技术领域本发明涉及时频测控领域，尤其涉及时频测控领域内IRIG-B码的授时技术，具体为一种交流IRIG-B码的全数字包络检波解调方法与装置。
背景技术：
IRIG码是由美国靶场司令委员会(RangeCommandersCouncil，缩写RCC)的下属机构Inter-rangeInstrumentationGroup(靶场时间仪器组)于1959年最早设计的一种BCD串行时间调制码。IRIG的编码格式有“A、B、D、E、G、H”六种格式，其中IRIG-B(简称B码)作为时间信息传递的一种普遍使用格式，在时间信息传输得到了广泛应用。IRIG-B码授时技术已在科学研究、电力系统、卫星导航、导弹、航天发射试验、武器试验及日常生活中有了广泛的应用。在实际应用中，根据距离IRIG-B码发生器的远近及不同时间精度的要求，IRIG-B码在实际传输中采用了两种码型AC码(交流码)和DC码(直流码)。当传输距离近时采用DC码，B(DC)码是每秒一帧的时间码，主要是由一些宽度不同的矩形脉冲组成；当传输距离比较远时采用AC码，IRIG-B(AC)码是一种脉冲宽度调制码再对1kHz正弦波作幅度调制的信号，有三种不同的调制脉冲宽度，秒信号参考码元和位置识别标志为8ms，码字“1”为5ms，码字“0”和索引标志为2ms。IRIG-B(AC)码和IRIG-B(DC)的波形对比如图1所示。IRIG-B码的解码技术是影响最终的时间统一系统精度的重要原因，目前，国内外对直流IRIG-B码的解调方式主要采用脉宽计数的方法；对交流IRIG-B码的解调从方法上分类有两种：相干解调方式和非相干解调方式。相干解调方式的关键是接收端要提供一个与接收信号载波严格同步的相干载波，恢复载波性能的好坏，直接关系到IRIG-B码解调性能的优劣。而在实际实践中，无论用何种方法提取的载波相位总是存在一定的误差，对载波同步性能有很大影响；由于需要恢复载波使得设备实现较为复杂，并且难以在短时间内对接收信号的相干载波进行准确的估计和跟踪。
技术实现要素：
基于现有技术中交流IRIG-B码解调方法的不足，本发明提出了一种交流IRIG-B码的全数字包络检波解调方法与装置。该方法是一种非相干解调方式，包络检波只需提取直流IRIG-B码的包络，而不需要恢复载波，所以对相干载波无需准确估计和跟踪，进而该方法结构简单，算法复杂度低，易于电路实现，可广泛应用于需要对交流IRIG-B码进行解码授时的设备中。本发明的技术方案是：一种交流IRIG-B码的全数字包络检波解调方法，包括以下步骤：S1：模拟交流IRIG-B码通过A/D转换模块转换成数字信号；S2：将数字信号分别与正弦载波复制信号sin((w+Δw)t+θ)和余弦载波复制信号cos((w+Δw)t+θ)相乘混频，实现载波二倍频分量与低频分量的分离，其中数字信号y(t)与正弦载波复制信号混频的那条支路称为同相支路，数字信号y(t)与余弦载波复制信号混频的另一条支路称为正交支路；数字信号y(t)与正弦载波复制信号混频后得到yI(t)，数字信号y(t)与余弦载波复制信号混频后得到yQ(t)：其中：Δw为正弦载波复制信号或余弦载波复制信号与数字信号y(t)的频差，θ为正弦载波复制信号或余弦载波复制信号的初始相位；S3：将同相支路和正交支路上的两混频信号分别进行解调滤波，通过低通滤波器滤除载波信号的二倍频分量，得到低频信号；S4：将滤波后的两路低频信号进行平方和处理，消除低频信号中的交流部分cos(Δwt-θ)和sin(Δwt-θ)，提取直流IRIG-B码的包络信号S5：通过平滑处理和门限设置，得到准确的直流IRIG-B码；S6：对步骤S5中得到的直流IRIG-B码进行解调，最终输出时间信息。进一步地，为了提高传输质量，便于信号处理和系统的集成化，将信号采样以后通过全数字方式实现解调。