基于gps技术实现的高稳频踪设计

基于gps技术实现的高稳频踪设计

卫星网络系统具有高精度的频率标准（达到10-1210-15）。用户可以通过接收机提取卫星系统的同步时钟频率。然而，由于相机在解调过程中注入随机噪声，恢复的时钟频率可以跟踪卫星信号的长稳定度，但会增加短期相位的相位缓急。类似的,晶体振荡器如OCXO、VCXO等具有短期稳定度好的优点,但也存在着老化的固有缺陷。本设计采用GPS秒脉从驯服恒温晶振的方法,通过GPS和恒温晶振构成数字锁相环,既能校正恒温晶振的长期稳定度,也能滤除GPS由于接收机带来的随机相位抖动,实现高稳定度的频率输出。1数字鉴相偏差卡尔曼滤波技术高稳频踪设计采用数字锁相环,首先通过GPS接收机从GPS卫星中提取具有长期稳定度的PP1S作为基准参考,用具有短期稳定度的本地时钟OCXO分频产生的PP1S在FPGA中与之进行数字鉴相,并将数字鉴相偏差传给单片机,单片机对数字鉴相偏差进行卡尔曼滤波处理,滤除鉴相偏差中的高频分量并将它转化为相应的电压控制字,再根据OCXO的压控灵敏度由D/A转换器输出电压到OCXO的压控端进行频率和相位的调整,经过多次测量和反复控制后,最终使得OCXO输出时钟频率完全同步于GPS原子时钟,从而实现对OCXO的驯服和调节,提高OCXO的准确度和长期稳定性。系统结构框图如图1所示。2硬件电路设计2.1w194倍频器件的电路设计倍频电路采用W194专用集成电路完成,W194倍频器件是利用电荷泵锁相环原理制成的,可以实现对参考频率的2~16倍频,图2是4倍频电路。2.2pi控制器鉴相频率量化后的相位误差值,在单片机中进行数字滤波,产生控制电压。A/D转换电路把DPLL输出的控制电压转化成OCXO可以接收的模拟电平。由于单片机的通用IO接口有限,而FPGA有丰富的逻辑资源,所以在FPGA内部设计SPI控制器,完成单片机与A/D转换器的接口。由于FPGA内部的SPI控制器输出的串行数据DATA、串行时钟SCLK和片选信号CS非常微小,所以在FPGA和A/D转换器之间加数字隔离器ADUM1100来隔离干扰电平。A/D转换器选用Linear公司的LTC2601,它是16位的A/D转换器,而且LTC2601在上电复位或异步清零以后,所有寄存器将被置于中间标度,从而使LTC2601的输出电压也为中间标度。因为选用OCXO,它的调谐电压为0~5V、参考电压为5V、牵引范围为-5~+5Hz、压控方向为正向斜率。当LTC2601在上电复位或异步清零后,输出电压为2.5V,对OCXO的频率不进行牵引,便于数字锁相环快速锁定。A/D转换及隔离电路如图3所示。2.3射频放大电路由于要在FPGA中进行数字鉴相,所以要把OCXO输出的10MHz正弦波转换为方波,利用方向器和反馈电阻构成施密特触发器来完成波形转换。为了保证反相器的输入幅度,在其前端加了射频放大电路,RR2320是一个低功耗、高线性度的射频放大器,它对小信号的放大增益达16dB。放大电路和波形转换电路如图4所示。3算法的研究和分析3.1基于alman滤波的模型噪声估计在GPS定位授时中包含了许多误差,其主要的误差源包括:卫星时钟误差、星历误差、电离层的附加延迟误差、对流层的附加延时误差,多径效应以及接收机本身的噪声等等。由于这些随机误差的存在,造成GPS秒脉冲信号前沿存在着抖动量,最大可达100ns,因此造成鉴相误差也存在随机跳变。该设计采用Kalman滤波算法滤除鉴相误差中的干扰和噪声,提取出需要的信息。Kalman滤波算法是一个不断预测和修正的过程,它采用递推处理方法,用上个采样时刻的估计值和当前时刻的观测值来估计当前时刻的估计值。Kalman滤波能够在大噪声的情况下实现对信号的最优估计、平滑测量数据,特别适宜实时数据处理。在实际应用中,为了加快卡尔曼滤波器的收敛速度,需要对钟差X赞0作初步的估计,然后据此计算出估计误差的协方差矩阵C0。状态转移矩阵Φk,k-1取值为;观测矩阵H=;对于模型噪声协方差矩阵Qk和观测噪声协方差矩阵Rk的估计,一般采用经验估计。实践表明,观测噪声协方差矩阵Rk必须为,否则会引起滤波结果中的相位差数据整体变大或变小。对模型噪声协方差阵Qk,要进行尝试取值,其依据是所测结果的频稳特性最优。根据上述已知条件就可以按照流程图计算出当前时刻的钟差估计值X赞k和当前时刻的估计误差的协方差矩阵Ck,再回到流程开始处进行递推。Kalman滤波流程递推如图5所示。3.2鉴相误差产生的误差用倍频40MHz进行鉴相,鉴相误差Xk最大为1s,计数最大值为4×107,共需26位二进制,加上符号位共27位。单片机软件流程如下:首先,FPGA对GPS-PPS和OCXO-PPS鉴相后,单片机等待FPGA发送请求传送鉴相误差信号,当接到请求信号后,单片机开始并行读取鉴相器产生的27位鉴相误差,当数据传送完毕,单片机向FPGA发送下拉信号,FPGA开始等待下一次鉴相。对于随机误差引起的GPS秒脉冲跳变或GPS接收机偶然失锁(即锁星失败),虽然也输出秒信号,但其精度随时间推移越来越差,设计采用设立门限值的方法处理这个问题。比如设立门限值为100ns,当鉴相器输出数据超过此门限时,认为GPS秒脉冲跳变或接收机失锁,此时用上个时刻的Kalman估计值作为当前的观测值,使Kalman滤波继续进行,并作为相位差输出到校频计算。单片机的软件流程如图6所示。校频的基本公式为:△f/f=△t/T=(t1-t2)/T。式中△f/f表示相对频偏;T是校频的时间,设计中T为1s;t1、t2分别是校频结束和开始时的相位差或时差。根据校频公式产生频差,又因为选用的OCXO压控灵敏度为2Hz/V,再通过D/C转换器产生频率修正所需相应的压控值传递给OCXO,达到驯服校准OCXO的目的。4长期稳定度和升温晶振的校准本章采用GPS+DPLL的方法对恒温晶振进行驯服,通过将GPS秒脉从信号和恒温晶振频率完美的结合,综合了GPS秒信号具有较高的长期稳定度和恒温晶振具有较高的短期稳定度的优点,完成对恒温晶振的自动校准。采用该方法72h后恒温晶振10M