低频时码

中国科学院国家授时中心与西安高华电气实业有限公司合作，开发低频时码电波授时新技术，致力推动中国电波钟技术发展，推出具有中国自主知识产权的电波钟表，使中国成为世界上继德国、美国、英国、日本之后第五个实现长波授时技术民用化的国家。并于2007年7月，在中国河南商丘建成的新电波塔已经开始发送电波。

电波钟表将传统钟表技术与现代时频技术、微电子技术、通讯技术、计算机技术等多项技术相结合，通过接收国家授时中心以无线电长波传送的标准时间信号，经过内置微处理器解码处理后，自动校准计时器走时，使电波钟表显示的时间与国家保持的标准时间自动保持精确同步。

市场上低频时码电波表有两种，一种不能接收中国授时电波，即所谓的五局电波表，一种可以接收中国授时电波，即所谓的六局电波表。

一种低频时码信号场强仪，它括低频时码接收电路和用于对整机进行控制的控制电路，低频时码接收电路的输出端接控制电路。本实用新型采用单频接收，液晶显示，能自动记录长时间测量的数据和定位数据，具有带宽窄、能耗低、抗干扰能力强、测量精度高、重量轻、操作灵活简便等优点，避免了指针仪表带来的人为误差和读数的麻烦。

​军队综合信息系统、指挥系统等，该技术十分适用。在国际上，继德国成功开发和广泛应用该技术以后，美国和日本也重新重视低频时码技术。美国政府制订了三阶段的升级改造计划，将原WWVB电台的设备更新，辐射功率从13KW增至25KW，又增至50KW。日本则废掉原JG2AS电台，重新又购置美国设备在东京东北和九州地区新建两个大功率台，其中的九州台的方向性图明显针对中国。国际电信联盟最新建议书也表明，低频时码相关技术研究和发展，在3~5年内将是各国研究的热点。

国家授时中心从1993年起开始跟踪此项技术。经过多年的努力，和企业合作开展的"低频授时扩展及应用产业

化"项目取得了决定性进展，在授时中心建成了可实用的试验台已成功发播，发播呼号"BPC"，经国家无委批准使用频率为68.5KHz。系统化的研究工作取得了重要突破。研究的编解码方式，效率是国外同类信号的三倍。相位控制技术解决频谱利用问题有重要创新。协作企业研制成功大功率全固态长波发射机，主要合作企业主导产品列入2002年科技部星火计划，多个产品通过成果鉴定，并申请专利多项，形成一批自主知识产权。2003年，成功地与企业合作推出了国内第一款中国制式电波钟表，在国内钟表业界引起巨大反响，并为国内诸多媒体争相报道，并使"原子时表"进入寻常百姓家庭不再是梦想。产业化计划进展良好，产品开始陆续推向市场。试验台已成为国家授时体系的重要扩展和补充，开始发挥其效用。

截至到2013年全球共有6座正式投入使用的低频时码授时台，分别是英国 Anthorn(60.0kHz)、德国 Mainflingen(77.5kHz)，中国 商丘(68.5kHz)，美国 科罗拉多州 Fort Collins(60.0kHz)，日本 福岛(40.0kHz)，日本 福冈/佐贺(60.0kHz)。

图中所示范围，虚线为地波可靠接受范围，实线为天波可靠接收范围。设计可接受范围约为图示范围的两倍。但受到天气，气象条件，电离层条件，季节变化，日出日落等变化的影响。可能即使在可靠接受范围内接收授时信号失败。亦可能接收到超过设计接受范围之外的电波信号。如在天气晴好无风的秋冬季凌晨，中国高纬度地区亦有一定几率接收到德国/英国授时电波。

空时格型编码 STTC 编译码的基本原理: TCM 编码器的基本结构在多数情况下可以看作一个有限状态的状态转移器, 最新的信息源比特流数据用来确定编码器的从当前状态到下一个状态的状态转移,状态转移的结果就是要从多个发射天线上同时发射出去的一个空时矢量符 STS . STS 的组成符号从原理上可以选择任何星座图, 如 QPSK , 8-PSK , 16QAM 等 .

空时格型编码 STTC( Space-Time Trellis Coding) 最初由 V .Tarokh 等人提出,它是由 Ungerboeck 提出的格型编码调制 TCM(Trellis Coded Modulation) 的推广. 一个空时格型码的例子, 它是两天线的 8-PSK 的 8 态的空时编码 ,可以看到它与 TCM 编码很相像, 只不过每一个状态转移结果的空时矢量符 STS ,代表同一时刻分别从两个天线发射出去的符号 .

