gps晶體振蕩器穩(wěn)定性分析

gps晶體振蕩器穩(wěn)定性分析

1gps衛(wèi)星同步系統(tǒng)gps是一個(gè)全球衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。它可以連續(xù)實(shí)時(shí)為無(wú)限的用戶(hù)提供高精度的三維位置、三維速度和精確的時(shí)間信息。由于GPS定位技術(shù)具有精度高、速度快、成本低的顯著優(yōu)點(diǎn),因而已成為目前世界上應(yīng)用范圍最廣、實(shí)用性最強(qiáng)的全球精密授時(shí)、測(cè)距和導(dǎo)航定位系統(tǒng)。每個(gè)GPS衛(wèi)星都攜有一對(duì)銫原子和銣原子鐘,它們的頻率穩(wěn)定性分別達(dá)到了10-14和10-13,同時(shí)地面監(jiān)測(cè)站和主控站不斷地對(duì)它們進(jìn)行修正,以使衛(wèi)星鐘與GPS主鐘之間保持精密的同步,因此GPS衛(wèi)星能提供精確的時(shí)間信息,且具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。隨著數(shù)字通信的發(fā)展,數(shù)據(jù)傳輸具有更高的速度,相應(yīng)對(duì)同步系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)做法是使用晶體振蕩器產(chǎn)生參考頻率以滿(mǎn)足同步的需要,但晶體振蕩器會(huì)由于溫度、老化等因素產(chǎn)生頻率的漂移,長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。氫鐘、銫鐘長(zhǎng)期短期穩(wěn)定性雖然都很好,但價(jià)格太昂貴,且對(duì)使用環(huán)境要求高。相比之下,GPS系統(tǒng)能提供精密的時(shí)間信息,因此我們考慮利用并不昂貴的GPS接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的當(dāng)?shù)貢r(shí)鐘,即利用GPS秒信號(hào)鎖定高穩(wěn)定的晶體振蕩器,從而獲得一個(gè)短期及長(zhǎng)期穩(wěn)定度都比較優(yōu)良的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。2基于gps屏蔽的高穩(wěn)定晶體振蕩器設(shè)計(jì)原理2.1量化時(shí)延和壓控技術(shù)利用GPS接收機(jī),可以收到并產(chǎn)生準(zhǔn)確的1pps信號(hào)。在此基礎(chǔ)上,利用時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù),將它與本地頻標(biāo)的分頻信號(hào)進(jìn)行比對(duì),按照相位差的變化速率計(jì)算出相對(duì)頻差并和本地頻標(biāo)的壓控靈敏度綜合考慮,產(chǎn)生出對(duì)本地頻標(biāo)的控制修正電壓。經(jīng)過(guò)多個(gè)測(cè)量和控制反復(fù),最終實(shí)現(xiàn)了把本地頻標(biāo)(高穩(wěn)定性晶體振蕩器)的準(zhǔn)確度鎖定在GPS標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度上,其原理框圖如圖1所示。量化時(shí)延原理是通過(guò)CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。處理和控制器部分包括單片機(jī)和輸出補(bǔ)償電路。單片機(jī)要參與控制高分辨力的時(shí)間間隔的測(cè)量,再根據(jù)計(jì)算出的時(shí)間間隔值,按照比對(duì)精度的要求給出取樣時(shí)間,即用時(shí)間間隔測(cè)量器測(cè)量GPS信號(hào)和本地頻標(biāo)的分頻信號(hào)之間的間隔(時(shí)差ΔT),相隔一段時(shí)間(取樣時(shí)間τ)后再測(cè)量一次ΔT2,計(jì)算出相鄰兩次相位差的變化ΔT=ΔT2-ΔT1,則相對(duì)頻率偏差可由下面公式得到Δff0=ΔTτ(1)Δff0=ΔΤτ(1)結(jié)合被校頻標(biāo)的壓控靈敏度算出應(yīng)給出的壓控電壓值。實(shí)際上單片機(jī)給出的是一脈寬可調(diào)的方波信號(hào),此方波經(jīng)輸出補(bǔ)償電路得到電壓去控制壓控晶體振蕩器,達(dá)到調(diào)整頻率的作用。