專利名稱：一種通過gps時間信號實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種通過GPS時間信號實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)，屬于GPS 鎖定時鐘領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在授時領(lǐng)域，傳統(tǒng)方法一般采用原子時鐘源進行授時。原子時鐘源是利用 圍繞原子運行的電子軌道躍遷所經(jīng)歷時間恒定的原理實現(xiàn)。原子時鐘源具有準(zhǔn) 確度高，長期穩(wěn)定性好的優(yōu)點。但原子時鐘有功耗高、受外界環(huán)境影響大、短 期穩(wěn)定性差、老化后準(zhǔn)確度下降的缺點。且原子時鐘源價格昂貴，限制了其在 某些領(lǐng)域的應(yīng)用。常用的原子時鐘源包括銣鐘、銫鐘和氫鐘。
數(shù)字鎖相環(huán)即所謂的DDS技術(shù)，是指一種利用數(shù)字晶振壓控技術(shù)實現(xiàn)傳 統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)晶振壓控技術(shù)，具有精度高、穩(wěn)定度高的優(yōu)點。數(shù)字鎖相環(huán)技 術(shù)在授時領(lǐng)域已漸漸取代傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)技術(shù)?，F(xiàn)有的GPS鎖定晶振技術(shù) 中，通過讀取GPS星歷數(shù)據(jù)來判斷GPS授時秒脈沖信號的有效性。若GPS失鎖， 此種方法不能及時判斷GPS授時秒脈沖信號有效性，具有一定延時(幾秒到幾 十秒)，會引起數(shù)字鎖相環(huán)抖動甚至失鎖。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服了現(xiàn)有的原子鐘授時源的上述缺陷，提供了一 種通過GPS時間信號實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)，具有精 度高、穩(wěn)定度高的優(yōu)點。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。其包括GPS模塊、 相位比較模塊、同步計數(shù)模塊、數(shù)字壓控模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。其中GPS模 塊與相位比較模塊相連，GPS模塊將授時秒脈沖信號發(fā)送給相位比較模塊。相 位比較模塊分別與同步計數(shù)模塊相連和數(shù)字壓控模塊相連，相位比較模塊對從 GPS模塊接收到的授時秒脈沖信號進行整形處理后，與標(biāo)準(zhǔn)時鐘的分頻信號進
3行比較，將比較后獲得的相位時延差信號發(fā)送給同步計數(shù)模塊。同步計數(shù)模塊、 數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)字壓控模塊依次相連，同步計數(shù)模塊將相位時延差信號作為 計數(shù)基準(zhǔn)實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號的計數(shù)功能。同步計數(shù)模塊將計數(shù)結(jié)果發(fā)送給數(shù) 據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊對計數(shù)結(jié)果進行統(tǒng)計分析，求出計數(shù)均值和方差后 按高斯噪聲模型建立壓控晶振模型，并將控制信號發(fā)送給數(shù)字壓控模塊。數(shù)字 壓控模塊將從數(shù)據(jù)處理模塊接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為壓控信號實現(xiàn)對壓控晶
振的頻率控制，實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)DDS技術(shù)。
本實用新型相位比較模塊采用14分頻技術(shù)可在不監(jiān)控GPS串口輸出星歷 數(shù)據(jù)的情況下實現(xiàn)對授時秒脈沖信號1PPS的有效性作出判斷。原因在于當(dāng) GPS開機未捕獲兩顆以上有效衛(wèi)星導(dǎo)致時鐘失鎖的情況下，授時秒脈沖信號 1PPS的抖動誤差在100us的量級；當(dāng)GPS捕捉到足夠的衛(wèi)星后，GPS時鐘鎖定， 授時秒脈沖信號1PPS的抖動誤差在30ns的量級。通過觀測計數(shù)器輸出結(jié)果的 數(shù)據(jù)抖動位數(shù)，可實現(xiàn)對GPS時鐘鎖定情況的判斷，簡化電路設(shè)計和信號處理 模塊算法工作量。且此判斷標(biāo)準(zhǔn)為硬件判斷標(biāo)準(zhǔn)，相對于GPS自身的軟件判別 簡單可靠、無時間上的滯后性，減小了數(shù)字鎖相環(huán)的抖動、提高了數(shù)字鎖相環(huán) 的鎖相精度。
通過GPS時間信號實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)獲得精確授時時間源，可用于時頻標(biāo) 準(zhǔn)、通信基站、電網(wǎng)、時頻計量的精確授時。相對于傳統(tǒng)原子鐘的授時方法， 此方法具有絕對時間無漂移，不存在由于原子時鐘老化造成的頻率漂移、絕對 頻率精度下降的缺點。此外，此方法中GPS時間源提供的1PPS授時秒脈沖可 由北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)替代，具有重要軍用價值。

