夏卫坤
摘 要：授时型GPS接收机通过接收GPS卫星定位信号，获得高精度的时间信息输出，可应用于广播电视系统中的时间授时、同步锁定，该接收系统具有时间输出稳定、精度高、安全可靠等特点。本文结合本单位实际，对授时型GPS接收机在广电播出系统中的应用实践作一介绍，希望能给同行提供一些借鉴作用。
关键字：GPS接收机；广电；播出系统；应用
GPS全称“全球定位系统”（Global Positioning System），由美国国防部于上世纪70年代投资建造，到1994年全面建成。GPS系统主要包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。在空间部分，GPS卫星星座由21+3颗GPS导航卫星组成（3颗备用），均匀配置在6个轨道平面上（每轨道面4颗），运行周期约为 11小时 58分，轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到4颗以上的卫星，这就提供了在时间上连续的全球导航能力。每个卫星上都配备了微型的星载钟，它发播的信号能覆盖全球各个角落，因此 GPS能在全球范围内提供精确的时间频率。地面监控系统的一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。GPS接收机按用途可分为：导航型、授时型和测地型接收机。在电视播出系统中，一般采用授时型GPS接收机，这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时。
广播电视播出系统对于时间的准确性要求特别高，有时相差几秒甚至都有可能造成播出事故，广电将逐渐推广的单频网对于时间同步和频率同步也具有相当高的要求，所以授时型GPS接收机在广播电视播出系统中具有举足轻重的作用。
一、授时型GPS接收机简介
（一）GPS接收机的组成及工作原理
GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元、电源三部分组成。
1、GPS接收机天线。由接收机天线和前置放大器两部分所组成。天线的作用是将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大。
2、接收机主机。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存贮器及显示器组成。
（1）变频器及中频接收放大器。经过GPS前置放大器的信号仍然很微弱，为了使接收机通道得到稳定的高增益，并且使L频段的射频信号变成低频信号，必须采用变频器。
（2）信号通道。信号通道是接收机的核心部分，GPS信号通道是硬软件结合的电路。不同类型的接收机其通道是不同的。
GPS信号通道的作用：搜索卫星，索引并跟踪卫星；对广播电文数据信号进行解扩，解调出广播电文；进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。
（3）存贮器。接收机内设有存贮器或存贮卡以存贮卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。在存贮器内还装有多种工作软件，如：自测试软件；卫星预报软件；导航电文解码软件；GPS单点定位软件等。
（4）微处理器。微处理器是GPS接收机工作的灵魂，GPS接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的。
（5）显示器。GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息。并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作，对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图。
3、电源。GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存贮器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源或专用电流交换器。
（二）授时型GPS接收机的信号
GPS信号有两个载波频率：L1=1575.42M，L2=1227.60M，一般授时型GPS接收机只使用L1=1575.42M这一频段。天线单元变换、放大接收到的GPS信号，并传给接收单元，接收单元实时计算出时间输出时间编码，以供GPS子钟显示和外部设备的校时。