空时编码可以根据编码增益和分集增僧准则设计出来, 只是好码字的搜索设计非常麻烦, V . Tarokh 给出的几种空时码都呆以达到满分集增益( 满分集增益等于发射天线数乘接收天线数) , 但它们的编码增佃没有达到最大 ,其他学者也提出了一些新的空时格型编码 . 空时格型编码的设计其实是在接收端已知信道信息条件下最大化任意两个码字矩阵之间的欧氏距离,可以实现数据传输速率、分集增益和格型复杂度及译码复杂度的最佳折中, 所以在 3 种空时编码方案中 ,它的性能是最佳的 ,但是目前因为其译码复杂度而影响了它的应用, 空时分组编码就是基于此考虑所提出的 ,目前以其较低的编 、译码复杂度得到了广泛认同  .

作为一种新的通信信号处理技术和方法 ,自从空时编码提出以来 ,全球无线通信领域内掀起了研究空时编码的热潮,除了对如何构造空时编码和空时编码与其他信道编码方式如 Turbo 码相结合方面的研究外,许多和工程应用紧密联系的研究方向正在形式  .

当前虽然关于空时编码的构造和应用有了一些成果, 但是这些理论大多假设信道是准静态、平衰落的,各衰落路径也是假设是相互独立的 ,而实际信道为频率选择性衰落、快变化以至各衰落路径有可能相关 ,所以为了推动空时编码技术的实用性 ,有必要对空时编码在信道为频率选择性衰落 、快变化以至各衰落路径相关的情况下的性能以及相应的改进措施进行理论和实践研究. 同时, 如何将空时编码和第三代移动通讯的标准相结合, 研究在CDMA ,WCDMA 环境下空时编码技术的性能以及和其他技术如多用户检测技术的结合目前也吸引了不少的研究人员进行研究,如空时编码和OFDM 等通讯技术的结合, 使其适用于宽带无线通讯系统 .

另外 ,如何将空时编码和阵列信号处理技术如波束形成技术( Beamforming)和干扰抵消技术( Interference Cancellation) 有机地结合起来,充分发挥二者的优点, 进一步提高其性能 , 提高它的实用性 ,是当前研究的另一个热点和方向; 由于二者均是多个阵元天线系统的重要而有效的信号处理技术 ,所以它们的结合应用就具有的应用基础 ,最先提出和研究空时编码技术的研究人员也正在进行这方面的研究和探索工作,但是此项工作刚刚开始, 具有很大的理论和实际研究价值. 当然 ,有关在接收端和发射端均得不到信道信息的差分空时编码方面的研究对于空时编码在未来移动蜂窝系统中的应用也是很有意义的  .

1 空时分组码

正交空时分组编码( OSTBC) 的原理框图如图 2 所示. 正交空时分组编码( OSTBC) 包括两大类: ⑴空时发射分集( STTD),最初上 Alamouti 于 1998 年以两个发射天线的简单发射分集技术为例提出,其基本思想类似于接收分集中的最大比接收合并 MRRC ; 然后经 V . Tarokh 等人于 1999 年利用正交化设计思想推广到多天线情况,称为空时分组编码. 数据经过空时编码后,编码数据分为多个支路数据流 ,分别经过多个发射天线同时发射出去; 接收端的最大似然译码可以通过把不同天线发射的数据解偶来得到更简单的实现形式, 利用的是空时码字矩阵的正交性从而得到基于线性处理的最大似然译码算法 . ⑵正交发射分集( OTD), 由Motorola 做为 cdma2000 3G CDMA 的标准提出 . 这两种方法都具有不扩展信号带宽的优点 ,即可以不同牺牲频谱效率 ; 并且解码可以由线性运算按照最大似然算法给出 , 优于标准的 Viterbi 译码, 接收机可以比较简单,但是它们也不能够提供编码增益. 其中关键部分"分组映射器"和"分组解旋转器"的基本原理在下节中详细介绍  .

2 空时分组码的构造问题

通常 ,如果在 p 个时隙周期内 ,有 k 个符号被发送出去 ,则定义编码比率为 R =k/ p . 对两个天线的复信号的情况 ,共编码比率为 1 .这里的编码矩阵的行代表发射天线的空间维 ,列代表时间维的各个发射时隙或符号周期 . 空时分组编码的构造问题其实就是码字矩阵的正交性设计 ,各阵元所发射的信号在一帧内互相正交, 即码字矩阵的行正交. 类似地 ,从空时正交性这个基本关键点出发, 也可以设计出其他多个发射天线的空时分组码,它们所提供的分集增僧和通常的发射天线个数乘以接收天线个数的接收最大比合并具有相同的信噪比, 即具有相同的分集增益 .

3 译码算法

对任何空时分组码,用最大似然解码算法都可以在接收机处通过线性处理来实现 , 这就意味着, 接收机的结构可以很简单, 而这一点在实际应用中对移动用户的接收机设计很在意义  .

类似地,其他空时分组码的译码器同样可以推导得出, 对各个符号的检测判断可以相互独立地通过线性运算得出 ,其实上面的最大似然检测是一种相干检测方法, 这种相干检测方案可以使空时编码的译码性能获得所能达到的最佳性能 .