探究G P S與恒溫晶振互補(bǔ)的高穩(wěn)定時(shí)鐘

尚俊利，董淑瑞

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊 050000）

1 引言

當(dāng)前隨著GPS技術(shù)飛速發(fā)展，作為一種提供穩(wěn)定、精確的頻率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的另一種時(shí)間源，人造衛(wèi)星以GPS的高穩(wěn)定時(shí)鐘為基礎(chǔ)的系統(tǒng)在導(dǎo)航定位、電力故障診斷及通訊網(wǎng)同步等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。受到電磁干擾、遠(yuǎn)距離傳輸、接收機(jī)本身的系統(tǒng)誤差等因素影響使得接收機(jī)輸出的1pps信號(hào)不夠穩(wěn)定，所以直接將GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖信號(hào)當(dāng)成高穩(wěn)定的時(shí)鐘是不科學(xué)的。故在GPS信號(hào)中斷時(shí)還需要采取對應(yīng)的有關(guān)措施來確保系統(tǒng)時(shí)鐘模塊依然可以提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。作為一種經(jīng)常使用的時(shí)鐘源，盡管恒溫晶振其擁有在短實(shí)踐內(nèi)能保持高的優(yōu)點(diǎn)，但是另一方面其缺點(diǎn)也非常突出，那就是它隨著時(shí)間推移相位和頻率會(huì)漂移，另外一方面高穩(wěn)定的原子鐘價(jià)格相對高昂。本文設(shè)計(jì)的是一種GPS與恒溫晶振互補(bǔ)的高穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)，它能結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)出成本更低，穩(wěn)定度更強(qiáng)的時(shí)鐘信號(hào)。

2 恒溫晶振和GPS相結(jié)合的髙穩(wěn)定時(shí)鐘總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由GPS接收模塊、恒溫晶振、DAC模塊、FPGA模塊以及電源控制模塊構(gòu)成。

GPS接收模塊：主要是用來接收GPSL1信號(hào)，在隨機(jī)誤差信號(hào)產(chǎn)生之后對其進(jìn)行處理，并將后續(xù)處理之后作為一種恒溫晶振補(bǔ)償?shù)膮⒖蓟鶞?zhǔn)。

時(shí)間間隔測量模塊：通過一定的周期對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣在單片機(jī)中對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波從而盡可能消除隨機(jī)誤差，同時(shí)測量時(shí)使用比時(shí)法，準(zhǔn)確地送入控制電壓的數(shù)字量，單片機(jī)的工作模式通過控制字輸入的生成來完成。

數(shù)據(jù)處理模塊：主要是利用單片機(jī)來進(jìn)行，以固定的周期來對時(shí)間間隔測量模塊送來的數(shù)據(jù)采樣，通過單片機(jī)對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用比時(shí)法進(jìn)行測量，盡量減少誤差。

恒溫晶振：是一種帶有壓控端同時(shí)產(chǎn)生原始頻率信號(hào)的振蕩器。這種頻率信號(hào)經(jīng)過修正之后將輸出精度更高的信號(hào)頻率，同時(shí)其自身還作為FPGA的外部輸入時(shí)鐘。

電源控制模塊：提供各部分模塊正常運(yùn)行所需要的電壓。

時(shí)鐘管理和分頻模塊：采用由外部輸入的恒溫晶振時(shí)鐘，通過FPGA中的IP核產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖和恒溫晶振分頻得到1Hz信號(hào)。

3 GPS和恒溫晶振相結(jié)合的高穩(wěn)定時(shí)鐘硬件與軟件設(shè)計(jì)

一方面，作為一種精度高、應(yīng)用范圍廣擁有很多優(yōu)點(diǎn)的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，GPS可以給用戶提供連續(xù)的給用戶提供導(dǎo)航定位服務(wù)，其由以下三個(gè)部分組成：用戶設(shè)備部分、空間部分及地面控制部分。用戶部分主要用來捕獲衛(wèi)星信號(hào)，以便將輸出速度、時(shí)間和位置實(shí)時(shí)發(fā)布。空間部分則是由分布在一個(gè)軌道平面上的多顆衛(wèi)星組成。保障在地球上任何一點(diǎn)任何時(shí)刻都可以接收到至少來自一顆衛(wèi)星的信號(hào)，以此來獲取數(shù)據(jù)信號(hào)。地面控制部分一般由一些跟蹤站構(gòu)成，跟蹤站根據(jù)作用的不同又劃分成主控站、監(jiān)控站、注入站，其主要作用是控制和檢測衛(wèi)星。

另外一方面，其硬件主要包括以下幾種：（1）導(dǎo)航芯片，決定了衛(wèi)星信號(hào)接收的精度和算法，主要作用是完成對信號(hào)的自動(dòng)增益控制、解調(diào)捕獲等功能，參考晶振TCXO和實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的精度對于GPS而言至關(guān)重要。RTC的精度必須處于20ppm之內(nèi)，以用來定時(shí)。GPS定位與TCXO精度息息相關(guān)，SIRF精度0.48PPM，用來提供解調(diào)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘，除此之外，為了提高TCXO精度，應(yīng)當(dāng)將電源波控制在4.8%內(nèi)。本文主要用的是單獨(dú)的晶振和時(shí)鐘。（2）天線。在天線的選擇過程中，應(yīng)該全面考慮增益、駐波、軸比及噪聲系數(shù)四個(gè)參數(shù)，另外還需引起重視的是，軸比是作為對整機(jī)各個(gè)方向的信號(hào)增益差異性衡量的關(guān)鍵指標(biāo)。（3）低噪聲放大器。低噪聲放大器是接收模塊的關(guān)鍵部位。主要作用是將天線接收到的細(xì)微射頻信號(hào)進(jìn)行放大以用來補(bǔ)償射頻電纜及濾波器的損耗，最終提升電路的整體效益。選擇時(shí)要秉持增益和噪聲系數(shù)綜合考量的原則，良好的增益和噪聲系數(shù)不可兼得，兩者要綜合考量，全面分析。（4）電源。選用LDD，主要有兩個(gè)優(yōu)勢，一是可以保證為后面部分工作提供穩(wěn)定電源從而減少由于電源電壓變化而造成的電源阻抗變化實(shí)現(xiàn)模塊性能良性發(fā)揮；二是LDD能將不純凈的前端信號(hào)進(jìn)行濾除，達(dá)到有效降噪的效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過GPS校準(zhǔn)恒溫晶振能夠獲取高穩(wěn)定時(shí)鐘，在各個(gè)領(lǐng)域都受到越來越廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于GPS與恒溫晶體振蕩器的高穩(wěn)定時(shí)鐘，闡述了該系統(tǒng)的研究方案和過程。參考了其他的一些GPS接收模塊設(shè)計(jì)的原理及方法，通過采用現(xiàn)今比較流行的導(dǎo)航芯片GPS接收模塊設(shè)計(jì)，對1PPS信號(hào)得到了成功接收。該系統(tǒng)將恒溫晶振的短期穩(wěn)定特性與GPS信號(hào)的長期穩(wěn)定性結(jié)合起來，獲得了高穩(wěn)定性和低成本的時(shí)鐘源，具有一定的推廣及實(shí)用價(jià)值。

[1] 張國琴，吳玉蓉.基于GPS校準(zhǔn)晶振的高精度時(shí)鐘的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2010（04）.

[2] 許國宏，李鐵成，李星.基于GPS馴服技術(shù)的高穩(wěn)頻蹤設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010（04）.

[3] 單慶曉，楊俊.衛(wèi)星馴服時(shí)鐘系統(tǒng)的新進(jìn)展[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2009（05）.