基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備。該設(shè)備包括導(dǎo)航定位接收機(jī)、FPGA芯片電路、壓控振蕩器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電源模塊；所述FPGA芯片電路包括有效性判斷模塊、數(shù)字鑒相器、濾波器、老化補(bǔ)償模塊、比例積分控制器、分頻器、倍頻器和延時(shí)器。本實(shí)用新型能利用衛(wèi)星時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)得到更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定的本地晶振輸出頻率，精度可達(dá)納秒級(jí)，能更好地應(yīng)用于生產(chǎn)生活。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種晶振馴服設(shè)備，具體地說(shuō)是一種基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]在各種時(shí)間同步技術(shù)中，衛(wèi)星授時(shí)由于具有覆蓋面廣、頻率基準(zhǔn)精度高(可達(dá)10_12~10_15)、相對(duì)成本較低的特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。人們一般通過(guò)導(dǎo)航定位接收機(jī)提取衛(wèi)星系統(tǒng)的同步時(shí)鐘頻率，然而衛(wèi)星距離地面上萬(wàn)公里，導(dǎo)航定位接收機(jī)在解調(diào)的過(guò)程中會(huì)注入干擾信號(hào)和隨機(jī)噪聲，因此，采用衛(wèi)星授時(shí)雖然具有了跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，但卻增加了短期的相位抖動(dòng)。相反，諸如電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)和恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)等具有短期穩(wěn)定度好的優(yōu)點(diǎn)，但這些晶體振蕩器卻存在著老化的固有缺陷，而且長(zhǎng)期穩(wěn)定性能差。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的就是提供一種基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備，以解決本地晶體振蕩器因老化導(dǎo)致時(shí)鐘準(zhǔn)確度下降以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性能差的問(wèn)題。
[0004]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備，包括:
[0005]導(dǎo)航定位接收機(jī)、，與有效性判斷模塊相接，用于接收衛(wèi)星系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)并將其傳輸給有效性判斷模塊；
[0006]有效性判斷模塊，分別與所述導(dǎo)航定位接收機(jī)、數(shù)字鑒相器和老化補(bǔ)償模塊相接，用于判斷導(dǎo)航定位接收機(jī)所傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)是否有效，有效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)傳輸給數(shù)字鑒相器，無(wú)效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)送給老化補(bǔ)償模塊；
[0007]數(shù)字鑒相器，分別與所述有效性判斷模塊、濾波器、分頻器和延時(shí)器相接，用于接收標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)和由延時(shí)器傳輸?shù)木д衩朊}沖信號(hào)，并對(duì)接收到的兩個(gè)秒脈沖信號(hào)進(jìn)行相位差比較以得到時(shí)鐘差信號(hào)，之后將時(shí)鐘差信號(hào)輸出給濾波器，同時(shí)在時(shí)鐘差信號(hào)穩(wěn)定時(shí)控制分頻器輸出晶振秒脈沖信號(hào)；
[0008]濾波器，分別與所述數(shù)字鑒相器和老化補(bǔ)償模塊相接，用于濾除時(shí)鐘差信號(hào)中的噪聲，并將濾除噪聲后的時(shí)鐘差信號(hào)輸出給老化補(bǔ)償模塊；
[0009]老化補(bǔ)償模塊，分別與所述有效性判斷模塊、所述濾波器和比例積分控制器相接，用于補(bǔ)償壓控振蕩器的老化誤差，并將老化補(bǔ)償后的時(shí)鐘差信號(hào)輸出給比例積分控制器，并在接收到無(wú)效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)時(shí)，提取守時(shí)信號(hào)輸出給比例積分控制器；
[0010]比例積分控制器，分別與所述老化補(bǔ)償模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器相接，用于對(duì)濾除噪聲和老化補(bǔ)償后的時(shí)鐘差信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，之后將時(shí)鐘差信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字調(diào)節(jié)量輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器；
