一種同播發(fā)射機(jī)的基準(zhǔn)頻率源設(shè)計(jì)

(成都信息工程學(xué)院，成都 610225)

1 引 言

無(wú)線同頻同播系統(tǒng)是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)同頻中轉(zhuǎn)臺(tái)，并利用鏈路將這些中轉(zhuǎn)臺(tái)連接起來(lái)，每個(gè)中轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)責(zé)一定范圍的覆蓋。這樣，利用多個(gè)同頻中轉(zhuǎn)臺(tái)和鏈路就可完成大范圍同播覆蓋的目的。無(wú)線同頻同播系統(tǒng)以其占用頻率少、覆蓋范圍大、投資低、建網(wǎng)快等特點(diǎn)，近幾年來(lái)在公安、消防、城市應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等專業(yè)無(wú)線通信網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是，這種組網(wǎng)形式不可避免地會(huì)引起同頻干擾。為了有效抑制同頻干擾，必須使各中轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)射機(jī)的載頻頻率穩(wěn)定度達(dá)到1×10-8(一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn))，并采用話音判選、話音延遲處理等技術(shù)，確保中轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的載頻精度、頻率偏移、音頻參數(shù)等滿足抑制同頻干擾的要求。為了滿足載頻精度和頻率偏移的要求，同播發(fā)射機(jī)的基準(zhǔn)頻率源通?？刹捎煤銣鼐w振蕩器(OCXO)(在-20℃～+70℃溫度范圍內(nèi)，長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度為5×10-9)、銣原子振蕩器(3×10-10)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)(5×10-10)等[1]。采用OCXO雖然也能滿足同播發(fā)射機(jī)頻率穩(wěn)定度的要求，但要進(jìn)一步提高指標(biāo)存在一定技術(shù)難度。而高指標(biāo)的原子鐘因成本和國(guó)外禁運(yùn)等原因尚不能夠普遍運(yùn)用，采用GPS定時(shí)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率源無(wú)疑是一個(gè)很好的途徑。

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用GPS時(shí)鐘作時(shí)間、頻率同步信號(hào)的領(lǐng)域有很多，但針對(duì)同播系統(tǒng)的應(yīng)用還很少。本文針對(duì)普通調(diào)頻FM制式的發(fā)射機(jī)，根據(jù)數(shù)字鎖相原理，提出了一種利用 GPS 秒時(shí)鐘來(lái)修正晶體振蕩器頻率，獲得高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源，從而將普通FM制式的發(fā)射機(jī)升級(jí)為同播發(fā)射機(jī)的方法。

2 GPS秒時(shí)鐘和數(shù)字鎖相環(huán)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)是一個(gè)覆蓋全球的導(dǎo)航、授時(shí)和定位系統(tǒng)，每顆GPS衛(wèi)星上都裝備有星載原子鐘，各監(jiān)測(cè)站和主控站也都裝備有高性能的銫原子鐘組。主控站上的主鐘又與USNO(United States Naval Observatory)的主鐘之間始終保持精密的同步。因此，GPS時(shí)間基準(zhǔn)具備非常良好的頻率準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度，GPS時(shí)鐘已成為世界上傳播范圍最廣、精度最高的時(shí)間發(fā)布系統(tǒng)之一[2-3]。但是，美國(guó)對(duì)民用用戶不承擔(dān)責(zé)任，不保證民用GPS 時(shí)鐘的精度和可靠性。而且，由于民用 GPS 接收機(jī)接收到的GPS 時(shí)鐘因星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差、對(duì)流層誤差、多徑誤差、接收機(jī)誤差、跟蹤衛(wèi)星過(guò)少等因素的影響，秒脈沖前沿跳動(dòng)較大，短期穩(wěn)定度難以得到保證，如在衛(wèi)星失鎖或衛(wèi)星時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)跳變的條件下，GPS 時(shí)鐘誤差達(dá)幾十甚至上百毫秒[4]。通常，該指標(biāo)由接收機(jī)生產(chǎn)廠家給出，并且不同廠家的接收機(jī)定時(shí)性能可能會(huì)有差異。通過(guò)對(duì)不同廠家的GPS接收機(jī)的秒脈沖定時(shí)信號(hào)實(shí)測(cè)表明，GPS秒脈沖誤差呈鋸齒狀，短期內(nèi)有跳變，一般在±1 μs以內(nèi)，對(duì)應(yīng)的頻率穩(wěn)定度或定時(shí)誤差一般在10-7量級(jí)；但長(zhǎng)期看并無(wú)漂移，長(zhǎng)時(shí)間的平均值在0值附近[5]。

