自制高灵敏JJY授时时钟

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，时间精度达到秒同步。该系统具有实现简单、成本低、灵敏度高、精度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，由原子钟产生精确的标准时间，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精确同步。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，以获得最佳的信号接收效果；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核心，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，最后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最前端，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40kHz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为核心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单片机作为处理核心，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精确的电子时钟，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核心，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精度。由于前面已从硬件方面最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，最后便可＝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。