基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法，将Chirp信号与MFSK结合起来，形成多进制Chirp信号中心频率键控(MCFSK)方式，不仅保留了MFSK的优点，而且还能够进一步提高系统数据传输的抗短波信道干扰能力。此外，将MCFSK与二进制Chirp‑rate键控进行级联，形成MCFSK‑2CrSK调制，该调制方式在不改变MCFSK调制信号参数的前提下，能够进一步提高系统数据传输率。本发明专利技术可以兼容现有BPM短波授时系统，不影响原系统用户使用；本发明专利技术提供的数据调制信号具有良好的抗多径衰落和抗多普勒频移等优点，适用于短波信道；本发明专利技术提供的数据调制信号可以针对信道特点以及接收终端同步精度，进行灵活设计。

【技术实现步骤摘要】
基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法
本专利技术涉及通信和信息处理
，特别是指一种BPM短波数据调制设计方法。
技术介绍
作为大科学装置之一，BPM短波授时系统是一种我国自主掌握的远程陆基无线电授时服务系统，也是我国世界时改正(DUT1)发播的唯一手段。BPM短波授时系统每天以4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时号、世界时UT1时号以、空载波以及BPM呼号。BPM授时发播程序：(1)59m00s～00m00s和29m00s～30m00s发播BPM呼号；(2)00m00s～10m00s、15m00s～25m00s、30m00s～40m00s和45m00s～55m00s发播UTC时号；25m00s～29m00s和55m00s～59m00s发播UT1时号；10m00s～15m00s和40m00s～45m00s为无调制载波。BPM时号格式：UTC和UT1信号均采用1KHz的标准音频调制，起始时刻为正弦波的零相位，UTC时号包含0.01s的秒信号和0.3s的分信号，UT1包含0.1s的秒信号和0.3s的分信号。鉴于BPM短波授时系统具有作用距离远、接收设备简单、价格低廉以及拥有战时顽存性等优点，若利用其开展数据广播业务，可以尝试在时频体系中多系统之间的数据共享、物联网低轨卫星历书广播等方面推广应用，同时对我国短波授时技术的发展具有重要意义。目前，BPM短波授时系统在5MHz发播频点上以实验方式插播的时码信息主要包括基本时间信息(年、月、日、时、分)、世界时改正(DUT1)、闰秒预告等，插播方式是在125Hz的副载波上发送BCD码，其中，200ms长度脉冲代表“0”比特，480ms长度脉冲代表“1”比特，数据率为1bps。现有时码插播方案存在的主要问题：(1)数据率低，只有1bps，发播一个完整的时码信息需要1分钟，受到短波信道干扰的风险很大；(2)时码帧格式中没有足够的预留扩展位，难于实现系统扩展应用；(3)没有可靠的校验，接收终端难于判断接收时码信息的准确性。因此，采用抗短波信道干扰能力强、数据率高的新型数据调制方式，克服BPM短波授时系统无法提供可靠数据服务的缺陷，对推动我国短波授时技术的发展、保持我国短波技术的先进性、扩展BPM短波授时系统的应用具有重要意义。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于Chirp信号的数据调制设计方法，利用该方法设计的数据调制信号抗短波信道干扰能力强、数据率高，并且能在数据率、抗干扰增益和多径分辨率方面取得折衷，实现最优化设计。同时，本专利技术提供的数据调制方法能够兼容现有BPM短波授时系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：(1)设计两种基本帧，包括基本时间信息帧和辅助信息帧；其中，基本时间信息帧至少包括年、月、日、时、分、秒、CRC校验以及帧类型识别码，辅助信息帧的比特数与基本时间帧的比特数相同；(2)确定当前设备条件下1秒内所有数据调制信号时长总和的上限值TA；根据TA内可传输的基本帧的帧数N和进制数M的不同组合，计算TA内可传输的数据调制信号的个数式中，[·]int表示向上取整，表示基本帧的最小比特数；(3)计算数据调制信号的时长式中，[·]int表示向下取整；(4)计算数据调制信号的基本参数，具体步骤如下：1)计算数据调制信号的两个相邻中心频率的频差式中，B表示数据调制信号可以使用的总带宽，a＝Tc/(2Δτ+τmax)，Δτ表示系统同步误差，τmax表示短波信道最大多径时延；2)计算数据调制基带信号的中心频率和调频率K＝[B-(M-1)Δfcheck]|/Tc；(5)确定数据调制基带信号的时域表达式ci,j(t)＝exp[jπ(-1)jKt2-jπ(-1)jTct+j2πfit]式中，1≤i≤M，1≤j≤2，j表示虚数单位；由{i,j}不同组合构成的调制信号承载不同的数据，实现数据调制；(6)规定原协调时UTC时号和世界时UT1时号的起始时刻为零时刻，经过上变频后，得到第l个数据调制信号的时域表达式式中，A表示数据调制信号幅度，Re(·)表示取信号实部，1≤l≤m，TU+TG1+(l-1)Tc≤t≤TU+TG1+l·Tc，TG1为第一个数据调制信号起始时刻与原UTC时号和UT1时号结束时刻之间的间隔记，f0表示载波频率；(7)计算衡量数据调制信号性能的参数指标，包括数据调制信号的带宽Bc＝B-(M-1)Δfcheck、数据率Rb＝m·[1+log2(M)]和数据调制信号的脉冲延时比GI＝[B-(M-1)Δfcheck]·Tc。