一种基于FM调频广播信号的时间同步信号处理的方法

摘要

本发明公开了一种基于FM调频广播信号的时间同步信号处理的方法。对FM广播音频信号进行A/D采样转化为数字电压值；实时检测处理得到FM广播音频信号的特征结果；判断特征结果，与“五短一长”信号进行匹配完成时间同步。在接近整点时间时对数字电压值实时处理判断，以开始对FM广播整点报时的“五短一长”信号进行实时检测。本发明方法通过模式匹配的方法实现时间同步，通过对FM广播音频信号进行简单的A/D采样即可实现时间同步，实现难度小，成本低；并且时间同步精度高，理论可达20μs；可使用普通微处理器进行，应用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种无线传感网络时间同步方法，尤其涉及一种基于FM调频广播信号的时间同步信号处理的方法。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。在无线传感器网络中，时间同步是重要组成部分，传感器数据融合、传感器节点自身定位等都要求节点间的时钟保持同步。

目前广泛用于无线传感网络时间同步的方法主要有GPS（Global Positioning System)）和NTP(Network Time protocol )。GPS具有高同步精度，但其成本高、能耗大而且在恶劣的环境下同步精度会受到很大影响。NTP能实现网络上高精度的计算机校时，但它属于计算密集型，具有很大的计算开销。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种基于FM调频广播信号的时间同步信号处理的方法，实现时间同步精度高，而且方法简单，易于实现。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1）对FM广播音频信号进行A/D采样，并转化为数字电压值；

2）对FM广播整点报时的“五短一长”信号进行实时检测处理，得到FM广播音频信号的特征结果；

3）根据判断特征结果，将特征结果与FM广播整点报时“五短一长”的信号的频率进行匹配，进行时间同步。

在所述步骤2）之前，由得到的数字电压值进行实时计算处理与判断，使得在接近整点时间时开始对FM广播整点报时的“五短一长”信号进行实时检测。

当所述的数字电压值保持在0.7～0.55V范围内的时长大于0.5秒时，则FM广播音频信号处于无声状态，开始对FM广播整点报时的“五短一长”信号进行实时检测。

所述的步骤2）具体为：对于“五短一长”信号的各个短音频信号以及长音频信号，由该音频信号到达开始定时0.2秒，实时检测得到该0.2秒内的数字化电压值，计算得到该0.2秒内收到正弦波的个数，进而得出该音频信号的频率，即得到特征结果。

所述的步骤3）具体为：

3.1）初始的FM广播整点报时信号声数为零；

3.2）对检测到的特征结果的音频信号频率依次进行判断，当检测到的特征结果的音频信号频率在700Hz到900Hz范围内，则判断该音频信号为FM广播整点报时“五短一长”信号的第一声，保持在测量状态，将FM广播整点报时信号声数加1，继续重复本步骤3.2）判断余下的音频信号频率；否则FM广播报时信号声数计数清零，不进行时间同步，返回到步骤1）；

3.3）若特征结果的音频信号频率在1500Hz到1700Hz范围内，并且当前FM广播整点报时信号声数为5，则判定该音频信号为FM广播整点报时信号，根据FM广播整点报时信号的结尾时刻对时间进行同步；否则FM广播报时信号声数计数清零，不进行时间同步，返回到步骤1）。

所述的步骤1）中A/D采样的采样频率为50KHz。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1. 本发明采用基于FM调频广播报时信号进行高精度网络时间同步，方法简单易于实现。

2. 本发明采用基于FM调频广播报时信号进行高精度网络时间同步，使用范围广，环境应变能力强。

3. 本发明采用50kHz的采样频率，校时精度高，时间精确度可达20μs。

4. 本发明可用于无线传感网络中的时间同步。

附图说明

图1是FM广播整点报时音频信号原理图。

图2是本发明方法的逻辑原理框图。

图3是本发明方法的模块连接示意图。

图4是实施例音频信号采样结果。

图5是实施例音频信号0.01秒内采样结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图3所示，本发明方法实施的系统可采用包括FM广播音频信号采样模块I、FM广播音频信号特征检测模块II和时间同步控制模块III；FM广播音频信号采样模块I对FM广播音频信号进行A/D采样，采样结果为FM广播音频信号数字化电压值，然后将FM广播音频信号数字化电压值发送给FM广播音频信号特征检测模块II；FM广播音频信号特征检测模块II在时间同步状态机的控制下，根据时间同步状态机不同的状态，对FM广播音频信号数字化电压值进行检测，将检测结果发送给时间同步控制模块III；时间同步控制模块III对FM广播音频信号特征检测模块II发送的结果进行判断，并根据检测结果与FM广播音频信号“五短一长”的特征进行匹配，完成时间同步。