利用正交数字混频器实现高频即载波信号的二倍频与低频分量的分离，然后利用能够保持线性相位的FIR低通滤波器实现滤波，滤除高频分量，留下所需的低频分量。进一步地，对于平滑处理和门限设置，为了降低采样、电路板低频干扰等噪声影响，本发明采取一种简便的处理方法，首先对信号包络采取滑动平均的方法进行数据平滑，然后取信号幅度的中间值(最大值和最小值的中间值)作为门限值。根据门限来判别码元，就可以解调出直流IRIG-B码。最后，利用直流B码解调模块对直流IRIG-B码解调，输出相应的时间信息。本发明提供一种交流IRIG-B码的全数字包络检波解调装置，包括A/D转换模块、正交数字混频器模块、数字振荡器NCO、低通滤波模块、平方和处理模块、平滑和门限设置模块、直流B码解调模块，交流IRIG-B码经过A/D转换模块转换成数字信号后输入到正交数字混频器模块，数字振荡器NCO产生两路正交信号即正弦载波复制信号和余弦载波复制信号，正交数字混频器模块将输入的数字信号分别与数字振荡器NCO产生的正弦载波复制信号和余弦载波信号相乘混频，输入的数字信号与正弦载波复制信号混频的那条支路为同相支路，输入的数字信号与余弦载波复制信号混频的另一条支路为正交支路，混频之后的两路信号分别经过一低通滤波模块，分别滤除同相支路和正交支路的高频分量得到低频分量，两低通滤波模块输出的两路交流信号均输入平方和处理模块，平方和处理模块将同相支路和正交支路的低频信号分别平方然后求和，消除低频分量中的交流部分，得到直流IRIG-B码的包络信号；平方和处理模块输出的直流IRIG-B码的包络信号经过平滑和门限设置模块，得到准确的直流IRIG-B码，最后由直流B码解调模块解调出时间信息，完成交流B码的全数字解调。本发明的有益效果是：本发明包络检波只需提取直流IRIG-B码的包络，不需要对载波进行相干估计和跟踪，该方法结构简单，算法复杂度低，易于电路实现，可广泛应用于需要对交流IRIG-B码进行解码授时的设备中。附图说明图1图解说明IRIG-B码波形示意图；图2图解说明本发明的实现原理图；图3图解说明交流IRIG-B码全数字解调流程图；图4图解说明交流IRIG-B码全数字解调装置结构图；图5图解说明I支路信号和滤波后的波形图；图6图解说明Q支路信号和滤波后的波形图；图7图解说明低通滤波后理论结果与实际结果波形图；图8图解说明包络在平滑前后的波形图；图9图解说明交流IRIG-B码解调结果。具体实施方式下面结合附图对本发明提供的频域抗干扰方法进行详细说明。本发明的实现原理图如图2所示，采用包络检波的方法。交流IRIG-B码y(t)是由直流IRIG-B码x(t)对1kHz正弦信号进行幅度调制而得，已调制交流IRIG-B码的包络即为直流IRIG-B码，它包含了相应的时间信息，如图1所示。在实际情况下，接收端的本地载波无法与已调制信号严格同频同相，在接收端，由数字振荡器NCO产生两路正交信号，即正弦载波复制信号sin((w+Δw)t+θ)和余弦载波复制信号cos((w+Δw)t+θ)，两正交信号与已调制信号的频率有轻微频差Δw，其初始相位为θ。将输入信号y(t)与正弦载波复制信号混频的那条支路称为同相支路(简称I支路)，而与余弦载波复制信号混频的另一条支路称为正交支路(简称Q支路)。输入信号y(t)与I支路和Q支路两路信号经过混频后分别得yI(t)和yQ(t)：通过混频表达式(1)和(2)可以看出，I支路和Q支路信号均被分离为高频和低频分量的组合，其中低频分量为直流IRIG-B码的包络与近似直流信号的乘积，经过低通滤波器将高频分量滤除后就可以得到这部分低频分量，时域表示式为：由于接收端载波频差Δw的存在，经过低通滤波后仍有交流信号存在，为了解调出直流IRIG-B码的包络信号，根据该交流信号的特性，将两路滤波结果yFI和yFQ进行平方求和后可以得到其表达式如下：该信号保持了直流IRIG-B码的包络，但并不是严格的方波，需通过设置门限估计出脉宽和幅度，进而得到直流IRIG-B码的准确包络，然后通过直流B码解调就可以将时间信息解调出来。