2.2基于量化時(shí)延的時(shí)間間隔測(cè)量要實(shí)現(xiàn)用GPS秒信號(hào)鎖定的高穩(wěn)晶體振蕩器,必須實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS秒信號(hào)與本地頻標(biāo)的信號(hào)間相位差的高準(zhǔn)確度測(cè)量,即提高時(shí)間間隔測(cè)量的分辨力。從而在較短時(shí)間內(nèi)鎖定高穩(wěn)晶體振蕩器,并達(dá)到要求的頻率準(zhǔn)確度。一般的時(shí)間測(cè)量中,用10MHz的填充脈沖頻率只能獲得100ns的測(cè)量分辨力。根據(jù)公式(1),要累積給出1·10-11的比對(duì)精度,就需要有10000s以上的比對(duì)時(shí)間。雖然通過(guò)倍頻的方法提高填充脈沖的頻率可以提高測(cè)量的分辨力,但提高的程度是有限的,且會(huì)對(duì)使用的器件提出更高的要求,并增加成本。因此,在仍采用10MHz的填充脈沖的情況下,只要能精確測(cè)出如圖2所示的兩個(gè)短時(shí)間間隔,就可提高測(cè)量分辨力。需注意的是,這里關(guān)門(mén)信號(hào)和填充脈沖來(lái)自同一個(gè)本地頻標(biāo)信號(hào),所以是相關(guān)的。也就是我們只需考慮待測(cè)時(shí)間間隔(即閘門(mén))的開(kāi)門(mén)后的短時(shí)間間隔Δt1,而不必考慮關(guān)門(mén)后的短時(shí)間間隔Δt2。針對(duì)短時(shí)間間隔的測(cè)量,采用不同的測(cè)量方法可達(dá)到不同的測(cè)量分辨力。在現(xiàn)有的短時(shí)間間隔測(cè)量方法中,游標(biāo)法和內(nèi)差法都是用模擬的方法將時(shí)間間隔進(jìn)行處理后再進(jìn)行計(jì)數(shù),應(yīng)用這兩種方法可以實(shí)現(xiàn)高精度的短時(shí)間間隔測(cè)量。但是這兩種方法電路結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜,成本高,實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難。因此,我們采用基于量化時(shí)延原理的高準(zhǔn)確度短時(shí)間測(cè)量方法。我們利用信號(hào)在媒體中傳播的時(shí)延穩(wěn)定性,通過(guò)將信號(hào)所產(chǎn)生的延時(shí)進(jìn)行量化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)短時(shí)間間隔的測(cè)量。其基本原理是:讓信號(hào)通過(guò)一系列的延時(shí)單元,依靠延時(shí)單元的延時(shí)穩(wěn)定性,在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)延時(shí)狀態(tài)進(jìn)行高速采集與數(shù)據(jù)處理,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)短時(shí)間間隔的精確測(cè)量。其原理如圖3所示。量化時(shí)延的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于延時(shí)單元的延時(shí)穩(wěn)定性,其分辨力取決于單位延時(shí)單元的延遲時(shí)間。作為延時(shí)單元的器件可以是無(wú)源導(dǎo)線(xiàn),有源門(mén)器件或其它電路。其中,導(dǎo)線(xiàn)的延遲時(shí)間較短(接近光速傳播的延遲),門(mén)電路的延遲時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,有人把計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)在A(yíng)SIC中,實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的直接數(shù)字編碼,但其造價(jià)很高,而相對(duì)廉價(jià)得多的可編程邏輯器件的出現(xiàn)為我們提供了新的選擇。我們選擇了CPLD器件,用以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于量化時(shí)延原理的時(shí)間間隔測(cè)量。其原理圖見(jiàn)圖4。結(jié)合填充脈沖,其短時(shí)間間隔計(jì)算公式為T(mén)=n1*t1+n2*t2(2)式(2)中,n1為對(duì)填充脈沖的計(jì)數(shù)值;t1為填充脈沖的周期,即100ns;n2為量化延遲的器件個(gè)數(shù);t2為量化延遲的器件單位延遲量。