與GPS時(shí)鐘相比，原子鐘、晶振時(shí)鐘等短期穩(wěn)定性較高，單個(gè)時(shí)間間隔的漂移非常小，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的累計(jì)誤差較大[6-7]，而GPS秒時(shí)鐘的累計(jì)誤差較小，所以可以參考GPS秒時(shí)鐘對(duì)晶振時(shí)鐘的累計(jì)誤差進(jìn)行修正。

數(shù)字鎖相環(huán)組成框圖如圖1所示，它由數(shù)字鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器3個(gè)電路部件組成[8]。數(shù)字鎖相環(huán)的主要作用是實(shí)現(xiàn)輸出與輸入信號(hào)之間嚴(yán)格的相位同步，當(dāng)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，壓控振蕩器輸出信號(hào)u2與環(huán)路的輸入信號(hào)u1(參考信號(hào))之間便保持極小的相位差，而沒(méi)有頻差存在，即輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的頻率一致，其頻率穩(wěn)定度也一致。本文借鑒這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度頻率源，用GPS秒脈沖作為參考信號(hào)，電壓控制晶體振蕩器(VCXO)作為壓控振蕩器，既能保持晶體振蕩器較小的隨機(jī)誤差，又能消除晶體振蕩器的累計(jì)誤差，從而獲得與GPS秒脈沖相同穩(wěn)定度的信號(hào)。

圖1 數(shù)字鎖相環(huán)一般組成Fig.1 The general structure of digital phase-locked loop

3 高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源的組成與工作原理

一般FM發(fā)射機(jī)的信號(hào)源采用“TCXO+PLL”形式，其頻率穩(wěn)定度在±5×10-6左右，顯然滿足不了同播發(fā)射機(jī)1×10-8的要求。要將普通的FM發(fā)射機(jī)用作同播發(fā)射機(jī)，只需將FM發(fā)射機(jī)中的TCXO用本文提出的高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源替代即可。

3.1 設(shè)備組成

高精度基準(zhǔn)頻率源在設(shè)計(jì)上采用“GPS+DPLL”的方案，其組成包括GPS 接收機(jī)、微處理器、數(shù)字鑒相器、12 MHz的VCXO、D/A轉(zhuǎn)換器、分頻器、環(huán)路濾波器等。設(shè)備組成框圖如圖2所示。

圖2 高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源的組成圖Fig.2 Composition of high-stability reference frequency source

GPS 接收機(jī)采用美國(guó)Rockwell公司的Jupiter GPS OEM板，該OEM板內(nèi)部帶有平滑處理軟件和專用算法，其靜態(tài)漂移為零，秒脈沖精度為30～100 ns；微處理器采用美國(guó)STC公司的高速STC12C5A60S2單片機(jī)；數(shù)字鑒相器和分頻器用Altera公司的CPLD-EPM7128實(shí)現(xiàn)；D/A轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)Maxim公司的電壓輸出12位串行數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX531； 環(huán)路濾波器采用三階RC低通濾波器；VCXO采用Kinseki公司的KSS 12 MHz 壓控晶體振蕩器，其長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度為±1×10-7，短期頻率穩(wěn)定度為±1×10-9；LED由4個(gè)發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成，在微處理器的控制下，分別指示GPS、DPLL的鎖定狀態(tài)以及DPLL在鎖定過(guò)程中頻率的遞增和遞減狀態(tài)。

3.2 工作原理

在開(kāi)啟GPS接收機(jī)前，調(diào)節(jié)VCXO的自由振蕩頻率為12 MHz±5 Hz，以確保環(huán)路在開(kāi)啟時(shí)能快速、準(zhǔn)確地鎖定在12 MHz。GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)并經(jīng)處理后，產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)(1 PPS)以及接收天線位置坐標(biāo)、時(shí)間、衛(wèi)星狀態(tài)和GPS 接收機(jī)的狀態(tài)等信息，并從串口輸出至微處理器串口。微處理器根據(jù)接收的GPS信息，確定GPS接收機(jī)是否正常工作，通常以GPS接收機(jī)鎖定的衛(wèi)星數(shù)大于3顆為正常工作。

初，呂夷簡(jiǎn)罷相，夏竦授樞密使，復(fù)奪之，代以杜衍，同時(shí)進(jìn)用富弼、韓琦、范仲淹在二府，歐陽(yáng)修等為諫官。石介作慶歷圣德詩(shī)，言進(jìn)賢退奸之不易。奸，蓋斥夏竦也，竦銜之。而仲淹等皆修素所厚善，修言事一意徑行，略不以形跡嫌疑顧避。竦因與其黨造為黨論，目衍、仲淹及修為黨人。［1］3580