[0011]數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分別與所述比例積分控制器和壓控振蕩器相接，用于對(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字調(diào)節(jié)量的時(shí)鐘差數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出給壓控振蕩器；[0012]壓控振蕩器，分別與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器、分頻器和倍頻器相接，用于在時(shí)鐘差模擬信號(hào)的控制下向分頻器和倍頻器輸出額定頻率的脈沖信號(hào)；
[0013]分頻器，分別與所述數(shù)字鑒相器、所述壓控振蕩器和延時(shí)器相接，用于將由壓控振蕩器輸出的額定頻率的脈沖信號(hào)分頻為晶振秒脈沖信號(hào)，并在數(shù)字鑒相器的控制下向延時(shí)器輸出晶振秒脈沖信號(hào)；
[0014]延時(shí)器，分別與所述分頻器和所述數(shù)字鑒相器相接，用于對(duì)晶振秒脈沖信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理后輸出給數(shù)字鑒相器，并同時(shí)輸出晶振秒脈沖信號(hào)在延時(shí)調(diào)整后的時(shí)鐘信號(hào)；
[0015]倍頻器，與所述壓控振蕩器相接，用于對(duì)壓控振蕩器輸出的額定頻率的脈沖信號(hào)進(jìn)行增頻，以供相應(yīng)設(shè)備使用；以及
[0016]電源模塊，與上述各部分相接，提供各部分所需的工作電壓。
[0017]所述導(dǎo)航定位接收機(jī)為GPS接收機(jī)或北斗衛(wèi)星接收機(jī)。
[0018]由壓控振蕩器輸出的額定頻率的脈沖信號(hào)為IOMHz的脈沖信號(hào)。
[0019]本實(shí)用新型使本地壓控振蕩器的頻率與衛(wèi)星系統(tǒng)上的星載銫或銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)相一致，這樣，通過(guò)衛(wèi)星秒脈沖信號(hào)馴服壓控振蕩器得到的Ipps信號(hào)就兼具了衛(wèi)星秒脈沖信號(hào)的準(zhǔn)確度和本地壓控振蕩器的穩(wěn)定度。同時(shí)通過(guò)老化補(bǔ)償模塊補(bǔ)償因壓控振蕩器的老化而導(dǎo)致的誤差，從而可解決因本地壓控振蕩器老化而導(dǎo)致的時(shí)鐘準(zhǔn)確度下降的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)短期和長(zhǎng)期都具有高穩(wěn)定度、高精度的頻率基準(zhǔn)和時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)源。本實(shí)用新型精度高(可達(dá)ns級(jí))、成本低、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，能更好地應(yīng)用于生產(chǎn)生活。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1所示，本實(shí)用新型包括導(dǎo)航定位接收機(jī)1、FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，F(xiàn)ield — Programmable Gate Array)芯片電路2、壓控振蕩器3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器4和電源模塊
5。FPGA芯片電路2又包括有效性判斷模塊21、數(shù)字鑒相器22、濾波器23、老化補(bǔ)償模塊24、比例積分控制器27、分頻器26、倍頻器28和延時(shí)器25。
[0022]導(dǎo)航定位接收機(jī)I為GPS接收機(jī)或北斗衛(wèi)星接收機(jī)，兩者可以互為冗余設(shè)備，即:二者均能工作時(shí)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較判斷后擇優(yōu)選擇，其一不能工作時(shí)可自主切換到另一方。
[0023]導(dǎo)航定位接收機(jī)I采用有源天線(xiàn)模式，GPS接收機(jī)和北斗衛(wèi)星接收機(jī)之間的替換只需對(duì)接好相應(yīng)接口即可。GPS接收機(jī)和北斗衛(wèi)星接收機(jī)的模塊電路中都留有串口(UART)通信接口和Ipps信號(hào)接口，UART用于接收模塊的導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息，一方面可以測(cè)試模塊的工作狀態(tài)，另一方面可以在系統(tǒng)中集成導(dǎo)航定位的功能，方便系統(tǒng)擴(kuò)展。
[0024]本實(shí)施例中的導(dǎo)航定位接收機(jī)I采用U-blox公司推出的LEA-5T型號(hào)GPS接收機(jī)。導(dǎo)航定位接收機(jī)I接收衛(wèi)星系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖Ipps信號(hào)并將其傳輸給有效性判斷模塊21。
[0025]有效性判斷模塊21接收到標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖Ipps信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行判斷，若判斷結(jié)果為有效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖Ipps信號(hào)，則將標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖Ipps信號(hào)傳輸給數(shù)字鑒相器22 ;若判斷結(jié)果為無(wú)效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖Ipps信號(hào)(包含未接收到標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖Ipps信號(hào))，則將無(wú)效信號(hào)發(fā)送給老化補(bǔ)償模塊24。
