基于DVB-S的数字卫星电视授时方法研究

2014-06-21向渝华宇许林生董道鹏鲁瑞勇

时间频率学报 2014年2期

向渝，华宇，许林生，董道鹏,鲁瑞勇

向渝1,2,3，华宇1,2，许林生1,2，董道鹏1,2,3,鲁瑞勇4

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 国家广播电影电视总局成都监测台，成都 611130）

介绍一种基于DVB-S标准的数字卫星电视高精度时间传递方法。在此方法中，以电视信号中的PCR（节目时钟参考）作为标志位，在发播台和接收端实时记录PCR发播和接收的精确时间戳，使得接收端与发播台时间实现粗同步，再利用精密卫星星历以及接收点的位置等信息计算实时路径传播时延使其达到高精度同步。经过试验验证，该方法是可行的并且其时间同步精度优于100ns(1)。

数字电视；卫星授时；节目时钟参考；时间戳

0 引言

我国的广播电视系统作为国家重要基础设施，要求广播电视设备间时间同步和溯源不能过分依赖GPS等外部授时系统。需要一种自主的、高精度的、可靠的时间频率服务冗余技术手段，以增强广播电视服务系统的安全可靠性。

电视系统是现代无线电广播系统之一，利用电视系统进行时频传递与校准，具有成本低，操作简单，能在较短时间内得到较高精度等特点，并且电视信号很强，且很容易得到可用信号，是一种极易普及的远距离时频传递与校准技术。

上世纪60年代人们就已经开始利用各种电视系统进行时频传递的研究，并取得了一些成果，但都是基于模拟电视广播标准的[1]。随着广播电视技术的发展，采用模拟电视标准的电视广播体制逐渐被采用数字电视标准的电视广播体制取代。目前，我国各电视发播台基本完成了数字化改造，所以，有必要对基于新的数字卫星电视广播系统的时频传递进行研究。

我国数字电视卫星传输采用DVB-S（digital video broadcasting-satellite）标准[2-3]。本文主要研究基于数字电视卫星广播系统进行授时的方法。

1 数字卫星电视授时原理

数字卫星电视授时主要是利用数字卫星电视广播系统将标准时间信号通过卫星转发器向覆盖范围内进行广播，用户可通过接收该电视台直播信号实现与标准时间的测量比对以达到与标准时间的高精度时间同步，系统框图如图1所示。

图1 数字卫星电视授时系统框图

图1中ASI（asynchronous serial interface）是异步串行接口，用于传送码流的一个标准的DVB接口。ASI传输流可以有不同的数据速率，但传输速率恒定，因此ASI可以发送和接收不同数据速率的MPEG2数据。

数字卫星电视授时的主要思想是利用数字卫星电视信号中的PCR（节目时钟参考）作为授时标志信息，在发播台利用差分接收机同时检测提取发播信号中的PCR和经过卫星转发下来的信号中的PCR，并记录其发播和接收时刻，生成时间戳经过编码，通过卫星电视广播专用信道对外广播；用户端接收卫星电视信号，同样提取信号中的PCR，并记录接收到的接收机时间，同时解调授时电文得到发播信息和精密卫星星历等信息，进而完成接收机与发播台时间精确同步[4]。

2 数字卫星电视授时系统时间同步方法

根据上述原理，数字卫星电视授时系统时间同步方法主要涉及标准时间溯源、数字卫星电视授时粗同步、数字卫星电视信号链路时延的精确测量等3个方面。

2.1 标准时间溯源

确定、保持某种时间尺度，通过一定的方式把代表这种尺度的时间信息传送出去，供应用者使用，这一整套工作在中国称为授时，在其他国家称为时间服务[5]。作为我国的一个完整的授时系统，需要将电视发播台的本地时间溯源到国家授时中心保持的UTC（NTSC）。目前，时间溯源可采用短波、长波、卫星和网络等多种方法来实现。对于数字卫星电视授时，采用卫星双向时间比对的方法将电视发播台的时间溯源到UTC（NTSC），其时间同步精度达到1ns[6]，发播台的标准时间由原子钟保持。相应的时间溯源框图如图2所示。

