基于卫星授时的晶振驯服设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于卫星授时的晶振驯服设备。该设备包括导航定位接收机、FPGA芯片电路、压控振荡器、数模转换器和电源模块；所述FPGA芯片电路包括有效性判断模块、数字鉴相器、滤波器、老化补偿模块、比例积分控制器、分频器、倍频器和延时器。本实用新型能利用卫星时频标准得到更加准确和稳定的本地晶振输出频率，精度可达纳秒级，能更好地应用于生产生活。
【专利说明】基于卫星授时的晶振驯服设备【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种晶振驯服设备，具体地说是一种基于卫星授时的晶振驯服设备。
【背景技术】
[0002]在各种时间同步技术中，卫星授时由于具有覆盖面广、频率基准精度高(可达10_12~10_15)、相对成本较低的特点而得到广泛的应用。人们一般通过导航定位接收机提取卫星系统的同步时钟频率，然而卫星距离地面上万公里，导航定位接收机在解调的过程中会注入干扰信号和随机噪声，因此，采用卫星授时虽然具有了跟踪卫星信号的长期稳定度，但却增加了短期的相位抖动。相反，诸如电压控制式晶体振荡器(VCXO)和恒温控制式晶体振荡器(OCXO)等具有短期稳定度好的优点，但这些晶体振荡器却存在着老化的固有缺陷，而且长期稳定性能差。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的就是提供一种基于卫星授时的晶振驯服设备，以解决本地晶体振荡器因老化导致时钟准确度下降以及长期稳定性能差的问题。
[0004]本实用新型是这样实现的:一种基于卫星授时的晶振驯服设备，包括:
[0005]导航定位接收机、，与有效性判断模块相接，用于接收卫星系统的标准秒脉冲信号并将其传输给有效性判断模块；
[0006]有效性判断模块，分别与所述导航定位接收机、数字鉴相器和老化补偿模块相接，用于判断导航定位接收机所传输的标准秒脉冲信号是否有效，有效的标准秒脉冲信号传输给数字鉴相器，无效的标准秒脉冲信号发送给老化补偿模块；
[0007]数字鉴相器，分别与所述有效性判断模块、滤波器、分频器和延时器相接，用于接收标准秒脉冲信号和由延时器传输的晶振秒脉冲信号，并对接收到的两个秒脉冲信号进行相位差比较以得到时钟差信号，之后将时钟差信号输出给滤波器，同时在时钟差信号稳定时控制分频器输出晶振秒脉冲信号；
[0008]滤波器，分别与所述数字鉴相器和老化补偿模块相接，用于滤除时钟差信号中的噪声，并将滤除噪声后的时钟差信号输出给老化补偿模块；
[0009]老化补偿模块，分别与所述有效性判断模块、所述滤波器和比例积分控制器相接，用于补偿压控振荡器的老化误差，并将老化补偿后的时钟差信号输出给比例积分控制器，并在接收到无效的标准秒脉冲信号时，提取守时信号输出给比例积分控制器；
[0010]比例积分控制器，分别与所述老化补偿模块和数模转换器相接，用于对滤除噪声和老化补偿后的时钟差信号进行平滑滤波，之后将时钟差信号转换成数字调节量输出给数模转换器；
[0011]数模转换器，分别与所述比例积分控制器和压控振荡器相接，用于对转换成数字调节量的时钟差数字信号进行数模转换后输出给压控振荡器；[0012]压控振荡器，分别与所述数模转换器、分频器和倍频器相接，用于在时钟差模拟信号的控制下向分频器和倍频器输出额定频率的脉冲信号；
[0013]分频器，分别与所述数字鉴相器、所述压控振荡器和延时器相接，用于将由压控振荡器输出的额定频率的脉冲信号分频为晶振秒脉冲信号，并在数字鉴相器的控制下向延时器输出晶振秒脉冲信号；
[0014]延时器，分别与所述分频器和所述数字鉴相器相接，用于对晶振秒脉冲信号进行延时处理后输出给数字鉴相器，并同时输出晶振秒脉冲信号在延时调整后的时钟信号；
[0015]倍频器，与所述压控振荡器相接，用于对压控振荡器输出的额定频率的脉冲信号进行增频，以供相应设备使用；以及
[0016]电源模块，与上述各部分相接，提供各部分所需的工作电压。
[0017]所述导航定位接收机为GPS接收机或北斗卫星接收机。
[0018]由压控振荡器输出的额定频率的脉冲信号为IOMHz的脉冲信号。
[0019]本实用新型使本地压控振荡器的频率与卫星系统上的星载铯或铷原子频率标准相一致，这样，通过卫星秒脉冲信号驯服压控振荡器得到的Ipps信号就兼具了卫星秒脉冲信号的准确度和本地压控振荡器的稳定度。同时通过老化补偿模块补偿因压控振荡器的老化而导致的误差，从而可解决因本地压控振荡器老化而导致的时钟准确度下降的问题，实现短期和长期都具有高稳定度、高精度的频率基准和时间同步标准源。本实用新型精度高(可达ns级)、成本低、稳定性好、寿命长，能更好地应用于生产生活。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本实用新型的电路结构框图。
