基于TDC 芯片的GPS 馴服晶振的設(shè)計

崔保健，才瀅，周德海，趙海鷹

(中國人民解放軍92493 部隊89 分隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

近年來，隨著GPS 的普及，利用GPS 接收機研制的頻率標準源方興未艾，使GPS 馴服VCO (Voltage Controlled Oscillator)技術(shù)得到了快速發(fā)展［1］。我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展速度異軍突起，取得了迅猛進展，其接收機日益普及，成本逐步降低，為自主知識產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用推廣創(chuàng)造了條件。通常，GPS 馴服晶振是利用計數(shù)器測量GPS 接收機秒信號脈沖與晶振分頻后秒信號脈沖的時間間隔［2－3］，換算成壓控晶振和GPS 標準頻率的偏差［4］，這種方法對計數(shù)器的分辨率要求較高，且采用專業(yè)計數(shù)器完成，體積大、成本高。也有采用模擬鑒相器和濾波電路的設(shè)計方案，但電路設(shè)計復(fù)雜，馴服準確度不高，對晶振的短穩(wěn)特性影響較大。集成電子技術(shù)的發(fā)展為高精度時間間隔測量提供了新的手段，本文基于TDC (Time to Digital Converter)轉(zhuǎn)換技術(shù)［5］，研究設(shè)計了GPS 馴服晶振頻率標準，具有簡單方便、易于小型化、適用于嵌入式應(yīng)用的特點。

1 GPS 頻率標準總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

GPS 馴服VCO 頻率標準主要由微處理器單元C8051F120、高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、摩托羅拉M12T授時型多通道GPS 接收機、時間間隔測量單元、分頻單元和信號放大隔離濾波處理單元等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

系統(tǒng)工作原理:微處理器設(shè)定GPS 接收機的時標脈沖輸出方式為100PPS，即每秒輸出100 個脈沖，脈沖周期10ms;由TDC 測量GPS 接收機輸出信號(100PPS)與壓控恒溫晶振分頻信號(100PPS)的脈沖時間間隔，該時間間隔對時間導(dǎo)數(shù)即為兩個信號的頻率差。如果在同樣觀測時間內(nèi)，TDC 測得的時間間隔是穩(wěn)定的，則兩個信號的相位差是穩(wěn)定的，即VCO 同步于GPS 原子鐘;如果相位差不恒定，根據(jù)TDC 測得的時間間隔變化，計算兩信號時間間隔的導(dǎo)數(shù)即為兩個信號的頻率差，得到晶振修正量;由計算機控制D/A 轉(zhuǎn)換器輸出，改變壓控晶振的振蕩頻率，構(gòu)成了基于TDC 的數(shù)字鎖相環(huán)［6］，最終將晶振的輸出鎖定到GPS 衛(wèi)星銫原子頻率標準上。

圖1 GPS 馴服晶振結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)單元設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)采用授時型接收機M12T，M12T 具有顯著優(yōu)點，標脈沖輸出可配置為1PPS 或100PPS 兩種模式，并且，100 PPS 信號的每個脈沖都具有和1 PPS 信號同樣的特性，其差別僅在于對于100 PPS 而言，秒時刻信號與其它99 個脈沖的寬度不同，100PPS 直接用于晶振馴服，秒時刻脈沖的恢復(fù)通過CPLD 電路實現(xiàn)。