在GPS接收機(jī)正常工作狀態(tài)下，微處理器指示鎖相環(huán)工作于跟蹤狀態(tài)或鎖定狀態(tài)，VCXO輸出的12 MHz信號(hào)經(jīng)分頻器1進(jìn)行240分頻后得到50 kHz的脈沖，再輸入到數(shù)字鑒相器與GPS接收機(jī)輸出的1 PPS秒脈沖進(jìn)行相位比較，其相位差經(jīng)微處理器和D/A轉(zhuǎn)換后變成VCXO的壓控電壓，調(diào)整VCXO的輸出頻率，修正VCXO因老化引起的頻率漂移，實(shí)現(xiàn)本地輸出的頻率信號(hào)與GPS秒脈沖信號(hào)嚴(yán)格同步，取得良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定度特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)頻率源。

通過(guò)設(shè)置分頻器2的分頻比可以獲得不同頻率的基準(zhǔn)信號(hào)，該基準(zhǔn)信號(hào)可以送到FM發(fā)射機(jī)PLL頻率合成器的鑒相器輸入端，作為參考信號(hào)使用，從而使發(fā)射機(jī)具有與基準(zhǔn)頻率源相同的頻率穩(wěn)定度。

在GPS接收機(jī)工作不正常，如衛(wèi)星部分或全部失鎖時(shí)，微處理器設(shè)置設(shè)備工作于保持狀態(tài)，此時(shí)環(huán)路維持保持狀態(tài)開(kāi)始之前、跟蹤狀態(tài)下最后一個(gè)D/ A 變換器輸出的VCXO壓控電壓值數(shù)據(jù)不變。此時(shí)，輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度依賴于所使用的VCXO的頻率穩(wěn)定度，所以VCXO的穩(wěn)定度也要盡可能高。由于同播發(fā)射機(jī)一般固定放置在較高位置，這種情況出現(xiàn)的幾率不高，且持續(xù)時(shí)間也不長(zhǎng)，對(duì)民用通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是可以接受的。當(dāng)微處理器重新檢測(cè)到1 PPS秒脈沖時(shí)，解除保持狀態(tài)，鎖相環(huán)可快速進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

3.3 電路實(shí)現(xiàn)

圖3 高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源的電路原理圖Fig.3 Circuit schematic diagram of high-stability reference frequency source

根據(jù)上述原理，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于GPS的高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源，其電路原理圖如圖3所示。

基于CPLD-EPM7128的鑒相器是高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源的關(guān)鍵部件，除完成相位比較器的功能外，還要測(cè)量相位誤差脈沖的脈寬。來(lái)自GPS 接收機(jī)的1 PPS秒脈沖輸入到CPLD的Pin68腳，VCXO的輸出接到CPLD的Pin83腳。經(jīng)分頻、鑒相和脈沖計(jì)數(shù)后，將相位誤差信號(hào)以8位并行數(shù)據(jù)方式從CPLD的 Pin17～25腳輸出到微處理器STC12C5A60S2的P2口。微處理器進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換后，由STC12C5A60S2的P3.4輸入到D/A轉(zhuǎn)換器Max531的Pin2腳，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后在Max531的Pin12腳得到根據(jù)相位差每秒變化一次的直流電壓。該電壓經(jīng)由R6、R7、R8、C2、C3、C4構(gòu)成的環(huán)路濾波器后形成VCXO的控制電壓，調(diào)整VCXO的頻率輸出。在ADS中對(duì)這個(gè)環(huán)路濾波器進(jìn)行了仿真分析，其幅頻特性如圖4所示。

圖4 環(huán)路濾波器幅頻特性的ADS仿真結(jié)果Fig.4 ADS simulation results of loop filter amplitude-frequency characteristics

為了指示設(shè)備的工作狀態(tài)，使用了4個(gè)發(fā)光二極管。GPS-LOCK 用于指示GPS是否正常工作，PLL-LOCK用于指示PLL是否鎖定，PLL-UP和 PLL-DOWN用于指示鎖相環(huán)在捕獲過(guò)程中環(huán)路VCXO輸出頻率增高和降低的情況，這4個(gè)LED均受單片機(jī)控制。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 數(shù)字鑒相器

數(shù)字鑒相器將每一個(gè)1 PPS秒脈沖的上升沿與其后最接近的50 kHz信號(hào)的第一個(gè)上升沿時(shí)間比較，并且產(chǎn)生一個(gè)相位誤差脈沖，其寬度精確地等于兩者的時(shí)間差，即在每一個(gè)1 PPS秒脈沖的開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相位誤差脈沖，而其脈沖寬度可以從零(當(dāng)兩個(gè)信號(hào)完全同步時(shí))到理論上的最大值10 μs(兩個(gè)信號(hào)在50 kHz信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)部同步)之間變化。如圖5所示，Jupiter GPS OEM板輸出的1 PPS秒脈沖信號(hào)其高電平持續(xù)時(shí)間為25.6 ms。