GPS秒信號(hào)和100k信號(hào)(由10M分頻得到)經(jīng)過(guò)鑒相得到的相位差即為待測(cè)的時(shí)間間隔。此時(shí)間間隔采用10M填充脈沖進(jìn)行填充,得到的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)上面公式(2)中的n1;GPS信號(hào)的上升沿作為延時(shí)鏈的輸入信號(hào),而它與10M信號(hào)同步后的信號(hào),作為延時(shí)鏈的鎖存信號(hào),由此可得到延時(shí)狀態(tài),也就得到了對(duì)應(yīng)上面公式(2)的n2,而t2的值我們事先知道。這樣,我們就完成了對(duì)時(shí)間間隔T的測(cè)量。時(shí)間間隔的測(cè)量過(guò)程是由單片機(jī)來(lái)控制的。此時(shí)間間隔測(cè)量的分辨力可達(dá)到4.3ns。這樣,理論上,達(dá)到1·10-11的比對(duì)精度,只要400多秒的時(shí)間,這是指對(duì)原子鐘的比對(duì)和鎖定準(zhǔn)確度;如果把高穩(wěn)定度晶體振蕩器鎖定和比對(duì)在1·10-11的比對(duì)精度,只要40多秒的時(shí)間就足夠了。在此基礎(chǔ)上我們作了部分實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)測(cè)量效果,數(shù)據(jù)如表1。2.3基于卡爾曼濾波的時(shí)間間隔濾波GPS接收機(jī)產(chǎn)生的秒信號(hào)包含有幾種誤差因素:衛(wèi)星時(shí)鐘誤差;星歷誤差;電離層的附加延時(shí)誤差;對(duì)流層的附加延時(shí)誤差;多路徑誤差;和接收機(jī)本身的誤差。這些誤差大都屬于隨機(jī)誤差,都會(huì)對(duì)秒信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。Kalman濾波是解決最佳線(xiàn)性過(guò)濾和估計(jì)的問(wèn)題,并且以最小均方誤差為準(zhǔn)則的,它用前一個(gè)估計(jì)值和最近一個(gè)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì),用狀態(tài)方程和遞推方法進(jìn)行估計(jì),適用于實(shí)時(shí)處理。因此,采用了Kalman濾波算法對(duì)所測(cè)定時(shí)間間隔進(jìn)行濾波處理。Kalman濾波算法應(yīng)用在此處,連續(xù)兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為1s,狀態(tài)向量Xk表示的是第k時(shí)刻的時(shí)間間隔真值,即第k秒的時(shí)間間隔值,而且Xk是一個(gè)一維向量。觀(guān)測(cè)向量Yk也是一維向量,觀(guān)測(cè)向量Yk是我們測(cè)量得到的含噪聲的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)序列,即真實(shí)的時(shí)差值+觀(guān)測(cè)噪聲。這樣,動(dòng)態(tài)系統(tǒng)維數(shù)、觀(guān)測(cè)系統(tǒng)維數(shù)均為1。相應(yīng)的各個(gè)矩陣維數(shù)降為一維,將會(huì)大大簡(jiǎn)化計(jì)算復(fù)雜程度,也為我們用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間間隔值的卡爾曼濾波算法提供了可能性。經(jīng)推導(dǎo),可得到如下的濾波的遞推公式及算法過(guò)程。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)由此差分方程描述:Xk=Φk,k-1Xk-1+Wk-1k=1,2...。觀(guān)測(cè)系統(tǒng)由此差分方程組描述:Yk=HkXk+Vkk=1,2...。式中:Φk,k-1稱(chēng)為系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,它反映了系統(tǒng)從第k-1個(gè)取樣時(shí)刻的狀態(tài)到第k個(gè)取樣時(shí)刻的狀態(tài)的變換;Wk為高斯白噪聲序列,具有已知的零均值和協(xié)方差陣Qk;Hk為狀態(tài)量Xk到觀(guān)測(cè)量Yk的轉(zhuǎn)換;Vk是觀(guān)測(cè)噪聲為高斯白噪聲序列,具有已知的零均值和協(xié)方差陣Rk。