本地壓控晶振輸出頻率為10 MHz 的正弦信號，輸出幅度5 伏VPP，通過整形電路，將正弦信號變換為方波信號，如果采用10 MHz 和GPS 秒脈沖直接進行時間間隔的測量，由于晶振初始頻率準確度不高，將直接導(dǎo)致TDC 測量結(jié)果頻繁跳相，使得數(shù)據(jù)處理變得相當繁瑣。因此，設(shè)計中將晶振輸出的10MHz 信號送入ALTERA 公司的EPM570 CPLD 電路，通過VHDL 語言編程實現(xiàn)分頻功能，進行10 000 000 或100 000 次分頻，使之變換成100 Hz 或者1 Hz 的信號，再送入到系統(tǒng)設(shè)計采用TDC-GP1 的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，以GPS 信號為START 脈沖信號，以晶振分頻信號為STOP脈沖信號。TDC-GP1 由微處理器設(shè)定為量程范圍內(nèi)連續(xù)測量模式，可測量范圍200 ms，授時信號100 PPS 和晶振分頻輸出100 PPS 信號，其周期為10 ms，兩信號脈沖的最大時間間隔為10 ms 時跳相，測量范圍不會超過TDC 測量范圍，TDC 每次測量完成后向微處理器申請中斷，由微處理器讀取測量結(jié)果，并開始下一次測量。

在該設(shè)計方案中，為了實現(xiàn)對GPS 信號抖動進行濾波處理和數(shù)據(jù)傳輸與控制，要求微處理器有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存貯空間，有兩個通用串行接口，不過對處理速度要求并不太高。微處理器采用ST 公司的ARM架構(gòu)的微處理器STM32F103VET6，該微處理器內(nèi)部具有512kBytes 的數(shù)據(jù)存貯器，非常適合該設(shè)計應(yīng)用，通用串行接口1 通過電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)和計算機通訊，將系統(tǒng)控制信息和馴服的過程信息和測量結(jié)果傳送給上位計算機分析、顯示。通用串行接口2 與GPS 接收機的串口信息直接相連，對GPS 接收機的狀態(tài)進行設(shè)置，同時對GPS 接收機的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。該設(shè)計中，為提高GPS 授時信號的穩(wěn)定性，將GPS 接收機設(shè)置為位置保持模式，微處理器要實時讀取GPS 接收機接受衛(wèi)星的狀態(tài)，確保GPS 至少穩(wěn)定跟蹤一顆衛(wèi)星，如果出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖，一顆衛(wèi)星也接收不到的情況，系統(tǒng)將停止馴服控制輸出，使晶振工作在自保持狀態(tài)，防止GPS 接收機輸出的干擾影響晶振性能。

為了實現(xiàn)壓控晶振的精細調(diào)整與控制，需要精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性和分辨率提出了較高要求。采用 BB 公司20 位 D/A 轉(zhuǎn)換器DAC1220E 作為壓控晶振的控制電壓轉(zhuǎn)換器件，頻率控制分辨力達5 ×10－6Hz。

GPS 馴服晶振各單元與微處理器接口電路如圖2所示。

圖2 GPS 馴服晶振電路原理圖

3 壓控晶振的控制算法設(shè)計

3.1 GPS 信號特點分析

無論北斗接收機還是GPS 接收機，都具有高精度的授時輸出信號，即1PPS，它是由衛(wèi)星導(dǎo)航電文和衛(wèi)星接收信號解算，通過本地振蕩器分頻、同步后輸出，該信號對應(yīng)GPS 時間或UTC 時間，每秒輸出一個脈沖，脈沖上升沿代表了秒信號的時刻。由于受信號傳輸、電離層延遲、多路徑效應(yīng)等因素影響，該脈沖信號與穩(wěn)定的銫氣中輸出的秒信號相比，GPS 接收機實際輸出的1PPS 信號是一個波動信號，波動量為1σ30 ～50 ns。

如果將銫鐘的秒信號和GPS 接收機輸出的授時秒信號進行比相測量，測量結(jié)果可以表示為

式中:T 為兩信號脈沖相位時間間隔;T0為GPS 秒和本地銫鐘秒信號的固定時差;Td為GPS 星載鐘秒信號到接收機的延遲;Tn為GPS 授時信號受傳輸通路影響、GPS 接收機解調(diào)電路影響等引起的抖動量。

實驗表明:T0和Td基本可以認為是一個常量，而Tn是一個隨機量，該值的大小反映了接收機的授時性能，進行長時間多次平均處理后，Tn大致成正態(tài)分布，其平均值接近于0，表現(xiàn)出無偏特性。GPS 馴服晶振時利用兩次測量結(jié)果時間差增量來計算相對頻率偏差，即:

式中:ΔT 為兩次測量結(jié)果的差值;Δf 為兩信號相對頻率偏差;t 為兩次測量的間隔時間;T2n，T1n為兩次測量結(jié)果所包含的隨機量。

式中隨機量大小在100 ns 范圍內(nèi)，若采樣周期為10 ms，直接采用兩次測量結(jié)果計算頻率偏差，隨機噪聲引起的計算誤差達100ns/0.01s =10－5，由噪聲引起的計算誤差遠遠大于實際頻率偏差，如果直接用兩次測量結(jié)果計算出的頻率偏差來調(diào)整控制壓控晶振，將使晶振的短穩(wěn)特性變得很差。為克服噪聲影響，如果將采樣周期加長，在一定程度上可以抑制噪聲的影響，但是，壓控晶振本身的頻率漂移、環(huán)境溫度等影響較大，較長的調(diào)整控制周期也將導(dǎo)致晶振的頻率準確度降低。因此，必須進行濾波處理，降低噪聲影響，縮短采樣控制周期，同時設(shè)計有效的晶振控制方案，兼顧采樣周期和系統(tǒng)控制速率。

3.2 濾波處理方法與控制算法模型

對方波信號，通用鎖相環(huán)鑒相器的輸出，通常是與相位差對應(yīng)的輸出脈沖占空比，經(jīng)過有源或無源濾波電路轉(zhuǎn)換成壓控晶振的直流控制電壓，這種鎖相環(huán)通常工作于幾十kHz 頻率以上，在這一頻段，濾波效果較好，在低頻應(yīng)用中，通常是在高頻段實現(xiàn)鎖相，然后再分頻輸出。在GPS 馴服晶振的設(shè)計中，鎖相信號的頻率為100Hz 或1Hz 低頻段，鑒相器和濾波器設(shè)計難度增大，特別是低頻濾波其的設(shè)計，直接影響晶振馴服輸出的輸出噪聲和鎖定速率。

本設(shè)計方案是采用精密時間間隔數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合軟件實現(xiàn)鑒相器的功能，濾波器的設(shè)計采用軟件濾波的方法，其濾波方法、濾波算法均可以方便實現(xiàn)，針對GPS 馴服晶振的率波方法有多種，文獻中有采用Vondark 和Kalman 濾波方法等［7］，但數(shù)據(jù)量大，處理繁瑣。因此，設(shè)計了基于滑動平均濾波和最小二乘法線性擬合的頻差計算方法。

因為M12T 接收機輸出的100 PPS 信號和1PPS 信號具有相同的準確度，將M12T 設(shè)定為100 PPS 狀態(tài)，正是為了在有限的測量時間內(nèi)，獲得足夠多的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的平均濾波，降低和消除測量結(jié)果中隨機噪聲的影響。首先對采樣結(jié)果進行100 次平均，隨機噪聲的影響能夠降低到10 ns 以下，這樣每秒輸出一次測量數(shù)據(jù)。

微處理器將平均濾波輸出的數(shù)據(jù)a(i)，經(jīng)過滑動平均濾波，存入到滑動平均序列A(i)，實現(xiàn)滑動平均值濾波。

基于滑動平均濾波的數(shù)據(jù)處理模型為

式中:N 為滑動平均濾波的窗口寬度;a(i)為最新采樣值;A(N)為滑動平均輸出序列。

方案設(shè)計沒有直接采用滑動平均序列首、尾兩點數(shù)據(jù)計算頻率偏差，而是由微處理器對窗口寬度為N的滑動平均序列進行最小二乘法一元線性回歸擬合，擬合直線的斜率就是兩個信號的頻率偏差，這種方法具有效率高、數(shù)據(jù)量小、計算方法簡單、擬合精度高的特點。