本发明一种交流IRIG-B码的全数字包络检波解调方法其实现流程图如图3所示，包括以下步骤：S1：经A/D转换模块将模拟交流IRIG-B码转换成数字信号；S2：将数字信号分别与正弦载波信号和余弦载波信号相乘混频，实现载波二倍频分量与低频分量的分离，将数字信号与正弦载波复制信号sin((w+Δw)t+θ)混频得混频信号yI(t)如式(1)的推导结果；将数字信号与余弦载波复制信号cos((w+Δw)t+θ)混频得混频信号yQ(t)如式(2)的推导结果，I支路和Q支路的混频信号均变为由高频即载波信号的二倍频分量与低频即直流IRIG-B码的包络和近似直流信号的组合。S3：经过S2步骤的正交数字混频，为了得到直流IRIG-B码的包络信号，对两混频信号分别进行解调滤波，通过低通滤波器滤除载波信号的二倍频分量，得到低频分量：直流IRIG-B码的包络和交流信号如式(3)和式(4)所示；S4：将滤波后的两路低频信号进行平方和处理，消除低频信号中的交流部分cos(Δwt-θ)和sin(Δwt-θ)，提取直流IRIG-B码的包络信号S5：通过平滑处理和门限设置，消除因噪声等带来的信号抖动，得到准确的直流IRIG-B码；S6：对步骤S5中得到的直流IRIG-B码进行解调，最终输出时间信息。图4为本发明一种交流IRIG-B码的全数字包络检波解调装置的示意图，该装置包括A/D转换模块110、正交数字混频器模块120、1#低通滤波模块131和2#低通滤波模块132、平方和处理模块140、平滑和门限设置模块150、直流B码解调模块160。外部输入的交流IRIG-B码经过A/D转换模块110转换成数字信号后输入到正交数字混频器模块120，数字振荡器NCO产生两路正交信号即正弦载波复制信号和余弦载波复制信号，正交数字混频器模块120将输入的数字信号分别与数字振荡器NCO产生的正弦载波复制信号和余弦载波信号相乘混频，输入的数字信号与正弦载波复制信号混频的那条支路为同相支路即I支路，输入的数字信号与余弦载波复制信号混频的另一条支路为正交支路即Q支路，I支路和Q支路的两路混频信号分别经过1#低通滤波模块130和2#低通滤波模块131，1#低通滤波模块130和2#低通滤波模块131分别滤除I支路和Q支路的高频分量得到低频分量，根据I支路和Q支路的这两路交流信号的特性，通过平方和处理模块140，让I支路和Q支路的低频信号分别平方然后求和，消除低频分量中的交流部分，得到直流IRIG-B码的包络信号；经过平滑和门限设置模块150，得到准确的直流IRIG-B码，最后由直流B码解调模块160解调出时间信息，完成交流B码的全数字解调。本发明该装置其工作原理可概述为：外部输入交流IRIG-B码经过A/D转换模块110转换成数字信号；正交数字混频器模块120是为了实现载波与直流分量的分离，在正交数字混频器模块120中使用载波NCO，其功能是产生正交的正弦载波复制信号和余弦载波复制信号，实现正交数字混频。使用I支路上的正弦载波复制信号和Q支路上的余弦载波复制信号，分别与交流IRIG-B码相乘得到I支路信号和Q支路信号，实现了高频分量与低频分量的分离，高频信号是载波的二倍频分量，低频信号包括所要解调的直流IRIG-B码的包络和交流信号，为了得到低频分量需要由低通滤波器来滤除二倍频分量；低通滤波器模块130的作用就是为了滤除高频分量，留下有用的低频分量；为了消除由于调制信号与本地载波频差的影响，根据低频分量中交流信号的特性，通过平方和处理模块140，消除交流信号得到直流IRIG-B码的初始包络；然后通过门限设置模块150进行门限设置，将包络变成严格的方波，即准确的直流B码。最后，通过直流IRIG-B码解调模块160，将时间信息解调输出。具体来说，A/D转换模块110将输入的模拟交流IRIG-B码转换成数字信号，A/D转换模块本实施例中采用了美国AD公司的一款高性能、低功耗、易于使用的模数转换芯片。