GPS接收机输出的时间信号有两种，一种用于GPS子钟的时钟显示，各厂家生产的信号模式都有所不同，一般有TTL电平秒脉冲晶体管——晶体管逻辑电路Transister-Transister—Logic1，RS-422方波输出等等；另一种为时间编码信息，通过 RS-232或 RS-422输出给播出工控机进行授时，不同厂家的输出时间编码也常不同。
二、授时型GPS接收机在广播电视播出系统中的应用
（一）在单频网中的应用
数字电视地面标准一般采用单频网（SFN）技术，它带来的最直接的一个好处就是频谱效率的提高。由于同频率使用，在同一服务区一个频道上采用地面数字技术可传送多套电视节目，可以节省大量的频率资源。多个发射台同时工作所带来的分集效果，也使得接收的可靠性大大增强，从而获得更好的节目覆盖率。根据江苏省广电总台的统一要求，靖江广电台于2017年完成了单频网21CH前端建设，可以同时传送8套数字电视节目。
单频网实现同步广播与同步覆盖的主要难点是，让单频网中所有的发射点同时、同频地发出同样的信号。因此，MPEG-TS在经过单频网适配器传输码流时，在各发射点必须通过单频网同步系统恢复时间信息，以保证各发射点发出的信号完全同步，否则彼此之间会产生干扰，从而影响信号的质量。要实现完全同步，GPS是非常有效也是非常必需的一个设备。GPS的作用就是方便地提供一个在任何地点都同步的10M系统时钟和1PPS参考时间信息。单频网适配器主要功能是在数字码流中插入一个兆帧初始化包（MIP），以传输同步信号。单频网同步系统插在激励器上，用于确保时间同步和频率同步。频率同步是指所有发射机频率必须与参考频率同步锁相，用来自GPS接收机的10M频率信号作为参考频率信号源。时间同步是指从MPEG-TS中提取同步信息，经过延时处理后，用于所有发射机在时间上同步，将码流进行抗干扰处理并调制成IP信号。发射机将IP信号上变频为RF信号，并且尽量不失真地进行功率放大，然后通过天线向空中发射。
我台采用双GPS接收机（一主一备），来锁定时间和频率，然后输入到激励器，经功率放大后由天线发射出去，确保时间和频率与全省其他发射台同步。相关系统原理见图1。
图1
（二）在硬盘自动播出系统中应用
我台硬盘自动播出系统设备包括盘塔、迁移服务器、视频服务器、文件服务器、工作站、字幕编辑机、切换矩阵等。视频服务器又分为主视频服务器和备视频服务器，且两台服务器同时播放，互为备份，这就要求彼此必须完全同步，否则当一台服务器出现故障时，另一台自动备播，会因为时间不同步而出现画面跳跃或卡顿，从而造成播出事故。同时，每天晚上19:00要准点转播中央电视台新闻联播节目，还有应客户要求，需要准时插播广告。另外，工作站从文件服务器调节目单，字幕编辑机发送字幕都要求时间必须准时同步。所以GPS实时时钟显得尤为重要，具体实施方法如下：
GPS卫星天线接收GPS卫星发出的带标准时间信息的1575.42M载波信号，经变换放大后传给GPS接收机处理，GPS接收机实时计算出标准时间，并分别编码为TTL信号和RS-232。TTL信号输出到 GPS子钟，使子钟直接显示出时间。RS-232信号经 RS-232分配器分配给一台迁移服务器，在该服务器上安装格非的校时软件（服务器版），此服务器的校时程序通过串口接收信号，解出标准时间，并对本机校时。然后，将所有工控机通过网线连接到一台交换机上，再在各台工控机上（除已安装服务器版的迁移服务器）安装校时软件（客户端），得以实现各工控机时间与标准时间同步的目的。基本框架见图 2。
图2
三、授时型GPS接收机的设置要点
1、GPS天线四周应有良好的净空，不得有遮挡物，能接收到卫星的数目越多越好。
2、由于GPS信号的载波频率一般使用L1=1575.42M，所以应避免外来该频段信号的干扰，远离各种发射天线。
3、RS-232信号的一般传输距离只有15～20米，传输距离太长可采用RS-422信号，或在两边各加一个RS-232转RS-422的转接头实现长距离传输。
4、如果授时型GPS接收机与GPS子钟是分开采购的，应先与厂家确认。重点掌握GPS接收机和GPS子钟的时间码是否匹配，否则GPS子钟无法正常显示时间。
5、为了获得更好的系统性能，在购买GPS接收机时，如果条件允许，应尽可能选择内置双重恒温晶体。
四、结束语
随着地面数字电视的不断建设和完善，我台省单频网、市单频网的前端工程已逐渐完成，不久将逐渐向市场推广。为了确保地面数字电视安全稳定运行，授时型GPS接收机将得到更为广泛的应用。同样，在硬盘播出系统中，授时型GPS接收机在确保时间的准确性上将发挥十分重要的作用。
参考文献：
《广播与电视技术》
（作者单位：靖江市广播电视台）