一种通过传输语音信号实现电话授时的装置

摘要

本发明提供了一种通过传输语音信号实现电话授时的装置，发送端时延测量单元从时频基准单元获取10MHz信号、1PPS信号和时码，通过发送与接收时延测量信号测量电话信道时延，完成时延测量后发送时间信息至接收端完成授时，其中时延测量信号和时间信息均通过数模转换变为语音信号进行传输，语音信号通过语音通信模块与电话信道连接。与传统的通过传输字符进行电话授时的装置相比，本发明能够将授时准确度从ms级提高至100μs级。

说明书

技术领域

本发明属于电子电路与信号处理领域，涉及一种授时装置。

背景技术

电话网已发展了100多年，仍是目前世界上分布最广泛、应用最普及的通信网，这使得通过电话网传输时间信息的电话授时具有得天独厚的优势和广阔的应用空间。电话授时是一种通过电话网传输时间的有线授时方式，用户通过拨打时间基准机构的授时专用电话获取标准时间，具有申请时间方便快捷，接收设备简单等优势。

无线电授时尤其是卫星授时在授时准确度方面具有很大的优势，然而由于无线信号容易受到遮挡，使其可用性下降，且无线电信号易受到人为干扰，使其在使用安全方面存在风险。因此，电话授时在靶场、坑道、地下工事等军用场合，以及室内、地下室等民用场合电话授时更能突显优势。

传统的电话授时装置通过收发两端传输字符测量信道和传递时间，发送端的微处理器发送字符和时间信息给调制解调器，接收端的微处理器从调制解调器接收字符完成时延测量，接收时间信息解析时码，然而调制解调器在收发字符时会有时间波动，且微处理器对字符的检测精度较低，上述因素影响了电话信道内时延的测量，制约了授时准确度的提高，阻碍了电话授时技术的应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种通过传输语音信号实现电话授时的装置，规避了传统电话授时技术影响时延测量的两个缺点，省去了调制解调的应用，通过微处理器在硬件层对数字信号的检测代替在应用层对字符的检测，且采用编码调制技术使时间信息在电话信道内的可靠传输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种通过传输语音信号实现电话授时的装置，包括发送端的时频基准单元、时延测量单元和时间发送单元，接收端的时延测量单元和时间接收单元，以及两端均包含的模数/数模转换模块和语音通信模块。

所述的时频基准单元供包括10MHz频率信号、1PPS脉冲信号和时码的时频信号；发送端的时延测量单元接收1PPS脉冲信号产生时延测量信号，信号经模数/数模转换模块后产生语音信号，语音信号经语音通信模块传输至电话信道，与接收端的时延测量单元相互配合完成电话信道时延的测量；10MHz频率信号用于计算时延值；发送端的时间发送单元接收时频基准单元的时码和时延测量单元的时延值汇总产生时间信息，再经模数/数模转换模块后产生包含时间信息的语音信号，语音信号通过语音通信模块传输至电话信道，接收端的时间接收单元接收模数/数模转换模块产生的时间信息并解析输出时码和时延值，时延值传输至时延测量单元用于产生1PPS脉冲信号。

所述的时频基准单元包括恒温晶振、北斗定时接收机、频率选择器、秒脉冲选择器、时码选择器和两个锁相环，外部输入的10MHz和恒温晶振产生的10MHz信号分别通过一个锁相环输入频率选择器，频率选择器根据信号输入情况自行切换并优先选择输出外部输入10MHz信号；北斗定时接收机产生1PPS信号和外部输入1PPS信号被送入秒脉冲选择器，秒脉冲选择器根据信号输入情况自行切换并优先选择输出外部输入1PPS信号；北斗定时接收机输出的时码和外部输入时码被送入时码选择器，时码选择器将对两个时码进行解析判断，并优先输出外部输入的时码信号。

所述的发送端的时延测量单元接收外部输入的1PPS产生时延测量信号，并对信号进行调制，调制信号经数模转换后传输至电话信道，接收端的时延测量单元对经模数转换的数字信号进行滤波，解调和捕获，捕获后产生1PPS信号用于时延测量信号的产生；接收端产生的时延测量信号将回传至发送端，信号经过调制、滤波、解调、捕获，发送端也通过捕获时延测量信号产生1PPS信号，捕获产生的1PPS信号与外部输入1PPS进行脉冲比对得到双向时延，除以2得到电话信道的时延值。

所述的发送端的时间发送单元包括时间信息编码模块和信息调制模块，接收端的时间接收单元包括信号滤波模块、信息解调模块和信息译码模块，时间信息编码模块接收包括时码和时延值的时间信息，并对时间信息进行编码和调制，发送端将调制后的信息进行数模转换后传输至电话信道，接收端时间接收单元接收到包含时间信息的数字信号后，对信号进行信号滤波，信息解调和信息译码后输出时码信息和时延值。

