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基于北斗卫星和ZigBee通信技术的广播电视授时系统研究

作　者: 陈孟元
导　师: 凌有铸
学　校: 安徽工程大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 北斗卫星导航系统全球导航卫星系统 ZigBee通信技术广播电视授时 DS3232 时钟节点
分类号: TN948
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

标准时间是广播电视安全播出的前提条件,在广播电视系统中具有重要的地位。目前的卫星授时技术可以依靠美国的全球卫星导航系统(GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统(COMPASS)来实现。现阶段我国的广播电视中心常利用GPS授时来获取标准时间,但是GPS授时存在手段单一和没有自主控制权两方面问题,不仅短期稳定性差,而且安全性不强。另一方面我国北斗卫星导航系统的应用水平与国外卫星导航定位系统相比存在相当的差距,特别是在民用方面,还远远未达到产业化、市场化的水平,这与作为世界上第三个投入实际应用的卫星导航定位系统的地位是不相称的。基于我国拥有自主控制权的“北斗一号”导航定位系统获取基准时间,同时以CCTV及广播电台的标准时间为辅助授时源并与系统中的本地时间进行校准,可以彻底摆脱对GPS授时的依赖。广播电视台需要标准时间的设备很多,分散在广播电视中心楼内,全台的时间都要准确、同步,因此需要组网管理。现有的播出管理系统主要以有线网络为主,需要铺设电缆,布线复杂且干扰原有预埋管线,日后的维护保养也十分不便。近年来随着无线通信技术的发展,为建立通畅、可靠的无线网络提供了可能。ZigBee通信技术是近年来兴起的一种无线通讯技术,具有低成本、低功耗、组网简单灵活的特点,发展前景良好。运用此技术加快无线网络取代有线组网的步伐,实现广播电视全台时间的精确同步。论文主要创新点：(1)基于我国自主研发的北斗卫星获取基准时间,同时以CCTV及广播电台的标准时间为辅助授时源为我国广播电视系统提供精确时间源,提高了广播电视播出系统的安全性。(2)北斗授时接收模块输出的秒脉冲信号存在较大的随机误差,但不存在累计误差；而高精度晶振时钟信号不存在随机误差,在较短时间内累计误差也很小的特点。通过建立北斗lpps随机误差数学模型,对一段时间内相邻两北斗秒脉冲间的计数值求动态平均并取整,提出了在屏蔽北斗伪秒脉冲后利用高精度晶振在线修正北斗1pps随机误差的方法,据此方法研制出了高精度时钟发生装置,并成功应用于广播电视行业的同步播出领域。(3) ZigBee无线通信技术应用于广播电视授时系统中,将卫星系统的精确时间发送到各时钟节点,实现了广播电视全台的时间同步。系统无线连网、无须布线,提高了广播电视中心各时钟节点的可移动性。(4)基于温度补偿时钟芯片DS3232提出二次数据补偿的方法,解决了温度影响晶体频率偏差的问题。目前北斗授时技术和ZigBee通信技术在广播电视系统中的应用还是空白。论文将两种前沿技术紧密结合,通过“北斗一号”导航定位系统授时和ZigBee无线组网,实现广播电视系统全台精确时间同步。此项研究对改变国外卫星授时对我国授时系统的垄断,保障我国的信息安全,具有重要的意义。

全文目录

摘要 5-7ABSTRACT 7-11第1章绪论 11-15 1.1 课题的背景及意义 11-13 1.2 主要研究内容和论文结构 13-14 1.3 论文主要创新点 14-15第2章国内外研究现状 15-20 2.1 广播电视授时系统的现状 15 2.2 卫星导航定位系统比较 15-18 2.2.1 全球定位系统(GPS) 15-16 2.2.2 "北斗一号"导航系统 16-17 2.2.3 "北斗一号"导航系统与全球定位系统(GPS)相比的优势 17-18 2.3 无线组网的现状 18-19 2.4 科技查新情况 19-20第3章 "北斗一号"导航通信卫星系统的授时原理 20-26 3.1 时间标准及授时技术 20-21 3.1.1 时间标准 20 3.1.2 授时技术简介 20-21 3.2 "北斗一号"导航通信卫星系统授时原理 21-24 3.2.1 "北斗一号"导航通信卫星系统的授时原理 22 3.2.2 单向授时 22-23 3.2.3 双向授时 23 3.2.4 单向授时和双向授时的比较 23-24 3.3 北斗授时应用于广播电视系统可行性分析 24-26 3.3.1 卫星信号的覆盖范围 24-25 3.3.2 可接受的用户容量限制 25-26第4章授时系统主节点设计 26-46 4.1 授时系统主节点的硬件设计 26-42 4.1.1 微处理器单元 27-29 4.1.2 北斗授时模块 29-36 4.1.2.1 北斗授时模块的连接 29-30 4.1.2.2 北斗授时模块的输出 30-32 4.1.2.3 北斗伪秒脉冲屏蔽 32-34 4.1.2.4 高精度晶振修正北斗秒脉冲随机误差产生精确时钟信号 34-36 4.1.3 CCTV时间解码模块 36-38 4.1.4 电台解码模块 38 4.1.5 高精度本地钟DS3232 38-41 4.1.6 ZigBee无线通信单元 41 4.1.7 键盘显示模块 41-42 4.2 授时系统主节点的软件设计 42-44 4.3 授时系统从节点的设计 44-46第5章 ZigBee无线通信组网和协议的设计 46-51 5.1 基于ZigBee技术的无线局域网 46 5.2 广播电视授时无线网络系统的组成 46-47 5.3 ZigBee节点硬件设计 47-49 5.4 ZigBee节点软件设计 49-51第6章系统应用说明与指标测试分析 51-57 6.1 系统概述与使用说明 51-54 6.1.1 系统概述 51-52 6.1.2 主要技术指标及功能基本性能指标 52 6.1.3 系统使用说明 52-54 6.2 北斗卫星授时与GPS授时秒脉冲的同步对比实验 54 6.3 系统无线通信距离测试 54-57第7章结论与展望 57-60 7.1 课题主要研究成果 57-58 7.2 系统应用情况 58-59 7.3 未来工作展望 59-60参考文献 60-63附录1:主节点控制模块原理图 63-64附录2:主节点CCTV解码模块原理图 64-65附录3:主节点ZigBee模块原理图 65-66附录4:主节点显示面板原理图 66-67附录5:从节点控制模块原理图 67-68附录6:从节点显示驱动模块原理图 68-69攻读学位期间发表的学术论文目录 69-70攻读学位期间取得的科研成果目录 70-71致谢 71

基于北斗卫星和ZigBee通信技术的广播电视授时系统研究

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