[0026]數(shù)字鑒相器22由符號(hào)判斷電路、粗測(cè)計(jì)數(shù)器、差分延時(shí)線(xiàn)電路、細(xì)測(cè)計(jì)數(shù)器、相位差合成電路等構(gòu)成，在FPGA芯片電路2內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測(cè)量的測(cè)量精度為426ns，測(cè)量范圍取決于計(jì)數(shù)器的位數(shù)和時(shí)鐘頻率，本實(shí)施例采用的是26位計(jì)數(shù)器和IOOMHz時(shí)鐘頻率，測(cè)量范圍約為0.67s。數(shù)字鑒相器22具有較高的相位分辨能力，以保證系統(tǒng)后續(xù)處理的精度。
[0027]數(shù)字鑒相器22接收標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖Ipps信號(hào)，同時(shí)接收由延時(shí)器25傳輸?shù)木д衩朊}沖Ipps信號(hào)(本地產(chǎn)生的Ipps信號(hào))，并對(duì)接收到的兩個(gè)秒脈沖信號(hào)進(jìn)行相位差比較以得到時(shí)鐘差信號(hào)，在時(shí)鐘差信號(hào)可控時(shí)將時(shí)鐘差信號(hào)輸出給濾波器23 ;同時(shí)在時(shí)鐘差信號(hào)穩(wěn)定時(shí)控制分頻器26輸出晶振秒脈沖Ipps信號(hào)。
[0028]濾波器23為Kalman (卡爾曼)濾波器。濾波器23在接收到時(shí)鐘差信號(hào)后濾去其中的噪聲信號(hào)，之后傳輸給老化補(bǔ)償模塊24。
[0029]老化補(bǔ)償模塊24對(duì)接收到的時(shí)鐘差信號(hào)進(jìn)行老化誤差補(bǔ)償，以消除因壓控振蕩器3本身固有的老化缺陷帶來(lái)的誤差，并將補(bǔ)償后的時(shí)鐘差信號(hào)傳輸給比例積分(PI)控制器27。老化補(bǔ)償模塊24還用于在接收到無(wú)效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖Ipps信號(hào)時(shí)，提取守時(shí)信號(hào)(存儲(chǔ)于老化補(bǔ)償模塊24內(nèi)部)輸出給比例積分控制器27。
[0030]比例積分控制器27對(duì)濾除噪聲信號(hào)和老化補(bǔ)償后的時(shí)鐘差信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，之后將時(shí)鐘差信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字調(diào)節(jié)量輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器4。
[0031]數(shù)模轉(zhuǎn)換器4選用TI公司的18位轉(zhuǎn)換芯片DAC9881，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口方式，可達(dá)50MHz數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘頻率。數(shù)模轉(zhuǎn)換器4對(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字調(diào)節(jié)量的時(shí)鐘差數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出給壓控振蕩器3。
[0032]本實(shí)施例中壓控振蕩器3選用晶禾科技公司的恒溫壓控晶體振蕩器(VC0CX0)，其短期頻率穩(wěn)定度< 5X 10_12/s，老化率為±0.03ppm/年。壓控振蕩器3在時(shí)鐘差模擬信號(hào)的控制下向分頻器26和倍頻器28輸出IOMHz的額定頻率的脈沖信號(hào)。
[0033]倍頻器28接收來(lái)自壓控振蕩器3的IOMHz的額定頻率的脈沖信號(hào)后進(jìn)行增頻，以供FPGA芯片電路2中的相應(yīng)設(shè)備使用。
[0034]分頻器26接收來(lái)自壓控振蕩器3的IOMHz的額定頻率的脈沖信號(hào)后進(jìn)行分頻，以得到IHz的晶振秒脈沖Ipps信號(hào)，并在數(shù)字鑒相器22的控制下向延時(shí)器25輸出晶振秒脈沖Ipps信號(hào)。
[0035]延時(shí)器25將晶振秒脈沖Ipps信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理后輸出給數(shù)字鑒相器22 ;同時(shí)輸出晶振秒脈沖Ipps信號(hào)在延時(shí)調(diào)整后的時(shí)鐘信號(hào)，包括以B秒(即采用IRIG-B編碼的時(shí)鐘信號(hào))和授時(shí)秒(或守時(shí)秒)兩種格式形式輸出。
[0036]電源模塊5采用美國(guó)凌特公司的LT1936電源芯片，為設(shè)備提供可靠的
1.2V/2.5V/3.3V/4.5V/5V/12V等電壓。其中1.2V給FPGA芯片電路2內(nèi)核供電;2.5V為FPGA芯片電路2中倍頻器28 (PLL)的模擬電源供電；3.3V為FPGA芯片電路2的通用I/O接口和其他3.3V數(shù)字邏輯供電；4.5V為數(shù)模轉(zhuǎn)換器4的參考電壓值；5V給數(shù)模轉(zhuǎn)換器4的模擬部分和其他5V電路供電；12V電壓為壓控振蕩器3的工作電壓。
[0037]FPGA芯片采用美國(guó)ALTERA公司CycloneIII系列的EP3C120484型號(hào)，可以嵌入NiosII軟核處理器。FPGA配置電路時(shí)，QuartusII軟件將配置文件通過(guò)JTAG 口下載到FPGA中，AS模式首先通過(guò)QuartusII將配置文件通過(guò)AS 口下載到EPCS中，然后FPGA每次上電時(shí)會(huì)從EPCS器件中讀取配置文件來(lái)重新配置FPGA。本設(shè)備采用通用電路，SDRAM存儲(chǔ)器使用兩片 MT48LC4M16A2。