所述的模数/数模转换模块将发送端和接收端时延测量单元产生的时延测量信号转换为语音信号，并将发送端时间发送单元产生的包含时间信息的数字信号转换为语音信号，在接收端接收语音通信模块的语音信号转换为数字信号传输至时间接收单元。

所述的语音通信模块连通电话线路，并将发送端产生的语音信号耦合至电话信道传输，并将语音信号输出至接收端。

本发明的有益效果是：改进了电话授时信道内的时延测量技术，通过传输语音信号代替传输字符测量信道时延，可以大大提高电话授时的授时准确度，将授时准确度从ms级提高至100μs级；设计了信道内时间信息传输的信号体制，并将时间信息转换语音信号传输；提供了内外部时间频率源，且可自动检测与切换，方便了用户根据使用情况进行选择；采用了模块化设计，具有较高的可维护性和扩展性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的时频基准单元结构图；

图3是本发明的时延测量单元结构图；

图4是本发明的时间发送与接收单元结构图；

图5是本发明的时延测量信号发送与接收流程图；

图6是本发明的时间信息发送与接收流程图；

图7是本发明的电路结构图。

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。

本发明提供一种通过传输语音信号实现电话授时的装置，具体通过对电话授时信号的调制解调、时间信息的编译码、语音信号的发送和接收等处理实现高精度的电话授时。

本发明包括发送端的时频基准单元，时延测量单元和时间发送单元，发送端的时延测量单元和时间接收单元，以及两端均包含的模数/数模转换模块和语音通信模块。时频基准单元为发送端提供10MHz频率信号，1PPS脉冲信号和时码等时频信号。发送端的时延测量单元接收1PPS脉冲信号产生时延测量信号，信号经模数/数模转换模块后产生语音信号，语音信号经语音通信模块传输至电话信道，与接收端的时延测量单元相互配合完成电话信道时延的测量，10MHz频率信号用于计算时延值。发送端的时间发送单元接收时频基准单元的时码和时延测量单元的时延值汇总产生时间信息，再经模数/数模转换模块后产生包含时间信息的语音信号，语音信号通过语音通信模块传输至电话信道，接收端的时间接收单元接收模数/数模转换模块产生的时间信息并解析输出时码和时延值，时延值传输至时延测量单元用于产生1PPS脉冲信号。

所述时频基准单元包括恒温晶振，两个锁相环，北斗定时接收机，频率选择器，秒脉冲选择器，时码选择器，外部输入10MHz和恒温晶振产生10MHz信号分别通过锁相环输入频率选择器，频率选择器可根据信号输入情况自行切换并优先选择输出外部输入10MHz信号，北斗定时接收机产生1PPS信号和外部输入1PPS信号被送入秒脉冲选择器，秒脉冲选择器可根据信号输入情况自行切换并优先选择输出外部输入1PPS信号，北斗定时接收机输出的时码和外部输入时码被送入时码选择器，时码选择器将对两个时码进行解析，判断，并优先输出外部输入的时码信号。

所述时延测量单元包括时延测量信号产生模块，信号调制模块，信号滤波模块，信号解调模块，信号捕获模块，脉冲比对模块等，发送端的时延测量单元接收外部输入的1PPS产生时延测量信号，并对信号进行调制，调制信号经数模转换后传输至电话信道，接收端的时延测量单元对经模数转换的数字信号进行滤波，解调和捕获，捕获后产生1PPS信号用于时延测量信号的产生，接收端产生的时延测量信号将回传至发送端，信号的调制，滤波，解调，捕获等流程与之前流程相同，发送端也将通过捕获时延测量信号产生1PPS信号，捕获产生的1PPS信号与外部输入1PPS进行脉冲比对可以得到双向时延，除以2可以得到电话信道的时延值。

所述发送端时间发送单元包括时间信息编码模块，信息调制模块，接收端时间接收单元包括信号滤波模块，信息解调模块，信息译码模块，时间信息编码模块接收时码和时延值等时间信息，并对时间信息进行编码和调制，发送端将对调制后的信息进行数模转换后传输至电话信道，接收端时间接收单元接收到包含时间信息的数字信号后，对信号进行信号滤波，信息解调和信息译码后输出时码信息和时延值。

所述模数/数模转换模块将发送端和接收端时延测量单元产生的时延测量信号转换为语音信号，并将发送端时间发送单元产生的包含时间信息的数字信号转换为语音信号，在接收端接收语音通信模块的语音信号转换为数字信号传输至时间接收单元。

