一種用于gps馴服晶振的數(shù)字鑒相器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器，包括：將GPS模塊輸出的1Hz PPS信號分頻得到周期為2N秒的方波脈沖信號的2N分頻器；對高低電平脈寬進行計數(shù)的高、低電平脈沖寬度計數(shù)器；輸入連接外部提供的頻率鎖定使能信號，連接GPS并分頻OCXO時鐘輸出內(nèi)部秒脈沖信號的秒脈沖時鐘；輸入內(nèi)部秒脈沖信號和GPS模塊輸出的PPS信號，計數(shù)兩者間上升沿的時間差，輸出相位差計數(shù)值的相位差計數(shù)器時鐘；用于實現(xiàn)OCXO晶振跟蹤GPS PPS信號的頻率，同時輸出頻率值和相位誤差值的頻率計數(shù)值鎖存器和相位誤差值鎖存器。本發(fā)明便于時序設(shè)計，避免了初始相位誤差超前滯后模糊的問題，頻率和相位測量計數(shù)器采用了串行計數(shù)器方案，使得計數(shù)時鐘頻率不受計數(shù)位數(shù)的影響。
【專利說明】-種用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鑒相裝置領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種用于Gl^s馴服晶振的數(shù)字鑒相器。

【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字鑒相器是數(shù)字鎖相環(huán)的必備部件，其基本功能是測量輸入時鐘信號與基準(zhǔn)時 鐘信號邊沿的時間差，反應(yīng)出其相位差，并根據(jù)超前和滯后情況分別輸出超前相位值與滯 后相位值。常用的數(shù)字鑒相器為雙D觸發(fā)器鑒相器，輸出信號有用脈沖寬度表示相位差的 模擬輸出方式；也有用定時計數(shù)器計時邊沿時差，輸出數(shù)字量的數(shù)字輸出方式；計時邊沿 時差，一般采用高速時鐘計數(shù)來測量時差，也有采用延遲線電路方法獲得更高精度的時差 測量能力。
[0003] 鑒相器應(yīng)用到GI^S馴服有源晶振電路中，被用于測量來自GPS的秒脈沖（PP巧信 號和晶振分頻后自己產(chǎn)生的PPS信號的相位差。但應(yīng)用到GI^S馴服有源晶振電路中的現(xiàn)有 鑒相器仍然存在W下問題：
[0004] (1)現(xiàn)有的鑒相器不能直接測量頻率偏差，而是通過相位變化差來反應(yīng)頻率偏差， 而且現(xiàn)有的相位差僅測量脈沖信號的上升沿或者下級沿，使得頻率偏差測量會受到邊沿抖 動的影響，測量誤差增大。
[0005] (2)GI^S馴服有源晶振應(yīng)用中為了實現(xiàn)高精度頻率輸出，用于鑒相的信號需要長的 周期（秒級W上），導(dǎo)致鑒相采樣頻率很低。高精度OCXO具有高Q值（可達(dá)10 7)，導(dǎo)致壓 控可調(diào)頻率范圍很窄。W上兩項因素會導(dǎo)致鎖相環(huán)調(diào)節(jié)速度較慢。而且，由于初始相位的 隨機性，現(xiàn)有的雙D觸發(fā)器鑒相器初始工作時，存在相位超前和滯后模糊的問題，若出現(xiàn)相 位超前、滯后判斷錯誤，會導(dǎo)致系統(tǒng)較長時間無法從失鎖狀態(tài)進入到鎖定狀態(tài)（捕獲過程 超過十分鐘量級W上）。而且W上問題隨著OCXO的頻率調(diào)節(jié)范圍越窄，控制精度要求越高， 捕獲耗時也越長。
