一种bpm短波授时信号模拟器
阅读说明：本技术 一种bpm短波授时信号模拟器 (BPM shortwave time service signal simulator ) 是由 闫温合 赖文斌 李实锋 袁江斌 武晓亮 杨朝中 华宇 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种BPM短波授时信号模拟器,模拟器显控单元完成模拟器配置参数和时间信息的配置和显示；时间频率基准单元完成1PPS定时信号、当前时间信息及10MHz频率源的选择和配置；时号呼号控制与产生单元完成时号呼号数字波形的产生；数字信号调制单元完成时号呼号与四路载波的幅度调制；模拟信号产生单元完成模拟授时信号的产生；时间频率参考信号输出单元完成10MHz参考频率和UTC、UT1参考信号的产生；音频监听单元完成时号呼号的监听。本发明设计合理,功能完善,操作简单,能够按照BPM短波授时系统标准发播格式实时模拟四个频点的BPM短波授时信号,并输出时号呼号的参考信号和音频监听信号。(The invention provides a BPM short wave time service signal simulator.A simulator display control unit completes the configuration and display of configuration parameters and time information of the simulator; the time frequency reference unit completes selection and configuration of a 1PPS timing signal, current time information and a10 MHz frequency source; the time-signal calling control and generation unit completes the generation of time-signal calling digital waveform; the digital signal modulation unit completes amplitude modulation of the time call sign and the four paths of carriers; the analog signal generating unit completes generation of an analog time service signal; the time frequency reference signal output unit completes the generation of a10 MHz reference frequency and UTC and UT1 reference signals; the audio monitoring unit completes the monitoring of the time call number. The invention has reasonable design, perfect functions and simple operation, can simulate the BPM short-wave time service signals of four frequency points in real time according to the standard transmission format of the BPM short-wave time service system, and outputs the reference signals of the time call signs and the audio monitoring signals.)
技术领域
本发明涉及一种信号模拟器，属于信号与信息处理技术领域，主要用于BPM短波授时应用终端的研制开发、现场调试、性能测试及标定定检提供模拟的激励信号和仿真数据。
背景技术
BPM短波授时系统是我国大科学装置之一，该系统通过与国家标准时间(UTC-NTSC)建立溯源关系，保持与协调世界时(UTC)的同步，实现发播标准频率信号和标准时间信息。BPM短波授时信号是通过电离层的一次或多次反射进行传递，能够覆盖我国陆地和近海海域，具有覆盖范围广、接收方法简单、终端开发成本低、战时顽存性等不可替代的优点，能够作为全球卫星导航系统授时应用的备份，是我国PNT系统建设重要支撑。其基本功能主要是定时和校频，同时也能够应用于短波无线电波传播、气象和电离层等相关学科的研究。