【具体实施方式】
[0021]如图1所示，本实用新型包括导航定位接收机1、FPGA (现场可编程门阵列，Field — Programmable Gate Array)芯片电路2、压控振荡器3、数模转换器4和电源模块
5。FPGA芯片电路2又包括有效性判断模块21、数字鉴相器22、滤波器23、老化补偿模块24、比例积分控制器27、分频器26、倍频器28和延时器25。
[0022]导航定位接收机I为GPS接收机或北斗卫星接收机，两者可以互为冗余设备，即:二者均能工作时可以对信号进行比较判断后择优选择，其一不能工作时可自主切换到另一方。
[0023]导航定位接收机I采用有源天线模式，GPS接收机和北斗卫星接收机之间的替换只需对接好相应接口即可。GPS接收机和北斗卫星接收机的模块电路中都留有串口(UART)通信接口和Ipps信号接口，UART用于接收模块的导航数据信息，一方面可以测试模块的工作状态，另一方面可以在系统中集成导航定位的功能，方便系统扩展。
[0024]本实施例中的导航定位接收机I采用U-blox公司推出的LEA-5T型号GPS接收机。导航定位接收机I接收卫星系统的标准秒脉冲Ipps信号并将其传输给有效性判断模块21。
[0025]有效性判断模块21接收到标准秒脉冲Ipps信号后对其进行判断，若判断结果为有效的标准秒脉冲Ipps信号，则将标准秒脉冲Ipps信号传输给数字鉴相器22 ;若判断结果为无效的标准秒脉冲Ipps信号(包含未接收到标准秒脉冲Ipps信号)，则将无效信号发送给老化补偿模块24。
[0026]数字鉴相器22由符号判断电路、粗测计数器、差分延时线电路、细测计数器、相位差合成电路等构成，在FPGA芯片电路2内部实现时间间隔测量的测量精度为426ns，测量范围取决于计数器的位数和时钟频率，本实施例采用的是26位计数器和IOOMHz时钟频率，测量范围约为0.67s。数字鉴相器22具有较高的相位分辨能力，以保证系统后续处理的精度。
[0027]数字鉴相器22接收标准秒脉冲Ipps信号，同时接收由延时器25传输的晶振秒脉冲Ipps信号(本地产生的Ipps信号)，并对接收到的两个秒脉冲信号进行相位差比较以得到时钟差信号，在时钟差信号可控时将时钟差信号输出给滤波器23 ;同时在时钟差信号稳定时控制分频器26输出晶振秒脉冲Ipps信号。
[0028]滤波器23为Kalman (卡尔曼)滤波器。滤波器23在接收到时钟差信号后滤去其中的噪声信号，之后传输给老化补偿模块24。
[0029]老化补偿模块24对接收到的时钟差信号进行老化误差补偿，以消除因压控振荡器3本身固有的老化缺陷带来的误差，并将补偿后的时钟差信号传输给比例积分(PI)控制器27。老化补偿模块24还用于在接收到无效的标准秒脉冲Ipps信号时，提取守时信号(存储于老化补偿模块24内部)输出给比例积分控制器27。
[0030]比例积分控制器27对滤除噪声信号和老化补偿后的时钟差信号进行平滑滤波，之后将时钟差信号转换成数字调节量输出给数模转换器4。
[0031]数模转换器4选用TI公司的18位转换芯片DAC9881，采用标准的SPI串行接口方式，可达50MHz数据输入时钟频率。数模转换器4对转换成数字调节量的时钟差数字信号进行数模转换后输出给压控振荡器3。
[0032]本实施例中压控振荡器3选用晶禾科技公司的恒温压控晶体振荡器(VC0CX0)，其短期频率稳定度< 5X 10_12/s，老化率为±0.03ppm/年。压控振荡器3在时钟差模拟信号的控制下向分频器26和倍频器28输出IOMHz的额定频率的脉冲信号。
[0033]倍频器28接收来自压控振荡器3的IOMHz的额定频率的脉冲信号后进行增频，以供FPGA芯片电路2中的相应设备使用。
[0034]分频器26接收来自压控振荡器3的IOMHz的额定频率的脉冲信号后进行分频，以得到IHz的晶振秒脉冲Ipps信号，并在数字鉴相器22的控制下向延时器25输出晶振秒脉冲Ipps信号。
[0035]延时器25将晶振秒脉冲Ipps信号进行延时处理后输出给数字鉴相器22 ;同时输出晶振秒脉冲Ipps信号在延时调整后的时钟信号，包括以B秒(即采用IRIG-B编码的时钟信号)和授时秒(或守时秒)两种格式形式输出。
[0036]电源模块5采用美国凌特公司的LT1936电源芯片，为设备提供可靠的