[0006] (3)在OCXO跟蹤GPS模塊輸出的基準(zhǔn)頻率信號的過程中，受到空間天氣變化和環(huán) 境干擾等因素，會出現(xiàn)GI^S模塊丟失衛(wèi)星的情況，該時，來自GI^S模塊的基準(zhǔn)頻率信號會出 現(xiàn)較大擾動和誤差。該種情況出現(xiàn)后，系統(tǒng)應(yīng)該依賴高精度OCXO的短時穩(wěn)定性，而自主開 環(huán)工作，并同時持續(xù)測量兩者的頻率偏差。單純依賴測量相位偏差來反應(yīng)頻率偏差的數(shù)字 鑒相器，因存在相位2 31模糊的問題，使得當(dāng)相位偏差過大時，會導(dǎo)致頻率偏差計算出現(xiàn)錯 誤。該時需要引入直接頻率測量電路實現(xiàn)更穩(wěn)定的頻率偏差跟蹤測量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器，旨在解決W下問 題：
[000引 （1)同時測量Gl^s模塊輸出的PPS信號和本地PPS信號間的相位差和頻率偏差。
[0009] (2)解決初始相位差超前、滯后模糊問題。
[0010] (3)考慮到高精度OCXO -般都具有較優(yōu)短時穩(wěn)定性，和GI^S系統(tǒng)會受到空間天氣 變化和環(huán)境干擾而產(chǎn)生擾動的情況，頻率測量要具有一定的抗擾動能力，并在GI^S模塊丟 失衛(wèi)星后，在更寬的頻率偏差范圍內(nèi)正確跟蹤頻率偏差情況，利用準(zhǔn)確的頻率偏差來修正 超過相位測量范圍的相位偏差。
[0011] 本發(fā)明是該樣實現(xiàn)的，一種用于GI^S馴服晶振的數(shù)字鑒相器，它包括鎖相環(huán)倍頻 器、2分頻器、高電平脈沖寬度計數(shù)器、低電平脈沖寬度計數(shù)器、秒脈沖分頻計數(shù)器、相位差 計數(shù)器、頻率計數(shù)值鎖存器和相位誤差值鎖存器；
[0012] 鎖相環(huán)倍頻器用于將外部高精度壓控恒溫晶體振蕩器OCXO的輸出時鐘信號的頻 率進行倍頻，倍頻后的數(shù)字時鐘信號連接到鑒相器中所有的計數(shù)器的時鐘引腳，作為所有 計數(shù)器的計數(shù)時鐘；
[0013] 2分頻器連接外部GI^S接收模塊輸出的PPS秒脈沖信號，輸出頻率為2^Hz的占空 比為50 %的方波脈沖；
[0014] 高電平脈沖寬度計數(shù)器時鐘由鎖相環(huán)倍頻器提供，輸入連接2分頻器的輸出，對 高電平脈寬進行計數(shù)，輸出連接頻率計數(shù)值鎖存器；
[0015] 低電平脈沖寬度計數(shù)器時鐘由鎖相環(huán)倍頻器提供，輸入連接2分頻器的輸出，對 低電平脈寬進行計數(shù)，輸出連接頻率計數(shù)值鎖存器；
[0016] 秒脈沖時鐘由鎖相環(huán)倍頻器提供，輸入連接外部提供的頻率鎖定使能信號，連接 GI^S模塊輸出的PPS信號，通過分頻輸出內(nèi)部秒脈沖信號，連接到相位差計數(shù)器的輸入端；
[0017] 相位差計數(shù)器時鐘由鎖相環(huán)倍頻器提供，輸入內(nèi)部秒脈沖信號和GI^S模塊輸出的 PPS信號，計數(shù)兩者間上升沿的時間差，輸出相位差計數(shù)值，連接到相位誤差值鎖存器；
[0018] 頻率計數(shù)值鎖存器和相位誤差值鎖存器同時輸出頻率值和相位誤差值，用于實現(xiàn) OCXO晶振跟蹤GPS PPS信號的頻率，保證本地晶振頻率的高精度。
[0019] 進一步，頻率計數(shù)器和相位計數(shù)器同時工作，分別輸出頻率值和相位差值。
[0020] 進一步，頻率計數(shù)器由高電平計數(shù)器和低電平計數(shù)器兩部分組成，分時測量方波 脈沖的高電平脈寬和電平脈寬。
[0021] 進一步，輸入到相位計數(shù)器的內(nèi)部秒脈沖信號，可有由外部頻率鎖定信號復(fù)位，復(fù) 位后內(nèi)部秒脈沖信號相對GPS PPS信號產(chǎn)生一個固定時間延遲。
[0022] 進一步，所有計數(shù)器的時鐘都來自于需要跟蹤GPS PPS的可調(diào)晶振時鐘OCXO時鐘 信號的倍頻信號。
[0023] 進一步，高電平脈沖寬度計數(shù)器、低電平脈沖寬度計數(shù)器、相位差計數(shù)器均采用串 行異步計數(shù)器電路，輸出的計數(shù)值必須在計數(shù)器暫停計數(shù)并延時后讀取。
[0024] 效果匯總