图2 卫星双向时间溯源系统

2.2 数字卫星电视授时粗同步方法

本方法以数字卫星电视信号作为平台，利用数字卫星电视信号中的PCR作为同步标志。在电视发播台卫星地球站利用本地高精度时间系统在复用器后端检测PCR并为其打上精确时间戳，同时将时间戳加入授时电文通过卫星广播链路中授时电文专用数据信道对外广播；用户终端收到电视信号，同样检测PCR并利用接收机时间系统为其打上时间戳，同时，通过接收授时电文专用数据信道数据得到PCR的发播时间戳，这样在用户端就可以得到每一个相同PCR的发播时间和接收时间，通过相同PCR的发播、接收时间差就能实现用户端与发播台的时间粗同步功能，如图3所示。

在电视发播台，在功率放大器输出端检测电视信号中的PCR，利用标准时间源记录数据流中PCR发送时刻，将该PCR数据和时刻值打包生成时间戳PCR_s，同时将时间戳通过授时电文专用数据信道广播出去。

图3 用户端与发播台时间同步原理

2.3 数字卫星电视信号链路时延的精确测量

利用上述同步方法能使接收机时间与电视发播台标准时间达到粗同步，要使其达到精确同步还需要精确测量信号从发播台到用户之间的链路时延，并对接收机时间进行校正。利用虚拟钟技术可以将地面的原子钟时间修正到转发器出口时间，达到在卫星无原子钟的情况下实现卫星存在原子钟的功能[7]。从而可以通过确定卫星到用户的几何链路时延，将卫星转发器出口时间推算到用户接收时间。

虚拟钟的时间改正量观测值的获取，如图4所示。图4示意了电视发播台卫星地球站自发自收信号

图4 虚拟钟的实现原理

的流程，为了更好地示意信号各阶段的时延关系，将信号上、下行链路分开表示。由图（4）可见：

数字卫星电视授时系统链路时延主要包括地面发播设备时延、上行几何路径时延、卫星转发器时延、下行几何路径时延和发播站接收信道时延等。整个链路时延大约250 ms左右，所以要实现高精度时间同步就需要精确测量以上链路时延并对用户接收机进行校准。可将信号链路分成如下几个部分，如图5所示。

图5 虚拟钟实现及授时链路

3 验证系统测试

根据试验平台的测试结果证明利用数字卫星电视信号进行高精度时间同步的方法是可行的，其测试参考时间基准使用GPS时间，所以测试结果也包含各测试点与发播站的时间基准误差。另外，试验中没有详细考虑链路中设备时延、大气误差修正以及Sagnac效应等误差修正，所以，其性能还有优化提升空间。

4 结语

利用数字卫星电视系统进行高精度时间频率传递具有精度高、抗干扰能力强等特点。该试验只是为了验证方法的正确性，作为完整的授时系统还有不完善处，比如溯源系统和卫星测定轨方法以及链路精确时延测量及修正方法等需要进行深入的研究和完善。

[1] 胡永辉,漆贯荣. 时间测量原理[M]. 香港: 香港亚太科学出版社, 2000.

[2] GB/T 17700—1999卫星数字电视广播信道编码和调制标准[S]. 国家质量技术监督局, 1999.

[3] GY/T 146—2000卫星数字电视上行站通用规范[S]. 国家广播电影电视总局, 2000.

[4] 宋轲欣. 数字卫星电视授时技术研究[D]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2011.

[5] 漆贯荣. 时间科学基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005: 72.

[6] 武文俊. 卫星双向时间频率传递的误差研究[D]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2012.

[7] 李孝辉, 吴海涛, 边玉敬, 等. 内含伪距差分功能的虚拟卫星原子钟[J]. 中国科学(G辑: 物理学力学天文学), 2008,38(12): 1723-1730.

Study on digital satellite-television time-service based on DVB-S

XIANG Yu1,2,3, HUA Yu1,2, XU Lin-sheng1,2, DONG Dao-peng1,2,3, LU Rui-yong4

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. Chengdu Monitor Station of the State Administration of Radio Film and Television, Chengdu611130, China)