圖5 數(shù)字鑒相器相位比較波形示意圖Fig.5 Waveform diagram of phase comparison in digital phase detector

4.2 控制電壓的產(chǎn)生

為了測(cè)試誤差脈沖寬度，從微處理器引入了一個(gè)約11.059 2 MHz的時(shí)鐘信號(hào)作計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。當(dāng)誤差脈沖信號(hào)為高電平時(shí)，允許計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)正比于誤差脈沖寬度，即正比于相位差。由于誤差脈沖寬度的變化，計(jì)數(shù)器會(huì)得到不同數(shù)量的“11.059 2 MHz脈沖”。如誤差脈沖寬度為10 μs，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為111；如誤差脈沖寬度為8 μs，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為88。計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確地在每個(gè)1 PPS秒脈沖結(jié)束時(shí)復(fù)位。

引入11.059 2 MHz計(jì)數(shù)脈沖的好處是可以減小D/A轉(zhuǎn)換之后的直流誤差電壓的增量，保證VCXO更精確地鎖定在12 MHz。

4.3 鎖定頻率分析

由于用振蕩器頻率除以了240，這使得鎖定振蕩器頻率在11.999 76 MHz或11.999 52 MHz及12.000 24 MHz或12.000 48 MHz時(shí)有效。換句話說(shuō)，鎖相環(huán)頻率鎖定能力是從12 MHz開(kāi)始的，按頻率差每240 Hz及其整倍數(shù)加以區(qū)別。這就意味著，在設(shè)置這個(gè)基準(zhǔn)頻率源時(shí)要調(diào)整主振蕩器的自由振蕩頻率在12 MHz±120 Hz之內(nèi)，否則，鎖相環(huán)就會(huì)將鎖定頻率定為11.999 76 MHz或12.000 24 MHz，不是正確的頻率了。啟動(dòng)時(shí)如果VCXO偏移12 MHz較大，此時(shí)利用數(shù)字鎖相原理進(jìn)行調(diào)整的時(shí)間是不能容忍的，應(yīng)采用輔助手段在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的快速鎖定。所以在開(kāi)啟GPS接收機(jī)前，需調(diào)節(jié)VCXO的自由振蕩頻率為12 MHz±5 Hz，以確保環(huán)路在開(kāi)啟時(shí)能快速、準(zhǔn)確地鎖定在12 MHz。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

按照本文提出的方法，筆者制作了一套高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源，并用此基準(zhǔn)頻率源替代了日本KYODO生產(chǎn)的FM中繼臺(tái)KG110中的12 MHz溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)。對(duì)已改造的發(fā)射機(jī)和未改造的發(fā)射機(jī)進(jìn)行了24 h老化對(duì)比實(shí)驗(yàn)，之后又在不接GPS天線時(shí)對(duì)改造后的發(fā)射機(jī)進(jìn)行了老化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)射機(jī)的工作頻率均為450 MHz，并用同一臺(tái)專用頻率計(jì)觀測(cè)其頻率的變化。測(cè)試結(jié)果表明，未改造的發(fā)射機(jī)頻率漂移量為568 Hz，對(duì)應(yīng)的頻率穩(wěn)定度為568/450×106≈1×10-6；改造后的發(fā)射機(jī)接GPS接收機(jī)時(shí)，頻率漂移量為1 Hz，對(duì)應(yīng)的頻率穩(wěn)定度為1/450×106≈2×10-9；不接GPS接收機(jī)時(shí)，頻率漂移量為48 Hz，對(duì)應(yīng)的頻率穩(wěn)定度為48/450×106≈1×10-7。

可見(jiàn)，本文提出的方法能夠有效地提高發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度，完全能夠滿足同頻同播系統(tǒng)對(duì)同播發(fā)射機(jī)的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)GPS秒時(shí)鐘無(wú)累計(jì)誤差和晶振時(shí)鐘累計(jì)誤差較大、無(wú)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，提出了一種利用GPS秒時(shí)鐘修正晶振頻率實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度基準(zhǔn)頻率源的方法。該方法所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率源具有較高的頻率穩(wěn)定度，且實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，完全能滿足同播發(fā)射機(jī)的要求。目前，這種基于GPS的高穩(wěn)定度頻率源已應(yīng)用于部分同播系統(tǒng)中，下一步將進(jìn)一步研究GPS失鎖時(shí)如何修正VCXO的頻率漂移問(wèn)題，使基準(zhǔn)頻率源既充分利用GPS又不完全依賴GPS，以滿足同播系統(tǒng)和其它應(yīng)用系統(tǒng)的需求。

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