[0025] 本發(fā)明的有益效果如下；
[0026] (1)測量頻率偏差值時，通過分頻延長被測信號周期方法，分別使用兩路高低電平 脈沖寬度計數(shù)器，通過交替測量分頻方波脈沖的高電平脈沖寬度來測量頻率偏差，交替測 量一方面提高了頻率測量抗邊沿抖動的能力，同時也使兩路計數(shù)器交替工作，便于時序設(shè) 計；
[0027] (2)使用該鑒相器的鎖相環(huán)電路工作時，先利用頻率誤差實現(xiàn)頻率粗調(diào)，待頻率誤 差下降到一定值時，利用頻率鎖定信號將內(nèi)部PPS信號和外部GPS PPS信號同步，實現(xiàn)相位 誤差輸出。由于頻率誤差一開始就可W正確輸出，捕獲過程利用頻率誤差工作，就避免了初 始相位誤差超前滯后模糊的問題。提高了整個鎖相環(huán)的鎖定速度。
[002引 （3)鎖定階段，能同時輸出準(zhǔn)確的頻率偏差值和相位偏差值；
[0029] (4)頻率和相位測量計數(shù)器采用了串行計數(shù)器方案，使得計數(shù)時鐘頻率不受計數(shù) 位數(shù)的影響，理論上可通過延長輸入基準(zhǔn)頻率信號的周期，同時延長計數(shù)器位數(shù)來無限提 高鑒相精度；
[0030] (5)該鑒相器可W在可編程數(shù)字邏輯器件（例如FPGA)中實現(xiàn)，且輸入，輸出均為 數(shù)字量，便于構(gòu)成用于GI^S馴服晶振的全數(shù)字鎖相環(huán)電路，電路簡單，便于集成。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明實施例提供的用于GI^S馴服晶振的數(shù)字鑒相器的電路結(jié)構(gòu)及連接 圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明實施例提供的2分頻電路結(jié)構(gòu)與連接圖；
[0033] 圖3是本發(fā)明實施例提供的FPGA內(nèi)部集成的鎖相環(huán)，輸入壓控恒溫晶振頻率時 鐘，倍頻后為所有計數(shù)器提供高速時鐘；
[0034] 圖4是本發(fā)明實施例提供的上升沿延遲觸發(fā)電路1，2, 3,4, 5,6, 7的電路結(jié)構(gòu)及連 接圖；
[0035] 圖5是本發(fā)明實施例提供的高電平計數(shù)器1，低電平計數(shù)器2,相位差計數(shù)器1的 電路結(jié)構(gòu)及連接圖。

【具體實施方式】
[0036] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0037] 本發(fā)明將OCXO的輸出時鐘脈沖頻率信號（高頻）代替內(nèi)部PPS信號直接輸入到 鑒相器中，利用該高頻時鐘對Gl^s模塊輸出的PPS信號進行測量。并同時輸出頻率差值和 相位差值。
[003引頻率測量的基本原理是利用高頻時鐘對秒脈沖周期進行計數(shù)，計數(shù)值即頻率值， 與mz對應(yīng)的固定值做差即為頻率差值。為了提高頻率測量精度，OCXO輸入的高頻時鐘 可W通過一個內(nèi)部鎖相環(huán)電路進行倍頻；Gl^s模塊輸出的PPS信號要先經(jīng)過分頻后再進 行頻率測量，例如實例圖1中串聯(lián)了 4個2分頻電路，通過分頻電路后，mz信號被分頻為 0. 062甜Z，若設(shè)內(nèi)部計時時鐘頻率為200MHz，則頻率測量精度可達(dá)10-9。利用測量脈沖周期 的方法來測量頻率，具有較好的擾動抑制能力，為了進一步抑制邊沿抖動，頻率測量電路中 有兩個計數(shù)器并行工作，一個測量周期信號中的高電平脈寬，一個測量周期信號中的低電 平脈寬，兩個計數(shù)器交替工作，配合后續(xù)的低通濾波器，能較好的抑制邊沿的抖動。