圖1一種通過GPS時間信號實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖
圖2 GPS模塊的電路原理圖
圖3 相位比較模塊的電路原理圖
圖4 同步計數(shù)模塊的電路原理圖圖5 數(shù)字壓控模塊的電路原理圖 圖6 數(shù)據(jù)處理模塊的電路原理圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體的實施方式對本實用新型作進一步詳述。
如圖l所示，本實用新型包括相位比較模塊、同步計數(shù)模塊、數(shù)字壓控模
塊、數(shù)據(jù)處理模塊和GPS模塊。GPS模塊將授時秒脈沖信號發(fā)送給相位比較模 ±央。相位比較模塊對從GPS模塊接收到的授時秒脈沖信號進行整形處理后，與 標(biāo)準(zhǔn)時鐘的分頻信號進行比較，將比較后獲得的相位時延差信號發(fā)送給同步計 數(shù)模塊。同步計數(shù)模塊將相位時延差信號作為計數(shù)基準(zhǔn)實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號的 計數(shù)功能。同步計數(shù)模塊將計數(shù)結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊對計 數(shù)結(jié)果進行高斯統(tǒng)計分析后建立晶振壓控模型，并將控制信號發(fā)送給數(shù)字壓控 模塊。數(shù)字壓控模塊將從數(shù)據(jù)處理模塊接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為壓控信號實現(xiàn) 對壓控晶振的頻率控制，實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)DDS技術(shù)。
如圖2所示，GPS模塊采用M0T0R0LA公司的授時型GPS模塊M12T作為授時時 間源。M12T與外部采用RS232串口進行通信。RS232串口電壓轉(zhuǎn)換芯片采用MAXIM 公司的串口電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX3232實現(xiàn)。M12T將授時秒脈沖信號1PPS發(fā)送給相 位比較模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，提供時間基準(zhǔn)。
如圖3所示，相位比較模塊將數(shù)字壓控模塊提供的10MHz時鐘信號經(jīng)過整 形電路整形，將10MHz正弦波信號轉(zhuǎn)變?yōu)?0腿z占空比為50%的方波信號。整 形電路采用74HC4046和外部阻容實現(xiàn)。經(jīng)過整形的10腿z占空比為50%的方 波信號通過四級計數(shù)器74HC4520實現(xiàn)14分頻，分頻后的信號C0MPIN頻率為 6KHz。分頻后的6KHz信號和授時秒脈沖信號1PPS通過相位比較器74HC4046 進行相位比較。相位比較結(jié)果以方波信號PC30UT形式輸出。方波信號PC30UT 作為計數(shù)器74HC4520的計數(shù)控制信號，計數(shù)器計數(shù)采用10MHz正弦波信號。 同時方波信號PC30UT發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊的BF531芯片的一路外部中斷。計 數(shù)器器技術(shù)結(jié)果QO、 Ql、 Q2、 Q3發(fā)送給同步計數(shù)模塊用于同步計數(shù)。計數(shù)器計數(shù)清零信號MR由數(shù)據(jù)處理模塊BF531的一路外部10控制信號控制。相位比 較模塊采用14分頻技術(shù)可在不監(jiān)控GPS串口輸出星歷數(shù)據(jù)的情況下實現(xiàn)對授 時秒脈沖信號1PPS的有效性作出判斷。原因在于，當(dāng)GPS開機未捕獲兩顆以 上有效衛(wèi)星導(dǎo)致時鐘失鎖的情況下，授時秒脈沖信號1PPS的抖動誤差在100us 的量級；當(dāng)GPS捕捉到足夠的衛(wèi)星后，GPS時鐘鎖定，授時秒脈沖信號1PPS 的抖動誤差在30ns的量級。通過觀測計數(shù)器輸出結(jié)果的數(shù)據(jù)抖動位數(shù)，可實 現(xiàn)對GPS時鐘鎖定情況的判斷，簡化電路設(shè)計和信號處理模塊算法工作量。且 此判斷標(biāo)準(zhǔn)為硬件判斷標(biāo)準(zhǔn)，相對于GPS自身的軟件判別簡單可靠、無時間上 的滯后性，減小了數(shù)字鎖相環(huán)的抖動、提高了數(shù)字鎖相環(huán)的鎖相精度。
如圖4所示，同步計數(shù)模塊接收相位比較模塊輸出的計數(shù)信號Q3，將Q3信 號通過分頻器74HC4040實現(xiàn)12分頻。分頻器74HC4040的分頻清零信號MR由數(shù)據(jù) 處理模塊BF531的一路外部I0控制信號控制。分頻后的十二路并行計數(shù)信號和 由相位比較模塊獲得的四路計數(shù)信號Q1、 Q2、 Q3、 Q4發(fā)送給兩片數(shù)據(jù)鎖存器 74HC573實現(xiàn)技術(shù)數(shù)據(jù)鎖存。鎖存捕捉控制信號LE由數(shù)據(jù)處理模塊BF531的一路 外部IO控制信號控制。兩片數(shù)據(jù)鎖存器74HC573的16路輸出并行計數(shù)數(shù)據(jù)DO到 D15發(fā)送給BF531外部存儲器總線實現(xiàn)計數(shù)數(shù)據(jù)傳送。
