí)延測量原理圖

測試結(jié)果表明，BPM時(shí)號分配放大器的延遲均值約為1 μs（原BPM時(shí)號分配放大器均值大于5 μs）。10 kW全固態(tài)短波發(fā)射機(jī)5部機(jī)器均進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表3所示，不同的頻點(diǎn)，不同發(fā)射機(jī)延遲存在差異，但總體比較穩(wěn)定。該測試結(jié)果相較于脈寬發(fā)射機(jī)延遲減?。≒DM脈寬發(fā)射機(jī)根據(jù)歷史測試數(shù)據(jù)均值在80 μs），這是由于全固態(tài)發(fā)射機(jī)內(nèi)部采用了大規(guī)模的集成電路，采用了晶體管代替陶瓷電子管等原因。

表3 10 kW全固態(tài)發(fā)射機(jī)時(shí)延測試數(shù)據(jù)

3 BPM短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)時(shí)延修正

在短波時(shí)號監(jiān)測系統(tǒng)中，使用中的時(shí)號產(chǎn)生器和短波接收機(jī)，設(shè)備陳舊，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相較于剛剛更新完成的BPM時(shí)號分配放大器和BPM短波發(fā)射機(jī)，是時(shí)延產(chǎn)生的主要因素。

表4 BPM短波授時(shí)系統(tǒng)的發(fā)播時(shí)延 μs

可以看出，影響B(tài)PM短波授時(shí)系統(tǒng)發(fā)播時(shí)延的主要因素是系統(tǒng)的組成設(shè)備，由于不同的發(fā)射機(jī)時(shí)延本身存在差異，每部發(fā)射機(jī)的時(shí)延相對獨(dú)立，不同的發(fā)射機(jī)，同樣的頻點(diǎn)，其時(shí)延值也有差異，且有一定的波動(dòng)，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)修正是提高發(fā)播端授時(shí)精度的關(guān)鍵。

目前，BPM短波授時(shí)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，對發(fā)射機(jī)時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，通過BPM短波授時(shí)系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，標(biāo)記總傳遞時(shí)延為，采用2018年2月、3月和4月短波10 MHz頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，時(shí)延實(shí)測均值在360 μs左右，最大時(shí)延為395 μs，最小時(shí)延為325 μs，波動(dòng)差值為70 μs，如圖6所示。誤差主要來自發(fā)射機(jī)時(shí)延變化、短波接收機(jī)誤差，以及一些其他的忽略因素所導(dǎo)致。發(fā)射機(jī)時(shí)延變化主要源于發(fā)射機(jī)頻響和發(fā)射機(jī)音頻處理器以及信號調(diào)制器，功放等模塊的性能因素。

圖6 短波授時(shí)系統(tǒng)時(shí)延實(shí)測統(tǒng)計(jì)圖

短波UTC發(fā)播控制精度是衡量短波授時(shí)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[16-18]，通過對短波UTC發(fā)播控制精度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、修正，使其誤差在±5μs以內(nèi)。在滿足該指標(biāo)的前提下，通過修正短波發(fā)射機(jī)、時(shí)號放大器等設(shè)備的時(shí)延，可進(jìn)一步提高短波發(fā)播時(shí)刻精度。實(shí)際運(yùn)行中對BPM授時(shí)系統(tǒng)每部發(fā)射機(jī)的時(shí)延值進(jìn)行實(shí)時(shí)測量且單獨(dú)修正，相較于目前采用的將所有發(fā)射機(jī)時(shí)延值進(jìn)行統(tǒng)一修正，能夠大幅提高BPM短波授時(shí)發(fā)播時(shí)刻準(zhǔn)確度。

4 結(jié)語

針對短波授時(shí)發(fā)播系統(tǒng)設(shè)備更新改造完成之后，發(fā)播設(shè)備延遲無參考數(shù)據(jù)的問題展開研究，分析了兩代發(fā)射機(jī)的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，針對延遲產(chǎn)生的主要構(gòu)成單元進(jìn)行了重點(diǎn)分析，最后給出了主要設(shè)備的延遲測量數(shù)據(jù)，計(jì)算了發(fā)播設(shè)備時(shí)延修正數(shù)值，并建議修正短波授時(shí)臺(tái)改造之前的時(shí)延值。這樣在滿足短波發(fā)播控制精度指標(biāo)的前提下為進(jìn)一步提高BPM短波授時(shí)發(fā)播時(shí)刻準(zhǔn)確度提供參考。

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An analysis and measurement on the time delay of BPM short wave broadcasting system and its channel

XIE liang, LU xu, MENG Zhi-mou, DUAN Jian-wen

(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600)

The National Time Service Center update seven shortwave BPM transmitters and the control systems of these transmitters in 2018. Due to the change of the hardware, the time delay correction values of the old BPM system cannot be used. Therefore, it is necessary to measure the time delay of the new system. Here, we report the measurement of time delays of the new equipments, i.e., the new transmitters and the new control system, and analyze the main reasons of equipment time delays.

shortwave time service; transmitter; time delay

10.13875/j.issn.1674-0637.2019-03-0248-08

2019-01-23；

2019-03-24

中國科學(xué)院國家授時(shí)中心青年創(chuàng)新人才資助項(xiàng)目（Y824SC1S11）

謝亮，男，工程師，主要從事長短波授時(shí)技術(shù)與方法研究。