[0039] 相位測量的基本原理是將內(nèi)部高頻時鐘分頻得到內(nèi)部PPS信號，測量內(nèi)部PPS信 號上升沿和外部PPS信號上升沿的時差，利用內(nèi)部高速計數(shù)器計數(shù)上升沿時差的時間長 度，然后輸出數(shù)值表示相位差，為了防止相位差出現(xiàn)負(fù)值，產(chǎn)生內(nèi)部PPS信號的分頻電路在 初始復(fù)位時，W GPS的PPS信號上升沿為起點，延時一段時間后再工作，便保證了內(nèi)部PPS 信號的上升沿固定延時外部PPS信號一段時長，使得相位偏差值始終為正值，將該值減去 一個固定延時對應(yīng)的固定相位值后，便可w轉(zhuǎn)換為帶正負(fù)符號的相位差。設(shè)內(nèi)部時鐘頻率 為200MHz，則秒脈沖的相位測量精度可W到1.8X1(T6°。相位差測量電路，除了輸入內(nèi)部 高頻時鐘，外部PPS信號，還接收頻率鎖定信號，當(dāng)初次頻率鎖定后可復(fù)位相位測量電路， 復(fù)位相位測量電路使得內(nèi)部PPS信號與GPS PPS信號同步，即復(fù)位后相位差被清零。在GPS PPS信號鎖定有源晶振的過程中，數(shù)字鎖相環(huán)先單純根據(jù)頻率偏差實現(xiàn)頻率鎖定，頻率鎖定 后復(fù)位相位測量電路后，再進入鎖相控制狀態(tài)。該種由鎖頻過渡到鎖相的方法，有效地避免 了單純鎖相環(huán)控制中出現(xiàn)相位超前滯后模糊的問題。
[0040] 鑒相器頻率差和相位差的測量精度主要取決于計數(shù)器的時鐘頻率，時鐘頻率越高 精度越高，但由于來自GPS的秒脈沖被分頻后周期較長，因此當(dāng)計數(shù)時鐘頻率較高時，需要 大容量的計數(shù)器（計數(shù)器位數(shù)32位W上）?，F(xiàn)有的脈寬測量都普遍采用了同步計數(shù)器，即 計數(shù)器中用于鎖存每位數(shù)值的觸發(fā)器都使用統(tǒng)一的時鐘，同步刷新，并使用統(tǒng)一的進位邏 輯傳播網(wǎng)絡(luò)并行計算計數(shù)值的每一位數(shù)據(jù)。同步計數(shù)器的優(yōu)點保證了并行輸出的計數(shù)值的 同步更新。但進位邏輯傳播網(wǎng)絡(luò)的延時隨著計數(shù)位數(shù)的增加而延長，給計數(shù)時鐘頻率帶來 了極大的限制，當(dāng)增加計數(shù)位數(shù)時，必須調(diào)低計數(shù)時鐘頻率。本發(fā)明中的鑒相器中的測量頻 率和相位差的計數(shù)器都被設(shè)計成了分時段工作，即計數(shù)工作一段時間，暫停一段時間，并且 計數(shù)時不讀取計數(shù)值，讀取計數(shù)值時不計數(shù)，所W采用計數(shù)器采用了串行計數(shù)器方案。串行 計數(shù)器方案中鎖存計數(shù)值的觸發(fā)器不使用同一個時鐘，而是高位觸發(fā)器時鐘來自于低位觸 發(fā)器的狀態(tài)輸出，所W計數(shù)時鐘頻率只受第0位單觸發(fā)器延時的限制，而不受計數(shù)器位數(shù) 限制，能夠在大容量，長位數(shù)的條件下，工作在更高的時鐘頻率。
[0041] 實施例一
[0042] 圖1是本專利的電路結(jié)構(gòu)及連接圖，輸入端為3路，第1路信號為來自GI^S模塊的 PPS信號，第2路信號為來自O(shè)CXO的高頻時鐘信號，第3路信號為來自鎖相環(huán)輸出的頻率粗 調(diào)鎖定狀態(tài)信號。輸出端為2路，第1路為數(shù)字量頻率值輸出，第2路為數(shù)字量相位差值輸 出。
[0043] 鑒相器可分為兩部分，圖1中上半部分為頻率測量電路，下半部分為相位測量電 路。其中頻率測量電路的連接和工作描述如下：外部輸入GPS_PPS信號的引腳連接到2分頻 電路1輸入端，2分頻電路起兩個作用，第一個作用是將外部PPS信號轉(zhuǎn)換為占空比為50 % 的方波脈沖信號，第二個作用是延長輸入秒脈沖的周期，W提高頻率測量精度。本實例串聯(lián) 了 4個2分頻電路，其中2分頻電路1的輸出連接到2分頻電路2的輸入，2分頻電路2的 輸出連接到2分頻電路3的輸入，2分頻電路3的輸出連接到2分頻電路4的輸入。2分頻 電路串聯(lián)級數(shù)取決于頻率測量精度的需求，可用公式（1)表示：
