自制高灵敏JJY授时时钟.doc

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 4OkHz2.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 90dBAMP2 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　　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最佳JJY 接收程序流程图如图 10 所示。

图 10 JJY 接收程序流程图为了实现高灵敏度 JJY 信号接收系统，根据设计方案原理，需要从硬件和软件两个方面进行制作与调试在硬件上，主要分为频带处理部分和基带处理部分在软件上，主要完成对 JJY 信号的接收解码功能和电子时钟的功能硬件电路1.接收天线为了接收 40kHz 的低频授时信号，接收天线要采用磁棒天线，其和电容组成并联谐振回路作为输入回路在铁氧体磁棒上绕上漆包线圈便可制成磁棒天线，根据经验值，其电感量应为mH 级磁棒选用导磁率 2kH/m 的锰锌铁氧体，尺寸为直径 10mm，长度 80mm 的圆柱形磁棒，线圈采用直径 0.25mm 的单股漆包线，绕制成电感量约为 4.8mH 的磁棒天线（如图 1 所示），通过调整磁芯圈中的位置，可以微调电感量，从而使谐振频率为 40kHz图 1 磁棒天线图 2 接收解调电路 图 3 接收状态监测显示电路 图 4 采样比较电路 2.接收解调电路利用接收芯片 LA1650 实现对 JJY40 授时信号的接收解调，SANYO 公司的这款芯片是专为接收 JJY40 授时信号而设计的，其接收灵敏度达 10dBμV。

电路如图 2 所示LA1650 推荐的工作电压为 1.5V，有一片选使能控制端 PON，和 JJY 基带反相信号输出端 TCO′由于 MCU 的电平为 5V，所以端口连接需进行电平转换，利用 51 单片机 P0 口的 OC 门特性，外接上拉电阻和1.5V 电平即可进行 PON 端的电平转换，对解调后的信号输出端 TCO′，采用比较器 LM311 可进行电平转换并且将信号反相，输入端 1.5V 为高电平，设置比较门限约为 0.8V 即可，故选取对5V 的分压电阻为 4.7kΩ 和 1kΩ，电路如图 3 所示3.基带处理电路根据设计原理，以 STC89C52 单片机作为基带信号处理核心来实现基本功能其中，液晶显示采用 LCD1602，键盘采用 4 按键独立键盘，进行功能设置，其功能分别为：强制接收开关按键；时间菜单选择按键；单位增加按键；单位减少按键为便于对信号的接收状态进行监测，采用 LED 灯来显示，如图 4 所示，电阻为 P0 口的外部上拉电阻各灯功能如下：秒准同步监测，秒准同步后亮起；秒同步监测，秒同步后亮起；分钟同步监测，分钟同步后亮起；接收误码监测，出现误码后亮起；奇偶校验监测，奇偶校验判断出错后亮起；最后转换监测，最后信息转换时发现数据错误后亮起；JJY 接收解调后的基带信号指示，实时显示信号，高电平亮低电平灭。

4.电源电路电源需要输出 5V 和 1.5V 分别对单片机和接收芯片供电，采用稳压片 7805 和 LM317 产生5V 和 1.5V，如图 5 所示其中 1.5V 的产生根据V0＝（1＋R 30 /R29）×1.25（V）＋（R30×50(μA)）得出，经计算，选取 R29 为 1kΩ，R30 为 200Ω图 6 调试接收天线软件程序根据程序流程图及 JJY 信号接收解码思想，便可完成 C 语言程序8051 单片机的 C 语言源代码可到《无线电》杂志网站上下载调试测试根据电路图，制成 PCB 电路板，然后焊接元器件，并编写程序，便可进行调试测试1.接收天线对接收天线的调试主要是对接收谐振回路中心频率的调整，通过调整磁芯圈中的位置，利用信号源和示波器测试，使中心频率为 40kHz测试方法如图 6 所示，改变信号源的频率，用示波器观测信号幅度，当其最大时信号源输出频率便是回路中心频率，通过此法便可使磁芯处于谐振 40kHz 时的位置，达到良好的接收选频效果2.接收解调电路将输入的接收天线回路换为 51Ω 电阻，等效为无信号输入时的状态，即静态工作状态给芯片供电 1.5V，测各管脚电位，参考芯片资料，实测值与参考值误差很小，说明静态工作正常。

然后将输入换回接收天线回路，并将芯片使能端置高，用信号源产生载频 40kHz 正弦波、调制信号为 1Hz 方波的 2ASK 信号（幅度 mV 级），通过耦合方式将已调信号加入芯片（如图 7 所示），用示波器观察芯片输出端波形，若为 1Hz 的方波，则说明可接收解调信号。