式中:k 為頻率偏差，最小二乘法擬合的斜率;N 為滑動平均窗口寬度;I 為滑動平均序列值。

3.3 控制算法模型

系統(tǒng)剛開機，晶振初始上電時，晶振的溫度尚未穩(wěn)定，其頻率輸出準確度和頻率溫度偏移較大，如果此時即對晶振進行調(diào)控并無多大實用性。晶振上電20 min 以后，其恒溫控制達到正常狀態(tài)，晶振頻率輸出趨于穩(wěn)定，同時，在這一時間內(nèi)，接收機要對衛(wèi)星進行跟蹤鎖定，衛(wèi)星鎖定狀態(tài)通過串口輸出的導(dǎo)航電文由微處理器進行監(jiān)控識別。

第一階段，DA 轉(zhuǎn)換器處于中間值，晶振的壓控電壓為2.5 V，晶振初始頻率準確度較低，小于10－6，而鎖定衛(wèi)星后接收機的100 PPS 準確度為10－7左右(包括噪聲)，兩信號每秒的相位偏移在1 μs，連續(xù)測量50 次，相位偏移在50 μs，遠遠大于噪聲信號，完全可以用50 次測量的首、尾兩點測量結(jié)果的差值計算頻率偏差，依據(jù)壓控靈敏度，對晶振進行頻率偏差修正，經(jīng)過這一環(huán)節(jié)的修正，晶振頻率準確度接近10－7。第二階段，在第一階段基礎(chǔ)上，連續(xù)測量500 次，用500次測量的首、尾兩點測量結(jié)果的差值計算頻率偏差，對晶振進行頻率偏差修正。兩階段修正完成后，其頻率準確度達到10－9，這兩個環(huán)節(jié)測量時間較短，大大加快了馴服速度。

第三階段，和第一、第二階段一樣，采樣平均次數(shù)為100，引入的平滑濾波窗口寬度為500，帶入式(4)計算頻率偏差，對晶振的頻率進行調(diào)整與控制。對于壓控晶振的控制為增量式比例積分控制:

式中:V 為壓控電壓;M 為積分系數(shù);K 為晶振壓控靈敏度。

在實際馴服過程中，由于晶振壓控靈敏度并非是一個常量，在不同的頻率點，靈敏度并不相同，為防止調(diào)整量過大，導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)，造成系統(tǒng)震蕩，在控制參量計算中，加入了較強的積分效果，每次加到壓控晶振的電壓變化量很小。這不能僅保證較好的控制穩(wěn)定性，而且，有效降低了壓控電壓的變化對晶振短穩(wěn)特性的影響。

4 實驗結(jié)果分析

GPS 馴服晶振采用卡式設(shè)計，電路板結(jié)構(gòu)見圖3，板子尺寸19 cm ×11 cm ×5 cm，GPS 接收板位于電路板底面。

圖3 GPS 馴服晶振實物電路板

通過計算機上位機軟件，對脈沖間隔進行監(jiān)測，TDC-GP1 測得的GPS 接收機輸出信號(100PPS)和VCO 分頻輸出信號(100PPS)相位變化情況如圖4 所示。開機初始狀態(tài)下，兩個信號的頻率相差較大，相位變化增加速度較快，隨著數(shù)字鎖相環(huán)的調(diào)控作用，在2000 s 之后，基本實現(xiàn)了VCO 信號鎖定于GPS 信號，兩信號的相位差間隔基本不變，其變化主要取決于GPS 接收機的信號的抖動。

圖4 相位時間間隔變化趨勢圖

5 結(jié)論

基于TDC 技術(shù)的時間間隔測量器件TDC －GP1 在超聲波流量儀、高能物理和核物理、高精度激光測距儀、激光雷達等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文對它在時間間隔測量和相位分析領(lǐng)域應(yīng)用進行了研究分析，研發(fā)設(shè)計了一種GPS 馴服晶振的方案，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、濾波方法、控制方法等方面進行了分析，與傳統(tǒng)方法相比具有設(shè)計簡潔、易于實現(xiàn)小型化的特點。這種馴服方法只要對相應(yīng)參數(shù)進行簡單調(diào)整，還可以應(yīng)用于馴服銣鐘。

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