探究G P S與恒溫晶振互補的高穩定時鐘

尚俊利，董淑瑞

（河北遠東通信系統工程有限公司，石家莊 050000）

1 引言

當前隨著GPS技術飛速發展，作為一種提供穩定、精確的頻率和時間標準的另一種時間源，人造衛星以GPS的高穩定時鐘為基礎的系統在導航定位、電力故障診斷及通訊網同步等領域中被廣泛應用。受到電磁干擾、遠距離傳輸、接收機本身的系統誤差等因素影響使得接收機輸出的1pps信號不夠穩定，所以直接將GPS接收機輸出的秒脈沖信號當成高穩定的時鐘是不科學的。故在GPS信號中斷時還需要采取對應的有關措施來確保系統時鐘模塊依然可以提供穩定的時鐘信號。作為一種經常使用的時鐘源，盡管恒溫晶振其擁有在短實踐內能保持高的優點，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，另外一方面高穩定的原子鐘價格相對高昂。本文設計的是一種GPS與恒溫晶振互補的高穩定時鐘信號，它能結合兩者優點，生產出成本更低，穩定度更強的時鐘信號。

2 恒溫晶振和GPS相結合的髙穩定時鐘總體設計

整個系統由GPS接收模塊、恒溫晶振、DAC模塊、FPGA模塊以及電源控制模塊構成。

GPS接收模塊：主要是用來接收GPSL1信號，在隨機誤差信號產生之后對其進行處理，并將后續處理之后作為一種恒溫晶振補償的參考基準。

時間間隔測量模塊：通過一定的周期對發送的數據進行采樣在單片機中對輸入數據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，準確地送入控制電壓的數字量，單片機的工作模式通過控制字輸入的生成來完成。

數據處理模塊：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據采樣，通過單片機對輸入數據進行濾波處理，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生原始頻率信號的振蕩器。這種頻率信號經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核產生的計數脈沖和恒溫晶振分頻得到1Hz信號。

3 GPS和恒溫晶振相結合的高穩定時鐘硬件與軟件設計

一方面，作為一種精度高、應用范圍廣擁有很多優點的全球導航定位系統，GPS可以給用戶提供連續的給用戶提供導航定位服務，其由以下三個部分組成：用戶設備部分、空間部分及地面控制部分。用戶部分主要用來捕獲衛星信號，以便將輸出速度、時間和位置實時發布。空間部分則是由分布在一個軌道平面上的多顆衛星組成。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星的信號，以此來獲取數據信號。地面控制部分一般由一些跟蹤站構成，跟蹤站根據作用的不同又劃分成主控站、監控站、注入站，其主要作用是控制和檢測衛星。

另外一方面，其硬件主要包括以下幾種：（1）導航芯片，決定了衛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而言至關重要。RTC的精度必須處于20ppm之內，以用來定時。GPS定位與TCXO精度息息相關，SIRF精度0.48PPM，用來提供解調時鐘與系統時鐘，除此之外，為了提高TCXO精度，應當將電源波控制在4.8%內。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，應該全面考慮增益、駐波、軸比及噪聲系數四個參數，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鍵指標。（3）低噪聲放大器。低噪聲放大器是接收模塊的關鍵部位。主要作用是將天線接收到的細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綜合考量的原則，良好的增益和噪聲系數不可兼得，兩者要綜合考量，全面分析。（4）電源。選用LDD，主要有兩個優勢，一是可以保證為后面部分工作提供穩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模塊性能良性發揮；二是LDD能將不純凈的前端信號進行濾除，達到有效降噪的效果。

4 結束語

綜上所述，通過GPS校準恒溫晶振能夠獲取高穩定時鐘，在各個領域都受到越來越廣泛的應用。本文設計了一種基于GPS與恒溫晶體振蕩器的高穩定時鐘，闡述了該系統的研究方案和過程。參考了其他的一些GPS接收模塊設計的原理及方法，通過采用現今比較流行的導航芯片GPS接收模塊設計，對1PPS信號得到了成功接收。該系統將恒溫晶振的短期穩定特性與GPS信號的長期穩定性結合起來，獲得了高穩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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