具体来说，正交数字混频器模块120实现正交数字混频，将高频和低频分量分离。正交数字混频器模块120在FPGA中利用载波NCO实现，其核心部件是相位累加器和相位幅度变换器，根据累加相位查找相位幅度查找表，转换成信号幅度，得到正交的正弦信号和余弦信号。两路信号分别与数字已调制信号相乘混频，实现正交数字混频。具体来说，为了避免滤波器产生非线性相位延迟，需要利用能够保持线性相位的低通滤波器进行滤波。为了简化硬件设计，本实施例采用了等波纹的低通滤波器，采样频率为100KHz，通带频域为[0～0.1]KHz，过渡带频域[0.1～1.9]KHz，阻带频域为f≥1.9KHz，为了降低阶数，设计阻带衰减Astop为20dB，滤波器阶数为48阶。I支路和Q支路两路信号分别通过设计的数字低通滤波器后，滤波后的包络与滤波前的信号包络基本吻合，实际滤波结果与理论滤波结果相比有一固定的延迟如图5和图6所示。图5中第一个图形是滤波前I支路经过混频后的信号，第二个图形是I支路混频信号经过低通滤波器的结果，其包括与滤波前混频信号的包络基本吻合，第三个图形是理论推导中滤波后的结果，与实际滤波后的结果只是存在一个固定的延迟，这是由于硬件资源造成的，属正常结果；同样图6指的是Q支路混频信号滤波前后的结果，与I支路结果一致。需要说明的是，本发明中滤波器参数设置只是针对现有的硬件资源来说的，其他设备可以根据实际情况设置不同的参数，滤波器参数可以根据系统实际情况进行调整，其遵循的原则是在取得满足指标的滤波结果的前提下，尽量节省硬件资源。滤波器的具体参数设置不构成对本实施方案的限制。具体来说，平方和处理模块140就是将两低通滤波模块输出的两路信号先平方然后求和，消除由于调制信号与本地载波存在的频差和相位差的影响。然后将平方和信号输送到平滑和门限设置模块150。具体来说，经过低通滤波和平方和处理的信号结果虽然保持了直流IRIG-B码波形的包络，但是由于采样、电路噪声干扰等因素影响，滤波后的信号包络抖动较大，如图7所示，如果直接与门限进行比较很可能产生毛刺造成误码。为了设置合适的门限值，本实施例首先采用滑动平均的方法对信号进行平滑，消除较大的抖动，然后取信号幅度的中间值(最大值和最小值的中间值)作为门限值。如图8所示，曲线1指平滑前的信号波形，曲线2指平滑后的信号波形，可以看出经过平滑处理后的信号波形更利于门限值的选取和设置。进一步地，门限设置完毕后，当平滑处理后的信号数据值大于门限值时，则输出直流IRIG-B码的高电平值，当平滑处理后的数据值小于门限值时，则输出直流IRIG-B码的低电平值，则最终输出信号的波形就是直流IRIG-B码，统计本实施例的解码精度可以达到6us，如图9所示，能够满足国军标GJB2991A-2008《B时间码接口终端》规范中的要求(IRIG-B(AC)的同步误差应<10us)。具体来说，直流IRIG-B码的解码具体方法如下：通过计数方式测量码元的宽度，利用10MHz作为时钟信号，在检测到IRIG-B码上升沿时，开始计数，在检测到下降沿后，结束计数，同时对计数值进行判断，根据计数值的结果输出当前码元对应的数值：考虑冗余设计，若计数值在75000～85000之间，该码元为8ms脉宽码元，代表标志位；若计数值在45000～55000之间，该码元为5ms脉宽码元，代表1；若计数值在25000～35000之间，该码元为2ms脉宽码元，代表0。时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成，其宽度为8ms，即两个连续的8ms。因此，首先检测到一帧信号的帧头，然后按照直流B码的格式可以正确地解调出秒、分、时、天信息。综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。