1.2V/2.5V/3.3V/4.5V/5V/12V等电压。其中1.2V给FPGA芯片电路2内核供电;2.5V为FPGA芯片电路2中倍频器28 (PLL)的模拟电源供电；3.3V为FPGA芯片电路2的通用I/O接口和其他3.3V数字逻辑供电；4.5V为数模转换器4的参考电压值；5V给数模转换器4的模拟部分和其他5V电路供电；12V电压为压控振荡器3的工作电压。
[0037]FPGA芯片采用美国ALTERA公司CycloneIII系列的EP3C120484型号，可以嵌入NiosII软核处理器。FPGA配置电路时，QuartusII软件将配置文件通过JTAG 口下载到FPGA中，AS模式首先通过QuartusII将配置文件通过AS 口下载到EPCS中，然后FPGA每次上电时会从EPCS器件中读取配置文件来重新配置FPGA。本设备采用通用电路，SDRAM存储器使用两片 MT48LC4M16A2。
[0038]本实施例中滤波器23、分频器26、倍频器28、延时器25、PI控制器27、NiosII均在SOPC硬件平台上搭建。其中在PI环节之前先对时钟差信号进行Kalman滤波，估计出时钟差的真实值，接着再利用PI控制器27实现系统的跟踪锁定，结果表明，滤波效果比较好。整个SOPC系统搭建完成以后，就可以利用NiosII IDE开发工具开发基于NiosII处理器的应用程序。
[0039]本实用新型采用FPGA芯片电路2、数模控制器4和压控振荡器3构建了一个闭合负反馈锁相环路，实现了驯服调节本地晶振频率的目的。
【权利要求】
1.一种基于卫星授时的晶振驯服设备，其特征是，包括: 导航定位接收机，与有效性判断模块相接，用于接收卫星系统的标准秒脉冲信号并将其传输给有效性判断模块； 有效性判断模块，分别与所述导航定位接收机、数字鉴相器和老化补偿模块相接，用于判断导航定位接收机所传输的标准秒脉冲信号是否有效，有效的标准秒脉冲信号传输给数字鉴相器，无效的标准秒脉冲信号发送给老化补偿模块； 数字鉴相器，分别与所述有效性判断模块、滤波器、分频器和延时器相接，用于接收标准秒脉冲信号和由延时器传输的晶振秒脉冲信号，并对接收到的两个秒脉冲信号进行相位差比较以得到时钟差信号，之后将时钟差信号输出给滤波器，同时在时钟差信号稳定时控制分频器输出晶振秒脉冲信号； 滤波器，分别与所述数字鉴相器和老化补偿模块相接，用于滤除时钟差信号中的噪声，并将滤除噪声后的时钟差信号输出给老化补偿模块； 老化补偿模块，分别与所述有效性判断模块、所述滤波器和比例积分控制器相接，用于补偿压控振荡器的老化误差，并将老化补偿后的时钟差信号输出给比例积分控制器，并在接收到无效的标准秒脉冲信号时，提取守时信号输出给比例积分控制器； 比例积分控制器，分别与所述老化补偿模块和数模转换器相接，用于对滤除噪声和老化补偿后的时钟差信号进行平滑滤波，之后将时钟差信号转换成数字调节量输出给数模转换器； 数模转换器，分别与所述比例积分控制器和压控振荡器相接，用于对转换成数字调节量的时钟差数字信号进行数模转换后输出给压控振荡器； 压控振荡器，分别与所述数模转换器、分频器和倍频器相接，用于在时钟差模拟信号的控制下向分频器和倍频器输出额定频率的脉冲信号； 分频器，分别与所述数字鉴相器、所述压控振荡器和延时器相接，用于将由压控振荡器输出的额定频率的脉冲信号分频为晶振秒脉冲信号，并在数字鉴相器的控制下向延时器输出晶振秒脉冲信号； 延时器，分别与所述分频器和所述数字鉴相器相接，用于对晶振秒脉冲信号进行延时处理后输出给数字鉴相器，并同时输出晶振秒脉冲信号在延时调整后的时钟信号； 倍频器，与所述压控振荡器相接，用于对压控振荡器输出的额定频率的脉冲信号进行增频，以供相应设备使用；以及 电源模块，与上述各部分相接，提供各部分所需的工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于卫星授时的晶振驯服设备，其特征是，所述导航定位接收机为GPS接收机或北斗卫星接收机。
3.根据权利要求1或2所述的基于卫星授时的晶振驯服设备，其特征是，由压控振荡器输出的额定频率的脉冲信号为IOMHz的脉冲信号。
【文档编号】H03B5/04GK203377841SQ201320406853
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年7月9日 优先权日:2013年7月9日
【发明者】王晓君, 安国臣, 张秀清, 邱峻, 赵甘露, 张旭, 尚燕, 陈玉周, 于国庆, 王震洲, 穆敬彬 申请人:石家庄市经纬度科技有限公司