我国的BPM短波授时系统每天通过四个频率(2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz)交替发播标准时间和标准频率信号，发播内容包括协调世界时UTC分和秒时号、世界时UT1分和秒时号、无调制载波以及BPM呼号，其中BPM呼号包括40s的摩斯码呼号和20s语音呼号，20s语音内容为“BPM标准时间标准频率发播台”，时号和莫斯码均为1kHz正弦周期波。UTC秒时号为10个周期波，UT1秒时号为100个周期波，UTC和UT1分时号均为300个周期波。其中每个频率发播程序如表1所示。
表1 BPM发播程序
BPM授时应用终端是实现授时系统功能、体现系统性能的重要环节，其通过接收四个频点中发播的标准时间频率信号实现本地时间和UTC或UT1时间的同步。随着现在电磁环境的日益复杂以及电离层时变性因素的影响，应用终端在研发过程中不能获得一个稳定的BPM信号，导致终端研制过程复杂，研制周期长，用户很难通过接收实际空间信号判断和测量应用终端的性能。同时我国BPM授时应用终端发展不平衡，设备厂商水平参差不齐，应用终端缺乏测试和标定，有的甚至没有进行测试标定，导致用户终端定时误差较大，性能不能得到保障，给用户的使用造成极大不便和混乱。随着民用领域和军事领域BPM短波授时应用日益增加，在BPM短波应用终端的研发调试、性能评估和时延标定过程中，对性能可靠、功能完善、操作简单的BPM短波授时信号模拟器的需求越来越迫切。因此，研制BPM短波授时信号模拟器对我国BPM授时系统的发展及高性能应用终端的研发有着非常重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种BPM短波授时信号模拟器，能够解决我国BPM短波授时应用终端研制开发、标定定标、功能验证以及各项性能指标测试过程中的实际需求，促进我国BPM短波授时系统及其应用的发展。本发明设计合理，功能完善，操作简单，能够按照BPM短波授时系统标准发播格式实时模拟四个频点的BPM短波授时信号，并输出时号呼号的参考信号和音频监听信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种BPM短波授时信号模拟器，包括模拟器显控单元、时间频率基准单元、时号呼号控制与产生单元、数字信号调制单元、模拟信号产生单元、参考信号输出单元和音频监听单元。
所述的模拟器显控单元完成模拟器配置参数和时间信息的配置和显示，配置参数包括调制深度、时延参数、时频参数、四个信号幅度参数以及UT1-UTC时差；所述的时间频率基准单元完成1PPS定时信号、当前时间信息及10MHz频率源的选择和配置；所述的时号呼号控制与产生单元完成时号呼号数字波形的产生；所述的数字信号调制单元完成时号呼号与四路载波的幅度调制；所述的模拟信号产生单元完成模拟授时信号的产生；所述的时间频率参考信号输出单元完成10MHz参考频率和UTC、UT1参考信号的产生；所述的音频监听单元完成时号呼号的监听。
所述的模拟器显控单元包括液晶显示屏、键盘、信息接收模块、信息处理模块和显示控制模块；信息接收模块通过接收键盘设置的外部配置信息和当前时间信息，配置参数包括调制深度、时延参数、时频参数、四个信号幅度参数以及UT1-UTC时差；信息处理模块对配置参数和当前时间信息进行处理后按照约定的格式和地址发送出去，并将输入的配置信息和当前时间信息通过显示控制模块传输至液晶显示屏进行显示。
所述的时间频率基准单元包括BDS定时接收机、恒温晶振、铷原子钟、时钟管理模块、时间管理模块和数字锁相环；BDS定时接收机接收卫星信号后输出1PPS定时信号和时间信息；铷原子钟使用BDS定时接收机输出的1PPS信号驯服本地频标后，产生同步1PPS定时信号和高稳10MHz频率信号源；恒温晶振产生10MHz频率信号送入时钟管理模块；时钟管理模块通过频率控制参数选择恒温晶振、铷原子钟或外部输入10MHz频率其中一个作为模拟器时钟基准源，随后将10MHz基准源通过数字锁相环倍频产生FPGA内部工作时钟并输出；时间管理模块通过时间控制参数选择铷原子钟输入1PPS定时信号或外部输入的1PPS定时信号作为当前定时信号来源并输出；同时时间管理模块通过时间控制参数选择BDS定时接收机输出时间信息或外部输入的时间信息作为当前时间信息来源并输出。