在WSN应用中，传感器节点实现时间同步的方法要求高精度、易实现，因此本发明方法电路具有低功耗、外形小且成本低廉的特点。

如图2所示，本发明的实施例及其实施工作过程如下：

FM广播音频信号采样模块I：采样FM广播音频信号进行A/D，采样频率为50KHz，得到结果为FM广播音频信号的数字化电压值，并将FM广播音频信号的数字化电压值发送给FM广播音频信号特征检测模块II；

FM广播音频信号特征检测模块II：根据时间同步状态机所处状态，当时间同步状态机处于等待状态时，如图4所示，检测到FM广播音频信号电压值是否在一定范围内FM广播音频信号为无声段持续时间超过0.5秒时，发送检测结果给时间同步控制模块III，时间同步控制模块III判断FM广播整点报时音频信号即将到达，改变时间同步状态机状态为频率测量状态。

当时间同步状态机处于频率测量状态时，根据FM广播整点报时音频信号“五短一长”，并且FM广播整点报时音频信号为正弦波的特征，如图1所示，理想FM广播整点报时音频信号的前五声是频率为800Hz的正弦信号，持续时间为0.25s，FM广播整点报时音频信号的第六声为整点时刻并且是频率为1600Hz的正弦信号，持续时间为0.5s，通过施密特触发的方法开始检测FM广播整点报时音频信号频率。如图5所示，当FM广播整点报时音频信号短报时声或长报时声到达时，等待FM广播音频信号高阈值电压到达，本实施例设定的高阈值电压为0.74V，等高阈值电压到达触发后，设定计时器为0.2秒，等待低阈值电压到来，本实施例设定的低阈值电压为0.56V，等低阈值电压到达后，继续等待下一个高阈值电压到来，当下一个高阈值电压到达时，记为检测到一个正弦波。计时结束后，在该0.2秒内检测到正弦波的个数分别为162，对检测到正弦波个数乘以5，即得到FM广播整点报时音频信号一个声长的频率，FM广播整点报时音频信号该声长的频率为810Hz。FM广播音频信号特征检测模块II将检测到的FM广播整点报时音频信号的频率结果发送给时间同步控制模块III。

时间同步控制模块III：时间同步状态机根据FM广播音频信号特征检测模块II的检测结果，控制状态机的执行。如图3所示，状态机的初始状态为等待状态，当FM广播音频信号特征检测模块II的检测无声段音频信号持续时间大于 0.5秒，则进入频率测量状态；FM广播音频信号特征检测模块II检测FM广播音频信号的频率，并返回给时间同步控制模块III，本实施例第一次检测到FM广播音频信号频率结果为810Hz，在700Hz到900Hz范围内，判定为FM广播整点报时音频信号的第一声，即“五短一长”FM广播整点报时音频信号第一个短声，保持在测量状态，测量FM广播整点报时信号声数加1，继续测量FM广播音频信号的频率；本实施例中测得第二个短声频率结果为780Hz，第三个短声频率结果为785Hz，第四个短声频率结果为780Hz，第五个短声频率结果为775Hz 。检测到FM广播音频信号第六声的频率为1590Hz，在700Hz到900Hz范围外，继续判断FM广播音频信号的频率在1500Hz到1700Hz范围内，且已经接收到FM广播音频报时信号声数为5，则判定这一声为FM广播整点长报时信号，且该声为整点时刻，进入时间同步状态，完成对时间的同步。

由此，本发明通过对FM广播音频信号进行简单的A/D采样即可实现时间同步，实现难度小，成本低，并且时间同步精度高，可达20μs，具有显著突出的技术效果。