實(shí)際應(yīng)用中,狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φk,k-1=,觀(guān)測(cè)矩陣Hk=;模型噪聲協(xié)方差矩陣Q和觀(guān)測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣R的估計(jì),一般采用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。實(shí)踐表明,觀(guān)測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣R必須為,否則會(huì)引起濾波結(jié)果中的相位差數(shù)據(jù)整體變大或變小。對(duì)模型噪聲協(xié)方差陣Q,我們進(jìn)行嘗試取值,其依據(jù)是所測(cè)結(jié)果的頻穩(wěn)特性最優(yōu)。為了卡爾曼濾波的迭代遞推,我們需對(duì)時(shí)間間隔值首先作初步的估計(jì),比如對(duì)一系列觀(guān)察數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的平均計(jì)算得到的平均值X?X?0,用這個(gè)值對(duì)濾波器進(jìn)行初始化,會(huì)使濾波器的收斂速度加快。此時(shí),估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣初值取為C0=E[(X0?X?0)(X0?X?0)T]=var(X0)C0=E[(X0-X?0)(X0-X?0)Τ]=var(X0)在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中,濾波過(guò)程如圖5所示,我們給定初始值C0,循環(huán)執(zhí)行第1步～第4步,X?X?k即處理后的時(shí)間間隔值。3s界面軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是由INTEL80C196KC單片機(jī)作為主控制器的軟、硬結(jié)合的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分包括:GPS接收機(jī)、整形放大器、時(shí)間間隔測(cè)量器、主控電路、壓控電路、信號(hào)輸出、顯示器和電源。軟件部分采用INTEL8096匯編語(yǔ)言編寫(xiě),包括:主程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、輸出控制電壓子程序、浮點(diǎn)基本運(yùn)算子程序和顯示子程序。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)自動(dòng)進(jìn)入主程序,子程序采用中斷方式。數(shù)據(jù)采用了在IEEE單精度標(biāo)準(zhǔn)上擴(kuò)展了字節(jié)的5字節(jié)浮點(diǎn)數(shù),為保證運(yùn)算過(guò)程中不損失精度,參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果,都需轉(zhuǎn)化為規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)。4模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果本系統(tǒng)振蕩器輸出的標(biāo)稱(chēng)頻率值是10MHz,在正確接收GPS信號(hào)的情況下,可以在較短時(shí)間內(nèi)把機(jī)內(nèi)頻標(biāo)校正到高的頻率準(zhǔn)確度。為了對(duì)上述測(cè)控系統(tǒng)的本身引入誤差進(jìn)行判斷,我們?cè)谀M實(shí)驗(yàn)情況下進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試,這時(shí)的1pps信號(hào)是從本地頻標(biāo)分頻得到的,此時(shí)被鎖振蕩器準(zhǔn)確度達(dá)到1·10-9的時(shí)間不長(zhǎng)于30s;準(zhǔn)確度優(yōu)于1·10-10的時(shí)間不長(zhǎng)于5min;準(zhǔn)確度達(dá)到1·10-11的時(shí)間不長(zhǎng)于45min。所用的壓控高穩(wěn)定度晶體振蕩器的日老化率優(yōu)于5·10-10/d,秒級(jí)穩(wěn)定度優(yōu)于5·10-12/s。在