所述的时号呼号控制与产生单元包括时间信息判断模块、时号呼号控制模块、时号呼号选择模块和时号呼号存储模块；时间信息判断模块通过时间信息判断出当前1PPS秒起始时刻应该调制的内容，并产生对应的UTC分标志、UTC秒标志、UT1分标志、UT1秒标志、摩斯码呼号标志和语音呼号标志信号，通知时号呼号控制模块需要输出的调制内容；时号呼号控制模块通过标志信号，并结合时延参数和UT1-UTC时差计算产生时号呼号ROM表读取地址；时号呼号输出选择模块根据时号呼号标志和对应ROM地址从时号呼号存储模块中读取时号/呼号数字信号进行输出。
所述的数字信号调制单元包括载波产生模块和AM幅度调制模块；载波产生模块连续生成2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz四个频点数字正弦信号；AM幅度调制模块根据设置的调幅深度，将时号呼号数字信号分别与四个频点数字正弦信号通过幅度调制的方式调制产生四个频点的数字授时信号。
所述的模拟信号产生单元包括数模转换模块、幅度调节模块和滤波器模块；数模转换模块分别将四个频点的数字授时信号转换成四路模拟信号；幅度调节模块根据输入的信号幅度参数，对每路模拟信号的幅度进行调整；滤波器模块将幅度调制过后的四路模拟信号通过对应的带通滤波器滤波，产生四路BPM短波授时模拟信号，经BNC接口输出，用户连接后可直接进行使用。
所述的时间频率参考信号输出单元包括UTC-1PPS、UTC-1PPM、UT1-1PPS、UT1-1PPM四个参考信号产生器和参考频率产生器；其中四个参考信号产生器通过时号标志分别产生与UTC和UT1各时号起始对齐、调制时长相同的1PPS和1PPM标准时间参考信号，并通过BNC接口输出，用户可直接使用参考信号进行调试或测试；参考频率产生器使用工作时钟产生与其相位相同的标准10MHz参考频率，并通过BNC接口输出，用户可将其作为频率源进行使用。
所述的音频监听单元包括语音数模转换模块、功率放大模块、语音幅度调节模块、扬声器模块；时号呼号数字信号通过语音数模转换模块转换为模拟语音信号；模拟语音信号经过功率放大模块对信号进行放大后送入语音幅度调节模块；语音幅度调节模块调整模拟语音信号输出功率送入扬声器模块后进行输出，用户通过扬声器收听时号呼号，对信号进行监听。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可按照BPM短波授时系统发播内容实时模拟产生标准的BPM短波授时信号，用户可根据实际应用选择四个频点中任何信号进行使用；
(2)本发明提供恒温晶振时钟源、铷原子钟时钟源和外部输入10MHz时钟源作为频率基准，用户可根据不同的使用环境对频率源进行选择；
(3)本发明可实现信号调制深度控制，用户可根据使用需求设置输出不同调制深度的BPM短波授时信号；
(4)本发明可设置输出授时信号的幅度，用户可设置输出信号幅度对BPM授时应用终端的灵敏度进行测试标定；
(5)本发明幅度调制方式通过数字方式实现，节省硬件资源，方便实现发播时延补偿和控制；
(6)本发明具有语音输出功能，用户可对输出信号的状态进行实时的监听。
(7)本发明输出标准10MHz参考频率、UTC和UT1时号参考信号。10MHz参考频率可实时为用户调试可测试提供同步基准时钟源，有利于应用终端调试和标定的准确性。同时用户在调试过程中可使用UTC和UT1时号参考信号，方便用户对应用终端测试和验证。
附图说明
图1是本发明的模拟器系统结构框图；
图2是本发明的模拟器显控单元结构框图；
图3是本发明的时间频率基准结构框图；
图4是本发明的时号呼号控制与产生单元结构图；
图5是本发明的数字调制单元结构框图；
图6是本发明的模拟信号产生单元结构框图；
图7是本发明的时间频率基准单元结构框图；
图8是本发明的音频监听单元结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种BPM短波授时信号模拟器，包括模拟器显控单元、时间频率基准单元、时号呼号控制与产生单元、数字信号调制单元、模拟信号产生单元、参考信号输出单元和音频监听单元。
所述模拟器显控单元完成模拟器配置参数和时间信息的配置和显示，包括液晶显示屏、键盘、信息接收模块、信息处理模块和显示控制模块；信息接收模块通过接收键盘设置的外部配置信息和当前时间信息，配置参数包括调制深度、时延参数、时频参数(时间控制参数和频率控制参数)、四个信号幅度参数以及UT1-UTC时差；信息处理模块对配置参数和当前时间信息进行处理后按照约定的格式和地址发送给其它单元，并将输入的配置信息和当前时间信息通过显示控制模块传输至液晶显示屏进行显示。