所述的数据调制信号插入在原BPM发播程序中的UTC时号和UT1时号的时间段中，并保持原BPM时号格式不变；最后一个数据调制信号结束时刻与原UTC时号和UT1时号起始时刻之间的间隔记为TG2，TG1不小于0.18s，TG2不小于0.1s；所述的数据调制信号带宽不大于系统可用的总带宽；所述的数据调制信号总时长上限值TA≤1-(TU+TG1+TG2)，式中，TU表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术提供的数据调制方法可以兼容现有BPM短波授时系统，不影响原系统用户使用；(2)本专利技术提供的数据调制信号具有良好的抗多径衰落和抗多普勒频移等优点，特别适用于短波信道；(3)本专利技术提供的数据调制信号可以针对信道特点以及接收终端同步精度，进行灵活设计；(4)本专利技术提供的数据调制信号设计方法可以在数据率、抗干扰增益和多径分辨率之间取得折衷，实现最优化设计。附图说明图1是本专利技术的总体设计示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术采用了如下技术方案：1、总体设计如图1所示，新增加数据调制信号需要兼容原BPM短波授时系统，具体包括：(1)在原BPM发播程序中的UTC时号和UT1时号的时间段中插入所述的数据调制，并保持原BPM时号格式不变；(2)所述的第一个数据调制信号起始时刻与原UTC时号和UT1时号结束时刻之间的间隔记为TG1；所述的最后一个数据调制信号结束时刻与原UTC时号和UT1时号起始时刻之间的间隔记为TG2；为了不影响原BPM用户的正常工作，TG1不得小于0.18s，TG2不得小于0.1s。(3)为了兼容原系统的带宽，所述的数据调制信号带宽不得大于系统可用的总带宽；(4)所述的数据调制信号总时长上限值记为TA，为了保持原BPM发播程序不变，要求：TA≤1-(TU+TG1+TG2)(1)式中：TU表示原协调时UTC时号和世界时UT1时号所占用的时长；2、部分变量说明首先对以下变量进行说明(1)TA表示1秒内所有数据调制信号时长总和的上限值，即所有调制信号所占用的时间叠加起来不得超过TA；(2)m表示TA内可传输的数据调制信号的个数；(3)表示基本帧的最小比特数；(4)N表示TA内可传输的基本帧的帧数；(5)M表示进制数；(6)Tc表示数据调制信号的时长；(7)Rb表示数据率；(8)GI表示数据调制信号的脉冲延时比(即抗干扰增益)；(9)Bc表示数据调制信号的带宽；3、基于Chirp信号的BPM短波数据调制的设计方法由于Chi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法，其特征在于包括下述步骤：(1)设计两种基本帧，包括基本时间信息帧和辅助信息帧；其中，基本时间信息帧至少包括年、月、日、时、分、秒、CRC校验以及帧类型识别码，辅助信息帧的比特数与基本时间帧的比特数相同；(2)确定当前设备条件下1秒内所有数据调制信号时长总和的上限值TA；根据TA内可传输的基本帧的帧数N和进制数M的不同组合，计算TA内可传输的数据调制信号的个数

【技术特征摘要】
1.一种基于Chirp信号的BPM短波数据调制设计方法，其特征在于包括下述步骤：(1)设计两种基本帧，包括基本时间信息帧和辅助信息帧；其中，基本时间信息帧至少包括年、月、日、时、分、秒、CRC校验以及帧类型识别码，辅助信息帧的比特数与基本时间帧的比特数相同；(2)确定当前设备条件下1秒内所有数据调制信号时长总和的上限值TA；根据TA内可传输的基本帧的帧数N和进制数M的不同组合，计算TA内可传输的数据调制信号的个数式中，[·]int表示向上取整，Fbmin表示基本帧的最小比特数；(3)计算数据调制信号的时长式中，[·]int表示向下取整；(4)计算数据调制信号的基本参数，具体步骤如下：1)计算数据调制信号的两个相邻中心频率的频差式中，B表示数据调制信号可以使用的总带宽，a＝Tc/(2Δτ+τmax)，Δτ表示系统同步误差，τmax表示短波信道最大多径时延；2)计算数据调制基带信号的中心频率和调频率K＝[B-(M-1)Δfcheck]|/Tc；(5)确定数据调制基带信号的时域表达式ci,j(t)＝exp[jπ(-1)jKt2-jπ(-1)jTct+j2πfit]式中，1≤i≤M，1≤j≤2，j表示虚数单位；由{i,j}不同组合构成的调制信号承载不同的数...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁江斌，赵坤娟，闫温合，李实锋，杨朝中，华宇，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61