基于GPS校準晶振的高精度時鐘的設計

摘要： 文章結合高精度晶振無隨機誤差和GPS秒時鐘無累計誤差的特點，采用GPS測量監控技術，對高精度晶體振蕩器的輸出頻率進行精密測量和調節，使晶振的輸出頻率同步在GPS系統上，從而提供高精度的時鐘信號。根據此方法研制了具有高性價比的高精度時鐘發生裝置，并成功的應用于通信系統中。

　　0 引言

　　本文結合GPS的長期穩定性校準晶振頻率，采用GPS測量監控技術，對晶體振蕩器的輸出頻率進行精密測量和調節，使晶振的輸出頻率同步在GPS系統上，提供高精度的時間頻率基準信號。

　　1 高精度GPS校準晶振時鐘設計中應注意的問題

　　GPS秒脈沖的高精度是統計意義下的，對一個具體的秒脈沖，其偏差可能達到200ns，另外， GPS接收機短期失鎖、衛星試驗、電磁干擾等因素，都可能造成秒脈沖的失真，如果直接使用GPS的秒脈沖信號來校準時鐘，其精度只有2 ×10- 7 ，因此，不能直接使用秒脈沖信號作為高精度的時鐘信號。但可以根據GPS秒時鐘沒有累計誤差的特點，來校準晶振。控制系統選擇一個合適的時間長度來校準晶振，晶振越穩定，校準的時間長度就可以越長。根據以上所述，設計高精度的GPS校準晶振時鐘需要注意以下幾個方面：

　　（1） 消除GPS偽秒脈沖，由于GPS秒脈沖在傳遞過程中可能受外部電磁干擾而夾雜著偽脈沖，為避免處理器誤判斷，應予屏蔽。

　　（2） 使用高穩定度晶振，以獲取高精度的時鐘。

　　（3） 選用合理的算法，用GPS時鐘的長期穩定性（即沒有累計誤差）來校準晶振時鐘，并及時對晶振進行調整。

　　2 GPS校準晶振時鐘的原理結構

　　圖1是一個應用于通信系統的GPS校準時鐘原理結構。本文采用的是10MHz帶電壓調節的恒溫晶振，通過時鐘芯片產生61. 44MHz的信號。但僅由晶振和時鐘芯片產生的時鐘信號的精度不能滿足要求，需要通過GPS的時鐘信號進行校準。GPS的秒脈沖信號輸入到FPGA， FPGA在1 s內對時鐘芯片輸出的61. 44MHz時鐘進行計數，過濾掉干擾數據，計算出相位偏差，將此相位偏差轉換為OCXO控制寄存器的變化，以此變化值來調節OCXO，使它達到穩定的精度。

　　圖1 GPS校準時鐘原理結構

　　2. 1 高穩定度恒溫晶振提供工作時鐘

　　用恒溫晶振OCXO 提供工作時鐘。該晶振采用精密控溫，使晶體工作在晶體的零溫度系數點的溫度上，具有很高的頻率精度和穩定度，是目前石英晶振器件中頻率穩定度最高的一種。晶振的頻率精度是指晶振的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差，精度引起的偏差會給測量系統引入累積誤差。晶振頻率穩定度是指秒級間隔內的瞬時穩定度，即由晶振“相位噪聲”引起的頻率隨機變化，瞬時穩定度通常會給測量系統引入隨機誤差。本裝置采用新型的高穩定度恒溫晶振OD02 - 5T型晶振，它的頻率精度達到10- 8量級，頻率穩定度達到10- 11量級。頻率調整范圍是電壓調整（0~5V）為- 9 ×10 - 7 /8 ×10- 7 ，這種可調特性使得此恒溫晶振通過GPS的校準輸出頻率精度可以達到10- 9.

　　2. 2 GPS秒脈沖

　　GPS接收機接收到的GPS秒脈沖或多或少存在一些誤差， GPS秒脈沖的誤差服從正態分布，與國際標準時間（UTC）相比只存在單個秒脈沖左右的漂移，從一段時間來看GPS秒脈沖并不存在累計誤差。因此首先對單個脈沖的有效性（即是不是偽脈沖）要進行鑒別。在大量統計的意義下，計數值的偏差（對應于一個GPS秒脈沖計數時鐘芯片的輸出）近似服從正態分布，最大偏差17，由此可以近似算出sigma = 17 ×68. 3% = 11，算法中采用的濾波門限值為10，比sigma值稍小一點，也就是當技術偏差大于10，就認為當前的GPS秒脈沖是偽脈沖，舍棄不要。另外，對于GPS的長期穩定性，技術上也不可能取無限長。由于所選晶振的穩定度很高，本文選擇校準時間為16 s。

3 GPS校準晶振的算法

　　OCXO靈敏度K0 表征了OCXO的最小分辨率，此值越小，表示OCXO的精度越高，它的計算公式為：

　　K0 =OCXO頻率變化范圍/OCXO寄存器變化范圍

　　KD為相位檢測器靈敏度，它由后臺進行時鐘校準時算出，計算過程為：設置測量周期為15 s，設置OCXO寄存器的值為1，記錄計數器的值COUNTmin ，設置OCXO寄存器的值為4095，記錄計數器的值COUNTmax ，則：