所述时间频率基准单元完成1PPS定时信号、当前时间信息及10MHz频率源的选择和配置，包括BDS定时接收机、恒温晶振、铷原子钟、时钟管理模块、时间管理模块和数字锁相环。BDS定时接收机(含天线)接收卫星信号后输出1PPS定时信号和时间信息；铷原子钟使用BDS定时接收机输出的1PPS信号驯服本地频标后，产生同步1PPS定时信号和高稳10MHz频率信号源；恒温晶振产生10MHz频率信号送入时钟管理模块；时钟管理模块通过频率控制参数选择恒温晶振、铷原子钟或外部输入10MHz频率其中一个作为模拟器时钟基准源，随后将10MHz基准源通过数字锁相环倍频产生FPGA内部工作时钟并输出；时间管理模块通过时间控制参数选择铷原子钟输入1PPS定时信号或外部输入的1PPS定时信号作为当前定时信号来源并输出；同时时间管理模块通过时间控制参数选择BDS定时接收机输出时间信息或外部输入的时间信息作为当前时间信息来源并输出。
所述时号呼号控制与产生单元完成时号呼号数字波形的产生，包括时间信息判断模块、时号呼号控制模块、时号呼号选择模块和时号呼号存储模块。时间信息判断模块通过时间信息判断出当前1PPS秒起始时刻应该调制的内容，并产生对应的UTC分标志、UTC秒标志、UT1分标志、UT1秒标志、摩斯码呼号标志和语音呼号标志信号，通知时号呼号控制模块需要输出的调制内容；时号呼号控制模块通过标志信号，并结合时延参数和UT1-UTC时差计算产生时号呼号ROM表读取地址；时号呼号输出选择模块根据时号呼号标志和对应ROM地址从时号呼号存储模块中读取时号/呼号数字信号进行输出。
所述数字信号调制单元完成时号呼号与四路载波的幅度调制，包括载波产生模块和AM幅度调制模块。载波产生模块连续生成2.5MHz、5MHz、10MHz和15MHz四个频点数字正弦信号；AM幅度调制模块根据设置的调幅深度，将时号呼号数字信号分别与四个频点数字正弦信号通过幅度调制的方式调制产生四个频点的数字授时信号。
所述模拟信号产生单元完成模拟授时信号的产生，包括数模转换模块、幅度调节模块和滤波器模块。数模转换模块分别将四个频点的数字授时信号转换成四路模拟信号；幅度调节模块根据输入的信号幅度参数，对每路模拟信号的幅度进行调整；滤波器模块将幅度调制过后的四路模拟信号通过对应的带通滤波器滤波，产生四路BPM短波授时模拟信号，经BNC接口输出，用户连接后可直接进行使用。
所述时间频率参考信号输出单元完成10MHz参考频率和UTC、UT1参考信号的产生，包括UTC-1PPS、UTC-1PPM、UT1-1PPS、UT1-1PPM四个参考信号产生器和参考频率产生器。其中四个参考信号产生器通过时号标志分别产生与UTC和UT1各时号起始对齐、调制时长相同的1PPS和1PPM标准时间参考信号，并通过BNC接口输出，用户可直接使用参考信号进行调试或测试；参考频率产生器使用工作时钟产生与其相位相同的标准10MHz参考频率，并通过BNC接口输出，用户可将其作为频率源进行使用。
所述音频监听单元完成时号呼号的监听，包括语音数模转换模块、功率放大模块、语音幅度调节模块、扬声器模块。时号呼号数字信号通过语音数模转换模块(语音芯片)转换为模拟语音信号；模拟语音信号经过功率放大模块对信号进行放大后送入语音幅度调节模块；语音幅度调节模块调整模拟语音信号输出功率送入扬声器模块后进行输出，用户可以通过扬声器收听时号呼号，对信号进行监听。
参照图1，本发明的实施例中，BPM短波授时信号模拟器包括模拟器显控单元、时间频率基准单元、时号呼号控制与产生单元、数字信号调制单元、模拟信号产生单元、参考信号输出单元和音频监听单元。其中模拟器显控单元根据键盘输入对模拟器的工作参数进行配置，包括调制深度、UT1-UTC时差、时延参数、时频参数、信号幅度参数和当前时间信息。时间频率基准单元根据时频参数进行频率源和时间源的选择，输出工作时钟、1PPS定时信号和时间信息。时号呼号控制与产生单元根据模拟器显控单元提供的相关参数和时间频率基准单元提供的时间信息产生时号呼号数字信号及其标志。数字信号调制单元根据设置的调制深度将时号呼号调制到四个频点的载波上，产生四路数字授时信号；模拟信号产生单元将四路数字授时信号转换为模拟信号，并通过幅度调节和滤波后输出。参考信号输出单元利用时号呼号标志产生UTC、UT1分和秒参考信号输出，并利用工作时钟产生10MHz参考频率信号并输出。音频监听单元将时号呼号控制单元产生的时号呼号转换为模拟信号，通过功率放大器放大后通过扬声器输出声音。