所述语音通信模块主要功能为连通电话线路，并将发送端产生的语音信号耦合至电话信道传输，并将语音信号输出至接收端。

参照图1，本发明的通过传输语音信号实现电话授时的装置包括发送端的时频基准单元，时延测量单元和时间发送单元，接收端的时延测量单元和时间接收单元，及两端均包含的模数/数模转换模块和语音通信模块，时频基准单元输出1PPS信号，时码和10MHz信号作为发送端的时间和频率基准。收发两端的时延测量单元通过互发和互收时延测量信号的方式测量电话信道时延，最终发送端获取时延值，发送端通过时间发送单元将时延值，时码等时间信息发送至接收端，接收端通过时间接收单元接收时间信号，并将时延值输出至时延测量单元，用于产生标准1PPS信号。模数/数模转换模块在发送端将时延测量信号和包含时间信息的数字信号转换为语音信号，在接收端将语音信号转换为时延测量信号和包含时间信息的数字信号。语音通信模块用于将语音信号耦合至电话线，并将收发两端连通至电话网络。

参照图2，本发明的时频基准单元包括恒温晶振，北斗定时接收机，两个锁相环，频率选择器，秒脉冲选择器，时码选择器。其中恒温晶振产生的10MHz信号和外部输入的10MHz信号为发送端提供工作频率和时延测量的时钟信号，10MHz信号输出至FPGA的锁相环，锁相环由FPGA自带的IP核模块ALTPLL产生，频率选择器和秒脉冲选择器采用FPGA自带的IP核模块LPM_MUX产生，北斗定时接收机输出的时码和外部输入时码将被送入ARM，ARM将对两个时码进行解析，判断，并选择其中一路时码输出。

参照图3，本发明的时延测量单元内的各模块均由FPGA实现，为单双工收发模式，即发送端先发送时延测量信号至接收端，接收端收到信号后回发时延测量信号至发送端完成时延测量，故发送端和接收端均包含时延测量信号的发送和接收处理，时延测量信号的发送包括信号时延测量信号的产生和调制，时延测量信号的接收包括信号滤波，信号解调和信号捕获。整个测量过程对电话信道内的时延进行了两次测量，测量值为时延值的两倍，故需要将时延值除以2传输至ARM，时延测量过程需要通过接收端ARM控制电话通信模块拨号，发送端ARM控制电话通信模块摘机建立收发两端的电话连接。

参照图4，本发明的发送端时间发送单元和接收端时间接收单元的各模块均由FPGA实现，发送端FPGA接收来自ARM的时码和时延值等时间信息，并对时间信息进行编码和调制，通过数模转换和电话授时模块发送至电话网，接收端对经模数转换后的信号进行滤波，解调和译码，并最终输出时码和时延值，时间信息传输结束后收发两端的ARM控制电话通信模块挂机结束通信。

参照图5，本发明的时延测量信号的发送和接收流程包括信号调制，信号滤波，信号解调和信号捕获，信号产生器以外部1PPS作为起始，采用多项式1+X

参照图6，本发明的时间发送单元包括时间信息的编码和调制，时间接收单元包括包含信号滤波，信息解调和信息译码，FPGA接收时间信息进行BCH编码，考虑到译码的复杂度，选取的BCH码为(31,11,11)，31个码元中有11位信息位，可以纠5位错误，时码包含年月日十分秒，毫秒，微秒等，共34位，时延值包括毫秒，微秒，共12位，只需5组BCH码可以传输完时间信息，BCH码的传输速率为250Hz，BCH调制采用2FSK频率调制，发送端FPGA将输入的频率信号经两个分频器分别产生1KHz和2KHz的载波，通过选通器使两个载波分别代表逻辑1和逻辑0选通BCH码的高低电平，调制后的信号符合电话带宽要求。时间接收单元先对输入信号进行滤波，使信号分别经过中心频率为1KHz和2KHz的48阶FIR带通滤波器，经滤波器后分为I,Q支路分别与本地产生的余弦信号和正弦信号相乘，相乘后经56阶FIR低通滤波器，滤波完成后将I,Q支路平方求和消除收发两端相位差的影响，最后对两路信号进行抽样判决完成时间信息的解调。信息的BCH译码包含伴随式求解，BM迭代，chien搜索三个过程，FPGA完成译码后输出时间信息至ARM。

参照图7，本发明对发送端和接收端采用统一的电路设计，接收端只留有时码和1PPS信号接口，不输入信号。电路结构主要包括北斗定时接收机，恒温晶振，ARM，FPGA，存储器，比较器，驱动器，电话通信模块，模数/数模转换模块。

所述北斗定时接收机采用泰斗公司的T303-3接收机。

所述10MHz恒温晶振采用晶科圆通公司的JKOC36A晶振。

所述ARM采用ST公司的STM32F103ZE芯片。

所述FPGA采用Altera公司的Cyclone系列EP3C25E144I7芯片。

所述存储器采用AT24C16芯片。

所述比较器采用MAXIM公司的MAX961芯片。

所述驱动器采用74HC541芯片。

所述电话通信模块采用的芯片为Conexant公司的CX06833-44和CX20442-31。

所述模数/数模转换模块的主芯片为TI公司的TLV320AIC23B。