基于授时GPS的高精度频率源设计与实现

摘 要 高稳定度星载原子钟有精准的授时功能，已在全球范围内有了大范围的应用。当下世界各国产生高精度时钟的主要方法之一，就是利用GPS卫星时钟源同步本地时钟。本文进行了基于授时GPS的高精度频率源的实验设计，并对结果进行了分析。

关键词 授时；GPS；高精度；频率源

前言

GPS（全球定位导航系统）作为当前世界上使用范围极其广泛的系统，覆盖范围最广，精度最高，能对全球进行全天候精准的授时服务。GPS卫星授时功能自身使用便捷，不受地理形态与气候等要素的影响，是现下世界各国产生高精度与高稳定时钟的主要方式。因现代科学中对时钟技术的需求，及数字广播、数字同步网络等领域对时钟技术的应用，国内对GPS也进行着持续研究，关注并深入探索GPS卫星授时功能的发展。

1 基于授时GPS的高精度频率源的设计

现代科学技术中时钟技术占据着重要的位置。现代军事、通讯、电力等领域，对时间精度有相当高的要求，需同步时钟的高精度作为系统正常运行的重要参考。GPS技术在精度与实用性方面占据各项技术的前列。本文的设计方案以授时GPS作为参考，利用直接数字频率合成技术和数字锁相环来获取高精度频率源。该方案相较使用铷钟、铯钟，成本低廉，方便携带，频率精度高，能够在有高精度要求的测量系统、无线通信等领域加以使用。

1.1 系统电路设计

时钟源需要基准频率，基于基准参考频率，并结合现有的各类合成技术，就能进行任意频率的输出。合成出的频率，在准确度与稳定度方面几可媲美基准参考频率。本实验中频率源采用DPLL（数字锁相环）与DDS（直接数字频率合成技术），利用GPS接收机，接收GPS卫星中稳定性高的1PPS 信号作为基准参考频率，利用本地时钟OCXO分频产生的1PPS 与基准参考进行数字鉴相，之后通过MCU读取数字鉴相的值并进行一定的算法处理，再将其转化为相应的电压控制字，从而使得OCXO 输出时钟频率与GPS原子时钟完全同步。DDS技术频率分辨率较高，频率转换速度较快，结合可编程资源，对DDS是相位累加器控制字加以改变，就能满足不同应用需求，获取高精度基准频率。

GPS接收机与DPLL（数字锁相环）和DDS（直接频率合成器）组成了频率源。GPS接收机能接受全球的GPS卫星信号，并将稳定度好的1PPS信号进行提取。GPS接收机输出的1PPS信号具有几十至几百ns的抖动，不利于驯服OCXO。需要对用时间间隔测量技术得到晶振分频产生的1PPS与GPS接收机输出1PPS之间的相位差数据中的误差进行滤除。本设计中采用卡尔曼滤波算法与PID控制器相结合的方法对其进行数字滤波和跟踪控制，最终使得输入与输出信号的稳态误差趋于零。

DPLL是PD（数字锁相环由鉴相器）、LPF（环路滤波器）和OCXO（恒温压控振荡器）组成的。DPLL与模拟锁相环的区别，在于数字锁相环由FPGA与微处理器来实现。在FPGA内，PD（鉴相器）将GPS输入参考时钟与OCXO反馈，并对其进行分频后时钟信号鉴相，产生脉宽电压，OCXO对相位误差进行量化，并将量化后的相差传至MCU，经过LPF并进行DA转换，使OCXO 的输出频率与参考完全同相。

DDS要先采样波形，并对波形采样进行数值化，之后将数字存入ROM 查找表，查找表将读出的数据传至高速DA转换器，再输出需要的頻率。DDS有PA（相位累加器）、相符转换器（波形查找表）、LPF（低通滤波器）与DAC（数模转换器）组成，其中相位累加器和相符转化器是DDS的核心部分。

1.2 频率基准实现

DPLL（数字锁相环）是系统中的频率基准的重要完成环节。GPS输出1PPS基准信号，并与OCXO输出的时钟，经由可编程分频器产生的1PPS信号到PD（鉴相器）来进行数字鉴相。PD是一个RS触发器，对输入信号的边沿响应，采样RS触发器输出的脉冲宽度，以此来得到量化后的相位误差。采用增量式PID控制算法来对每次的压控电压变化进行计算，算法可以如下公式进行表达：

△u （ k ） ={e（k）-e（k-1） +e （ k ） +[e （ k ） - 2e （ k- 1 ） +e （ k- 2）]}

上述公式中的e（k）、e （k-1）、e（k-2）是最近的相位误差值，是比例放大系数，是采样周期。将上述算法公式写入微处理器中，根据相位误差的变化会得到不同控制电压值。

1.3 任意频率发生器

任意频率发生器通过DDS（直接数字频率合成器）进行完成实现的，于FPGA内部实现PA与波形查找表。加法器与寄存器组成PA（相位累加器），在80M系统时钟的上升沿，对输入的频率控制字与寄存器反馈的数据进行计算，并将计算后的结果传至相位寄存器。若相位寄存器加满，则会产生溢出，完成一个周期性动作。本次设计中需将DAC输出的谐波分量进行过滤，保障输出纯净的频谱。频率同步加载寄存器控制字的变化，就能在带宽范围内进行任意频率的获取工作[1]。

2 测试结果

本次设计恒温压控振荡器OCXO标称频率为10M，采取自动测试软件记录OCXO于中心电压下自由振荡输出频率与经过DPL的输出频率曲数据，采样时间间隔为四小时，记录平均频率。设计实验结果表明，OCXO通过数字锁相环，能跟踪GPS频率参考，补偿自身的老化。OCXO在自由振荡时，输出频率按时间的增加而慢慢老化，但经DPLL锁定后，有很高的频率稳定性。测试并记录多个频点的相噪、杂散，并计算24小时内的频率准确度。

从实验数据可发现，10M恒温晶体振荡器 OCXO在数字锁相环锁定后，能完全跟踪GPS频标，并能补偿OCXO 的老化，极大地提高了频率稳定度。

3 结束语

现代的民用通信系统、电力系统与军事等领域，在很大程度上需要授时技术的应用，对频率的精准度与稳定性也有着很高的要求。频率源作为测控系统、通信等工程的核心，其性能对相应电子系统的性能指标有着直接的影响。

参考文献

[1] 王冬，汪贵华，郭庆贺.基于GPS秒脉冲的频率源设计与实现[J].电子设计工程，2017，25（23）：117-120.

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