[0038]本實(shí)施例中濾波器23、分頻器26、倍頻器28、延時(shí)器25、PI控制器27、NiosII均在SOPC硬件平臺(tái)上搭建。其中在PI環(huán)節(jié)之前先對(duì)時(shí)鐘差信號(hào)進(jìn)行Kalman濾波，估計(jì)出時(shí)鐘差的真實(shí)值，接著再利用PI控制器27實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跟蹤鎖定，結(jié)果表明，濾波效果比較好。整個(gè)SOPC系統(tǒng)搭建完成以后，就可以利用NiosII IDE開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)基于NiosII處理器的應(yīng)用程序。
[0039]本實(shí)用新型采用FPGA芯片電路2、數(shù)模控制器4和壓控振蕩器3構(gòu)建了一個(gè)閉合負(fù)反饋鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)了馴服調(diào)節(jié)本地晶振頻率的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備，其特征是，包括: 導(dǎo)航定位接收機(jī)，與有效性判斷模塊相接，用于接收衛(wèi)星系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)并將其傳輸給有效性判斷模塊； 有效性判斷模塊，分別與所述導(dǎo)航定位接收機(jī)、數(shù)字鑒相器和老化補(bǔ)償模塊相接，用于判斷導(dǎo)航定位接收機(jī)所傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)是否有效，有效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)傳輸給數(shù)字鑒相器，無(wú)效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)發(fā)送給老化補(bǔ)償模塊； 數(shù)字鑒相器，分別與所述有效性判斷模塊、濾波器、分頻器和延時(shí)器相接，用于接收標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)和由延時(shí)器傳輸?shù)木д衩朊}沖信號(hào)，并對(duì)接收到的兩個(gè)秒脈沖信號(hào)進(jìn)行相位差比較以得到時(shí)鐘差信號(hào)，之后將時(shí)鐘差信號(hào)輸出給濾波器，同時(shí)在時(shí)鐘差信號(hào)穩(wěn)定時(shí)控制分頻器輸出晶振秒脈沖信號(hào)； 濾波器，分別與所述數(shù)字鑒相器和老化補(bǔ)償模塊相接，用于濾除時(shí)鐘差信號(hào)中的噪聲，并將濾除噪聲后的時(shí)鐘差信號(hào)輸出給老化補(bǔ)償模塊； 老化補(bǔ)償模塊，分別與所述有效性判斷模塊、所述濾波器和比例積分控制器相接，用于補(bǔ)償壓控振蕩器的老化誤差，并將老化補(bǔ)償后的時(shí)鐘差信號(hào)輸出給比例積分控制器，并在接收到無(wú)效的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)時(shí)，提取守時(shí)信號(hào)輸出給比例積分控制器； 比例積分控制器，分別與所述老化補(bǔ)償模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器相接，用于對(duì)濾除噪聲和老化補(bǔ)償后的時(shí)鐘差信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，之后將時(shí)鐘差信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字調(diào)節(jié)量輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分別與所述比例積分控制器和壓控振蕩器相接，用于對(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字調(diào)節(jié)量的時(shí)鐘差數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出給壓控振蕩器； 壓控振蕩器，分別與所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器、分頻器和倍頻器相接，用于在時(shí)鐘差模擬信號(hào)的控制下向分頻器和倍頻器輸出額定頻率的脈沖信號(hào)； 分頻器，分別與所述數(shù)字鑒相器、所述壓控振蕩器和延時(shí)器相接，用于將由壓控振蕩器輸出的額定頻率的脈沖信號(hào)分頻為晶振秒脈沖信號(hào)，并在數(shù)字鑒相器的控制下向延時(shí)器輸出晶振秒脈沖信號(hào)； 延時(shí)器，分別與所述分頻器和所述數(shù)字鑒相器相接，用于對(duì)晶振秒脈沖信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理后輸出給數(shù)字鑒相器，并同時(shí)輸出晶振秒脈沖信號(hào)在延時(shí)調(diào)整后的時(shí)鐘信號(hào)； 倍頻器，與所述壓控振蕩器相接，用于對(duì)壓控振蕩器輸出的額定頻率的脈沖信號(hào)進(jìn)行增頻，以供相應(yīng)設(shè)備使用；以及 電源模塊，與上述各部分相接，提供各部分所需的工作電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備，其特征是，所述導(dǎo)航定位接收機(jī)為GPS接收機(jī)或北斗衛(wèi)星接收機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于衛(wèi)星授時(shí)的晶振馴服設(shè)備，其特征是，由壓控振蕩器輸出的額定頻率的脈沖信號(hào)為IOMHz的脈沖信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H03B5/04GK203377841SQ201320406853
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月9日
【發(fā)明者】王曉君, 安國(guó)臣, 張秀清, 邱峻, 趙甘露, 張旭, 尚燕, 陳玉周, 于國(guó)慶, 王震洲, 穆敬彬 申請(qǐng)人:石家莊市經(jīng)緯度科技有限公司