如圖5所示，數(shù)字壓控模塊采用16位DA芯片LTC1655實現(xiàn)電壓控制輸出，電 壓控制的有效位數(shù)為14位。16位DA芯片LTC1655的參考電壓輸入采用精確參考 電壓芯片MAX6173實現(xiàn)。16位DA芯片LTC1655的輸出的電壓控制信號由0PA227 穩(wěn)壓后，通過偏置調(diào)整發(fā)送給壓控晶振VC040X40，實現(xiàn)對壓控晶振的鎖相控制。 16位DA芯片通過通用SPI接口與數(shù)據(jù)處理模塊通信，SPI接口包括時鐘信號SCK、 MOSI信號、MISO信號和片選信號AD—CS。
如圖6所示，數(shù)據(jù)處理模塊采用ADI公司的BF531作為核心處理器。BF531 與數(shù)字壓控模塊通過通用SPI接口與數(shù)字壓控模塊通信，SPI接口包括時鐘信號 SCK、 MOSI信號、MISO信號和片選信號ADj:S。 BF531與相位比較模塊通過通用 外部IO端口通信，通信信號包括MR信號和PC30UT信號。MR信號控制計數(shù)器計數(shù)清零。PC30UT信號作為外部中斷信號接收計數(shù)器計數(shù)時間結(jié)束標(biāo)志信號。BF531 與同步計數(shù)模塊通過通用外部IO端口通信，通信信號包括服信號和LE信號。MR 信號控制計數(shù)器計數(shù)清零。LE信號控制鎖存器鎖存。BF531的外部程序存儲器 采用AT45DB321芯片。BF531與外部程序存儲器通信采用通用SPI接口通信，SPI 接口包括時鐘信號SCK、 MOSI信號、MIS0信號和片選信號PF2。數(shù)據(jù)處理模塊對 同步計數(shù)模塊計數(shù)結(jié)果進行統(tǒng)計分析，求出計數(shù)均值和方差后按高斯噪聲模型 建立壓控晶振模型，并將控制信號發(fā)送給數(shù)字壓控模塊。數(shù)字壓控模塊將從數(shù) 據(jù)處理模塊接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為壓控信號實現(xiàn)對壓控晶振的頻率控制，實 現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)DDS技術(shù)。
權(quán)利要求1、一種通過GPS時間信號實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)，其特征在于包括有GPS模塊、相位比較模塊、同步計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)字壓控模塊；其中GPS模塊與相位比較模塊相連，GPS模塊將授時秒脈沖信號發(fā)送給相位比較模塊；相位比較模塊分別與同步計數(shù)模塊相連和數(shù)字壓控模塊相連，相位比較模塊對從GPS模塊接收到的授時秒脈沖信號進行整形處理后，與來自數(shù)字壓控模塊的標(biāo)準(zhǔn)時鐘的分頻信號進行比較，將比較后獲得的相位時延差信號發(fā)送給同步計數(shù)模塊；同步計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)字壓控模塊依次相連，同步計數(shù)模塊將相位時延差信號作為計數(shù)基準(zhǔn)實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號的計數(shù)，同步計數(shù)模塊將計數(shù)結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊對計數(shù)結(jié)果進行統(tǒng)計分析建立壓控晶振模型，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘柊l(fā)送給數(shù)字壓控模塊。
專利摘要本實用新型涉及一種通過GPS時間信號實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)，屬于GPS鎖定時鐘領(lǐng)域。本系統(tǒng)包括有GPS模塊、相位比較模塊、同步計數(shù)模塊、數(shù)字壓控模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。GPS模塊將授時秒脈沖信號發(fā)送給相位比較模塊，相位比較模塊對接收到的授時秒脈沖信號進行整形處理后，與標(biāo)準(zhǔn)時鐘的分頻信號進行比較，將比較后獲得的相位時延差信號發(fā)送給同步計數(shù)模塊。同步計數(shù)模塊將相位時延差信號作為計數(shù)基準(zhǔn)實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號的計數(shù)功能。同步計數(shù)模塊將計數(shù)結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊對計數(shù)結(jié)果進行高斯統(tǒng)計分析后建立晶振壓控模型，并將控制信號發(fā)送給數(shù)字壓控模塊。相對于傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)，具有精度高、穩(wěn)定度高的優(yōu)點。
文檔編號H03L7/06GK201252534SQ20082013652
公開日2009年6月3日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者代嘯寧, 孫巖松, 王鐵流 申請人:北京工業(yè)大學(xué)