露一手：自制高灵敏度JJY授时信号接收系统

     信息时代的到来，使得标准时间的获取越发显得必要。低频时码授时技术的出现极大的方便了人们使用标准时间。它通过接收授时中心以无线电长波传送的标准时间信号，经过自动校准时钟走时，使它与国家标准地间自动保持同步。由于授时中心的发射功率是一定的，只有尽量提高接收系统的接收灵敏度，才能使接收范围化，因此高灵敏度的接收系统对授时技术的广泛应用与推广具有重要而深远的意义。

　　本文将介绍接收日本低频时码授时信号JJY的高灵敏度接收系统茭设计方法。设计以MOS－51单片机为处埕咳心，以LA1650专用IC为主要接收芯片，通过软件算法处理，实现授时信号远距离的接收，时间达到秒同步。该系统具有实现简单、成本低、灵敏度高、高和稳定可靠等优点。

　　一、低频时码授时的基本原理与编码技术

　　1．授时系统的基本原理

　　在授时中心，由原子钟产生的标准时间，然后对时间信息进行编码，编码后的时间信号通过调制器调制到低频载波上（JJY／4OkHz， ASk） ，以无线电长波发射出去，见图 1。

图1 发射台原理图

　　接收系统则通过磁棒天线接收低频时码信号，由集成芯片进行时码信号的解调，再将此信号送入处理器进行解码等处理，得到标准时间信息，消除计时器的时间积累误差，使接收系统的时间与标准时间保持高度同步，见图2。

图2 接收系统原理图

　　2．JJY编码技术

　　JJY编码信号用—帧载荷当前的时间信息，这些信息以BCD码形式表示。每帧的时间长度为自分钟，分为60个码元，每个码元时间长度为1秒。码元为脉冲信号，每秒的开始对应于一位脉冲信号的上升沿，这样可以与标准时间同步。不同的脉冲宽度表示不同的码元，高电平宽度为2OOms±5ms表示定位码P码，SOOms±5ms表示逻辑O，8OOms±5ms表示逻辑1。时间信息为各位数值乘以位权值的求和。编码格式如图3所示。

图3 JJY编码格式

　　二、接收系统的方案设计

　　1.设计思想

　　为了获得高灵敏度的接收系统，需要从系统设计的各个环节上优化接收性能。根据对接收系统的分析，可以从以下几个方面提高接收灵敏度：选用制作合适的天线，以获得的信号接收效果；采用授时信号专用高灵敏度接收解调芯片，使得电路尽可能简单稳定；选用适合的处理器作为信息处理的，通过软件程序的算法进—步提高接收性能。由此确定设计思想为：用磁棒天线接收JJY4O授时信号，然后通过．JJY接收集成芯片进行解调，将解调后的编码信号送入处理器分析处理，实现标准时间的显示和—些扩展功能。

　　2．设计方案

　　根据设计思想，天线选用制作适合频率4OkHz的磁棒天线；接收解调集咸芯片采用JJY4O专用芯片LA1650，其接收灵敏度可达1OdBuV，而我国大部分地区（如哈尔滨）的信号强度为uV级，它可以满足指标要求并且电路简单稳定，容易实现。处理器采用STC89C52单片机，其运算处理能力可以满足对JJY编码信号的解码和其它—些基本处理控制功能；再加上液晶和按键，便可显示标准时间以及进行一些控制设置。同时预留一些控制输出接口，便于增加扩展功能。方案原理框图如图4所示。

图4 方案原理框图

　　三、关键部分的设计和实现

　　1.天线

　　接收天线是接收系统的前端，直接影响着接收机的接收灵敏度和后端的解调处理，它的制作至关重要。

　　对于4OkHz的低频信号，接收天线应采用磁棒天线，和电容组成并联谐振回路作为输入囤路。根据工程经验，其电感量应为mH级，磁芯选用高导磁率的锰锌铁氧体，线圈采用直径O. 25 mm的漆包线。经绕制、测量得电约为4.8mH，Q值约为50。

　　根据谐振频率公式：

　　式中，f0为4OkHz，得出谐振电容为C约为357OpF，考虑到电感的分布电容，取为22OOpF。通过微调磁，芯的位置，使谐振频率为4OkHz。

　　2.接收解调电路

　　以LA1650为的接收解调电路如图5所示。其原理是：先由AMP1对接收到的信号进行放大。然后经4OkHz的晶体带通滤波器滤波，由AMP2进行二次放大，从AMP1 的输入到AMP2的输出的总开环增益可达90dB。AMP2的输出经过1 OOOpF电容输人到整流电路，电容和输入阻抗构成高通滤波器，可以滤除低频噪声。整流电路对信号进行全波整流，并输出两路信号。一路作为AGC信号在片内对AMP1进行反馈控制。另一路输入到检波电路，检波后的波形经过整形后输出。输出的编码信号与输入信号反相，在送入单片机前需经过反相器进行反相处理。

图5 接收解调电路

　　3.基带处理电路

　　基带信号处理以STC89C52单片机作为处理，需要实现以下功能：基本的电子时钟功能，在没有接收到授时信号时可正确走时；接收解码授时信号的功能；显示时间信息的功能；按键设置功能和一些扩展控制功能。根据其功能，外围电路设计为LCD1602液晶显示部分和按键设置部分，并且预留出一些控制端口。电路如图6所示。

图6 基带处理电路

　　4.主程序

　　根据JJY接收系统的基本电子时钟功能、接收解码功能、显示功能和按键设置功能这4项基本功能，来确定程序设计的基本思想。主程序的设计思想为在基本的可设置、显示时间的基础上，融合加入JJY解码程序，并将解码后的实时时间信息更新到电子钟表，然后继续走时显示，利用单片机的定时器可实现的电子时钟，此可将程序分为显示子程序、置子程序、实时时钟子程序和接收解码子程序。主程序流程图7所示。

图7 主程序流程图

　　5.接收解码子程序

　　这部分子程序是整个程序的关键和，它是接收系统的授时技术思想的体现，它的设计水平直接关系到接收准确度和时间同步。由于前面已从硬件方面太限度地提高了接收灵敏度，所以若要进一步提高接收系统的性能，则需在软件上进行技术完善：

　　由此确定JJY接收解码程序的设计重点是：对受干扰信号的正确判决接收，通过一定算法实现；保证与授时中心的标准时间同步，即较好的实现秒同步和分钟同步（位同步和帧同步）。

　　（1）同步思想

　　对于本接收系统，只需通过软件程序实现位同步和帧同步。基本思想是：首先利用每—位零时刻来找到秒同步，再找到连续的两个P码，确定分钟同步，便可＝店—帧的时间信息数据，实现与标准时间的同步。若在此过程中出现差错，则返回重新开始。

　　（2）算法思想

　　一接收后的基带信号，由于频带信号传播过程中受到信道影响，解调后的基带信号会变为受干扰波形（如图8、图9所示），若不进行处理，则无法正确辨识和储存。因此需采用一定算法，通过软件滤波处理，再进行码元判别，这样可极大降低误码率。

　　算法实现采用“采样法”，其基本思想是：在秒同步后，从找到上升沿便每隔10ms对信号读取采样—次，一共采样100次，即对—个码元采样100次，然后统计高低电平数即可判别H 1、0、 P。通过设置计数门限，便可使抗干扰效果达到。JJY接收程序流程图如图10所示。

图10 JJY接收程序流程图