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卫星数字电视授时系统的设计与实验

  卫星数字电视授时系统在国民经济和国防建设中占有重要地位,利用,“播电视卫星开展授时业务,可以健壮我国的授时体系,同时运步摆脱广电行业对GPS授时俸辱的依赖件,提高广播电视安全播出的可靠性。
  项目背景 2010年1月13日,温家宝总理主持召开的国务院常务会议决定加快推进电信网、广播电视网和互联网三网融合。三网融合能有效地整合各类网络资源,提高我国信息产业的整体水平,为社会经济网络化、数字化创造条件,成为形成新经济具有业务融合能力的网络基础设施。
  作为“三网融合”中的重要组成部分,广播电视网在宣传党中央先进思想、弘扬精神文明建设和促进经济发展等方面发挥着不可替代的作用。改革开放以来,我国广播电视信号覆盖面积不断扩大,广播电视人口覆盖率得到了很大提高。1970年4月24日,随着我国自行设计、制造的第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功并投入运行,我国广播电视事业进入了卫星广播的新阶段。在经历了模拟卫星电视、数字卫星电视和直播卫星电视等阶段的发展,截止2009年底,全国广播和电视综合人口覆盖率已经分别达到了95.96%和96.95%。其中做为中坚力量的数字卫星电视,其广播信号直接和间接覆盖率总和达到了全部电视信号覆盖率的87%左右. 因此,在“三网融合”的背景下,利用数字卫星电视信号的人口覆盖率广、技术成熟、硬件基础完善等优点,研究基于数字电视信号的各种应用,有积极的发展意义和广阔的应用前景,同时也符合国务院办公厅2008年《关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通知》中指出的:鼓励广播电视棚构利用国家公用通信网和广播电视网等信息网络提供数字电视服务和增值电信业务的思想。
  我国授时系统简介 在科学技术和国民经济高速发展的今天,授时工作显得日益重要。精确时间是科学研究、科学实验等方面的基本物理量。随着我国国民经济、国防建设和空间技术的高速发展,对高精度时间频率服务的准确性、可靠性、全天候提出了越来越高的要求。在高精度授时方面,各种已建和在建的卫星导航定位系统提供了高精度星基授时。目前的卫星授时同步技术主要有我国的北斗导航定位系统、美国的全球卫星导航系统G PS、俄罗斯的全球导航卫星系统G LONASS和欧盟的伽利略全球导航定位系统Ga|ile0系统。陆基授时有短波(BPM),长波(BPL)低频时码(BPC)授时技术,电话授时和网络授时技术,利用光纤实现高精度时频信号传递技术等。 数字电视系统是建立在现代通信技术、信号处理技术、网络技术及现代多媒体技术基础上的一项高新产业技术,是电视技术的一次革命性飞跃,势必对人类的生活产生巨大影响。目前各国都积极发展数字电视技术及其应用。
  基于数字电视系统的授时技术的研究,目前此项技术在我国尚属空白,对于扩展新的授时方法,扩大授时服务领域和完善我国授时体系以及促进智能化家电的发展具有重要应用价值。
  中国科学院国家授时中心承担我国标准时间的产生、保持和发布任务。我国的时间频率系统可分为守时系统和授时系统。守时系统主要指时间的产生和保持。国家授时中心拥有铯钟1 9台,氢钟4台,建立了4条国际卫星双向比对链路,同时保有G PS共视国际比对手段,保持的本地协调时与国际协调时的偏差范围为±20纳秒(国际电联ITU要求各成员国的标准时间保持与UTC的偏差不大于±l00纳秒)。保持的地方独立原子时中长期稳定度为1 E~1 5~1 E~1 6量级,国际排名第二。在目前参加国际原子倒计算的69个实验室中,权重占7%,在国际实验室中位居第三。这代表着我国在守时方法和守时技术方面的研究已处于国际前列。 授时体系是一个国家的基本技术支撑体系,为满足不同用户需求,目前我国授时系统包括:卫星导航授时、长波(BPL)授时、短波守时、低频时码授时、数字电视授时、电话及计算机网络授时等。其中,数字电视授时技术作为一种新的授时技术手段,具有授时精度高、覆盖区域广、用户范围大等特点,并可扩展为城市导航定位应用服务。
  国内外电视授时技术的发展。
  1、国外发展现状
  现阶段国外数字电视标准主要以欧洲的DVB、美国的ATSC和日本的ISDB为主,这些标准中都含有各自适合于卫星通信链路传输的数字卫星电视信道编码调制子标准。国内外对利用电视系统搭载时频信号的研究集中在上世纪70~80年代,主要是利用卫星电视广播信号的进行时间比对方面的研究,利用微波链路的无源法同步精度为±1 US,有源法精度为100ns,目前未见国外利用数字电视卫星搭载时间频率信号的相关研究报告。
