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、精確的頻率和時間標(biāo)準(zhǔn)的另一種時間源，人造衛(wèi)星以GPS的高穩(wěn)定時鐘為基礎(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、接收機本身的系統(tǒng)誤差等因素影響使得接收機輸出的1pps信號不夠穩(wěn)定，所以直接將GPS接收機輸出的秒脈沖信號當(dāng)成高穩(wěn)定的時鐘是不科學(xué)的。故在GPS信號中斷時還需要采取對應(yīng)的有關(guān)措施來確保系統(tǒng)時鐘模塊依然可以提供穩(wěn)定的時鐘信號。作為一種經(jīng)常使用的時鐘源，盡管恒溫晶振其擁有在短實踐內(nèi)能保持高的優(yōu)點，但是另一方面其缺點也非常突出，那就是它隨著時間推移相位和頻率會漂移，另外一方面高穩(wěn)定的原子鐘價格相對高昂。本文設(shè)計的是一種GPS與恒溫晶振互補的高穩(wěn)定時鐘信號，它能結(jié)合兩者優(yōu)點，生產(chǎn)出成本更低，穩(wěn)定度更強的時鐘信號。

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

整個系統(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，在隨機誤差信號產(chǎn)生之后對其進行處理，并將后續(xù)處理之后作為一種恒溫晶振補償?shù)膮⒖蓟鶞?zhǔn)。

時間間隔測量模塊：通過一定的周期對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行采樣在單片機中對輸入數(shù)據(jù)進行濾波從而盡可能消除隨機誤差，同時測量時使用比時法，準(zhǔn)確地送入控制電壓的數(shù)字量，單片機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：主要是利用單片機來進行，以固定的周期來對時間間隔測量模塊送來的數(shù)據(jù)采樣，通過單片機對輸入數(shù)據(jù)進行濾波處理，采用比時法進行測量，盡量減少誤差。

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

電源控制模塊：提供各部分模塊正常運行所需要的電壓。

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

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

一方面，作為一種精度高、應(yīng)用范圍廣擁有很多優(yōu)點的全球?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，以便將輸出速度、時間和位置實時發(fā)布?？臻g部分則是由分布在一個軌道平面上的多顆衛(wèi)星組成。保障在地球上任何一點任何時刻都可以接收到至少來自一顆衛(wèi)星的信號，以此來獲取數(shù)據(jù)信號。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)星信號接收的精度和算法，主要作用是完成對信號的自動增益控制、解調(diào)捕獲等功能，參考晶振TCXO和實時時鐘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。GPS定位與TCXO精度息息相關(guān)，SIRF精度0.48PPM，用來提供解調(diào)時鐘與系統(tǒng)時鐘，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的晶振和時鐘。（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)四個參數(shù)，另外還需引起重視的是，軸比是作為對整機各個方向的信號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)微射頻信號進行放大以用來補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現(xiàn)模塊性能良性發(fā)揮；二是LDD能將不純凈的前端信號進行濾除，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)定時鐘，在各個領(lǐng)域都受到越來越廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于GPS與恒溫晶體振蕩器的高穩(wěn)定時鐘，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，對1PPS信號得到了成功接收。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)定性和低成本的時鐘源，具有一定的推廣及實用價值。

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[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[J].電子設(shè)計工程，2010（04）.

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