[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器，其特征在于，所述的用于GPS馴服晶振的數(shù)字 鑒相器包括鎖相環(huán)倍頻器、2分頻器、高電平脈沖寬度計數(shù)器、低電平脈沖寬度計數(shù)器、秒脈 沖分頻計數(shù)器、相位差計數(shù)器、頻率計數(shù)值鎖存器和相位誤差值鎖存器； 鎖相環(huán)倍頻器用于將外部高精度壓控恒溫晶體振蕩器OCXO的輸出時鐘信號的頻率進 行倍頻，倍頻后的數(shù)字時鐘信號連接到鑒相器中所有的計數(shù)器的時鐘引腳，作為所有計數(shù) 器的計數(shù)時鐘； 2分頻器連接外部GPS接收模塊輸出的PPS秒脈沖信號，輸出頻率為23k的占空比為 50 %的方波脈沖； 高電平脈沖寬度計數(shù)器時鐘由鎖相環(huán)倍頻器提供，輸入連接2分頻器的輸出，對高電 平脈寬進行計數(shù)，輸出連接頻率計數(shù)值鎖存器； 低電平脈沖寬度計數(shù)器時鐘由鎖相環(huán)倍頻器提供，輸入連接2分頻器的輸出，對低電 平脈寬進行計數(shù)，輸出連接頻率計數(shù)值鎖存器； 秒脈沖時鐘由鎖相環(huán)倍頻器提供，輸入連接外部提供的頻率鎖定使能信號，連接GPS 模塊輸出的PPS信號，通過分頻輸出內(nèi)部秒脈沖信號，連接到相位差計數(shù)器的輸入端； 相位差計數(shù)器時鐘由鎖相環(huán)倍頻器提供，輸入內(nèi)部秒脈沖信號和GPS模塊輸出的PPS 信號，計數(shù)兩者間上升沿的時間差，輸出相位差計數(shù)值，連接到相位誤差值鎖存器； 頻率計數(shù)值鎖存器和相位誤差值鎖存器同時輸出頻率值和相位誤差值，用于實現(xiàn)OCXO 晶振跟蹤GPS PPS信號的頻率，保證本地晶振頻率的高精度。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器，其特征在于，頻率計數(shù)器和相 位計數(shù)器同時工作，分別輸出頻率值和相位差值。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器，其特征在于，頻率計數(shù)器由高 電平計數(shù)器和低電平計數(shù)器兩部分組成，分時測量方波脈沖的高電平脈寬和電平脈寬。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器，其特征在于，輸入到相位計 數(shù)器的內(nèi)部秒脈沖信號，有由外部頻率鎖定信號復(fù)位，復(fù)位后內(nèi)部秒脈沖信號相對GPS PPS 信號產(chǎn)生一個固定時間延遲。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器，其特征在于，所有計數(shù)器的時 鐘都來自于需要跟蹤GPS PPS的可調(diào)晶振時鐘OCXO時鐘信號的倍頻信號。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于GPS馴服晶振的數(shù)字鑒相器，其特征在于，高電平脈沖寬度 計數(shù)器、低電平脈沖寬度計數(shù)器、相位差計數(shù)器均采用串行異步計數(shù)器電路，輸出的計數(shù)值 必須在計數(shù)器暫停計數(shù)并延時后讀取。
【文檔編號】H03L7/18GK104485947SQ201410843506
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】陳錕, 寧百齊, 朱正平, 孫奉婁, 藍(lán)加平, 胡連歡, 林鄧國 申請人:中南民族大學(xué)