  在利用数字电视地面广播授时方面,国外起步较早,以美国ROSUM公司为主,近年来在美国地面广播ATSC标准基础的上开展了~些定位和授时技术的研究,主要是利用连续的场同步和段同步信息进行时间信息传递。根据该2008年10月最新研究成果,该公司研究的系统在室外环境下定时精度60ns左右。
  2、国内发展现状
  在模拟电视时代,各电视台采用CCTV场逆程1 6行基准时间码信号进行解码,作为电视台播出系统的基准时间。原始时间取自西安国家授时中心的超稳定晶振时钟产生的精准时间,传输到北京中央电视台,再由中央台加入1 6行场逆程信号发送到卫星,各地卫星下行接收站.然后通过光纤传输给播控.在播出系统中最后分配到授时设备。由于中间设备及路程带来的时间差不确定.不可能提供准确的误差数据,因而导致时间不准,误差较大。由于数字电视整体转换的需要.这套系统已经关闭。目前解决的方法就是在节目制作和播出系统(含无线播出)中采用外接时钟,青岛广科所GPS授时系统占据了主要地位;在广电骨干网传输中,铷钟加GPS占据了主要地位。
  我国数字广播电视授时方面的技术研究一直是空白,在2006年以前一直没有自己的地面数字电视广播标准。从2007年8月开始,正式实施的我国地面广播技术标准DTMB,为电视授时技术的发展提供了新的平台。而卫星广播方面,则采用欧洲DVB—S标准作为我国国标。有线数字电视标准目前采用的是欧洲DVB—C标准作为国标。
  广电网应用对时间频率的需求 目前,我国广播电视信号传输正处于模拟信号到数字信号的转换阶段,在有线电视网络传输领域,数字化过程已经基本完成;地面数字电视传输领域,模拟电视日渐势微,DTMB标准及应用已经进入商用阶段;手机电视传输领域。CMMB标准及应用已经进入商用阶段。在广电模数转换的过程中,传统模拟电视信号插播时间基准的方法已经淘汰,然而,数字电视在整个电视台及播出系统中,如果没有一个精准的时钟作标准,将引起转播时间不准,切播信号混乱等一系列严重的后果,直接影响电视的正常播出.因此精准的时钟系统在播出系统中具有非常重要的作用。
  广电行业是一个具有特殊性的行业,从广电节目制住和传输的安全可靠性出发,广电需要一个独立于GPS系统之外的授时系统。广电系统对时间系统的需求优于1US,对标准频率的准确度需求优于1E~11。
  卫星授时的基本原理和技术要点 数字卫星电视授时的基本思想是,利用数字卫星电视TS流中的PCR作为授时关键标志位,在接收端利用PLL锁定数字卫星电视下行链路载波频率和Ts码流速率,准确提取出PCR内容并精确记录PCR到达接收端精确时间;通过虚拟星钟和卫星星历预报得到其他相关授时信息,从而完成整个数字卫星电视授时过程。 江苏卫星站和国家授时中心在项目的实施过程中,主要解决了以下技术要点:
1、数字卫星电视系统时间溯源技术研究:针对卫星上行站溯源到国家授时中心,进行相关时间频率比对技术研究;
2、时间信息编码和标准频率信号插播研究:按照数字卫星电视编码标准,研究时间信息码的产生、编码;研究标准频率信号的本地产生、保持与发播方法;
3、精密星历传递与预报研究:利用CAPS系统现有精密测轨系统对数字电视转发器进行精密定轨,研究精密星历的传递、预报与处理方法;
4、收发终端技术研究:根据数字卫星电视插播时间频率信号特点,研究对应发射技术与接收终端技术; 2010年5月,江苏广播电视卫星地球站和中国国家授时中心签订了战略合作协议,决定在江苏广电发射传输台内建立卫星授时实验室,共同开发广播卫星授时技术,截止到8月底,合作双方已经完成了方案论证和实验设备的搭建。目前,整体授时系统已经在实验室环境下完成运行和测试,指标符合方案设计要求,授时精度优于1 00ns,频率传递准确度优于1e-11。
  结语
  随着我国数字电视新标准出台及推广,模拟电视时间与频率插播体制已步淘汰,亟需解决符合新信号格式和标准下的时间频率传递问题。卫星数字电视覆盖广泛、用户众多,具有系统建设周期短、成本低、用户设备简单、使用方便等特点,使用数字电视卫星单向链路进行高精度时间频率传递,授时精度可达几十ns量级,可与GNSS授时精度基本相当,有一定科学研究价值和经济价值。
  目前,我国电信网、电力网、数字电视网等作为重要国家战略基础设施,现一般采用GPS为其提供时间频率基础方式,该方式存在极大战略安全隐患。开展基于数字卫星电视的高精度时间频率传递,不但可满足电信、电力与数字电视等网络内部时间频率需求,还可瞄准我国“三网合一”战略规划中的时间频率需求开展预先研究,对建设我国自主时间频率体系具有战略意义。
  与此同时,数字卫星电视时间频率传播的研究,填补了我国利用数字卫星电视信号搭载和传播标准时间频率领域的空白;补充和完善了我国时间频率体系;尤其是可以利用卫星电视信号使广电网时间同步摆脱依靠GPS时间体系的现状,提高了广播电视安全播出的可靠性。


 
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