参照图2，本发明的实施例中，模拟器显控单元包括键盘、液晶显示屏、信息接收模块、信息处理模块和显示控制模块。其中，键盘使用4×4陈列键盘，含10个数字键和6个功能键，用于设置配置参数；液晶显示屏采用192×64点阵显示屏，主要实时显示配置的参数、工作时间和状态等信息；信息接收模块、信息处理转化模块和显示控制模块采用ARMSTM32F427实现，信息接收模块和信息处理转化模块接收键盘输入的配置参数和时间频率基准单元输入时间信息，对信息进行处理和格式转换后通过约定的地址发送到其他单元；显示控制模块对配置参数和当前时间信号通过液晶显示屏进行显示。
参照图3，本发明的实施例中，时间频率基准单元包括BDS定时接收机、恒温晶振、铷原子钟、时间管理模块、时钟管理模块和数字锁相环。其中，BDS定时接收机为模拟器提供1PPS定时信号和时间信息。铷原子钟采用SRS公司的PRS10，其利用BDS定时接收机1PPS定时信号驯服产生高稳10MHz频率和1PPS定时信号；时间管理模块通过输入时间控制参数选择使用原子钟输出1PPS信号或外部输入1PPS信号作为定时信号，以及使用BDS定时接收机时间信息或外部输入时间信息作为当前时间信息，并将1PPS定时信号和时间信息输出；恒温晶振采用JKOC36A，输出频率为10MHz；时钟管理模块通过输入频率控制参数选择使用铷原子钟10MHz、恒温晶振10MHz或外部输入10MHz作为基准源，并通过FPGA内部数字锁相环(IP核ALTPLL)产生FPGA其他模块工作时钟并输出。FPGA使用Altera公司的EP3C120芯片，与ARM之间数据线为32位，地址线为16位相连进行数据通信。
参照图4，本发明的实施例中，时号呼号控制与产生单元包括时间信息判断模块、时号呼号控制模块、时号呼号选择模块和时号呼号存储模块，该单元所有模块在FPGA中实现。其中，时间信息判断模块根据输入时间信息和1PPS定时信号判断当前应输出时号或呼号，并产生对应的UTC分时号标志、UTC秒时号标志、UT1分时号标志、UT1秒时号标志、莫斯码呼号标志和语音呼号标志，高电平表示有效；时号呼号控制模块通过时延参数对时号呼号标志进行时延处理，利用延迟的时号标志及UT1-UTC时差产生对应呼号时号的ROM表地址读取呼号时号数字波形并输出。其中时号呼号存储模块按照标准格式产生波形存储在FPGA内部IP核ROM中。
参照图5，本发明的实施例中，数字信号调制单元包括载波产生模块和AM幅度调制模块。该单元所有模块均在FPGA中实现。其中，载波产生模块利用工作时钟从存储在FPGA内部IP核ROM中读取四个频点载波信号，并连续输出；AM幅度调制模块利用输入的调幅深度参数对数字时号呼号信号和四个频点载波信号进行AM幅度调制，产生四路数字BPM授时信号并输出。
参照图6，本发明的实施例中，模拟信号产生单元包括数模转换模块、幅度调节模块和滤波器模块。其中，数模转换模块使用DAC AD9755实现，将四路数字授时信号转换为模拟信号；幅度调节模块采用AD8041运算放大器和HMC472数控衰减器实现，通过输入四个幅度调节参数对相应信号的幅度进行调节。滤波器模块采用四个带通滤波器完成对四路信号的滤波后，通过BNC接口输出产生四个频点的BPM短波授时信号，其中滤波器设计带宽为分别为2.5±1MHz、5±1MHz、10±1MHz和15±1MHz。
参照图7，本发明的实施例中，时间频率参考信号输出单元包括UTC-1PPS参考信号产生器、UTC-1PPM参考信号产生器、UT1-1PPS参考信号产生器、UT1-1PPM参考信号产生器和参考频率产生器。此单元所有模块均在FPGA中实现。其中，参考信号产生器利用时号标志对应产生与UTC、UT1时号长度相同的四路脉冲参考信号，脉冲起始沿与时号起始沿对齐，并通过BNC接口输出；参考频率产生器使用FPGA内部数字锁相环(IP核ALTPLL)产生一路标准10MHz频率参考，并通过BNC接口输出。
参照图8，本发明的实施例中，音频监听单元包括语音数模转换模块、功率放大模块、语音幅度调节模块、扬声器模块。其中，语音数模转换模块采用TI公司的TLV320AIC23B语音芯片，对输入的数字时号呼号进行数模转换。功率放大模块采用Texas Instruments公司的TPA6211A1DGNR放大器，对模拟时号呼号音频信号进行放大；语音幅度调节模块采用ALPS公司的RK27-A10K电位器控制音频信号输出功率；扬声器模块采用一个3寸5W 4Ω的扬声器喇叭对音频信号进行输出。