開拓數控溫補晶體振蕩器DS4000在GPS中的應用

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摘要: 介紹GPS應用范圍及其接收機組成的工作原理和用溫補晶體振蕩器DS4000提供成為精密振蕩器的控制方法

關鍵詞：全球定位系統(tǒng) 溫補晶體振蕩器 接收機 信號處理器

1、前言

首先要對介入的GPS（全球定位系統(tǒng)）應用領域及其接收機作一介紹

1.1當GPS)已經得到了廣泛應用

該衛(wèi)星（多達27顆）網絡運行于非同步、近地軌道，覆蓋全球，保證了定位系統(tǒng)的運行。而GPS接收機至少需要鎖定4顆星，才能提供定位信息。這些衛(wèi)星廣播或發(fā)送的長系列碼（或數字組合）稱偽隨機碼?？赏ㄟ^已知的衛(wèi)星偽隨機碼、光速以及保持衛(wèi)星位置的查詢表等參數，GPS接收機就能夠計算出衛(wèi)星的傳輸時間，再將傳輸時間轉為距離。在多個衛(wèi)星(大于4)的條件下，通過求所三角方程就可以算出GPS接收機的位置，也提供了用戶的位置。

1.2 GPS接收機的應用范圍

可用于個人定位和定向的通用手持設備到航海、航空、勘探以及電信網絡中的定時同步等應用范圍。每種應用要求不同特性的接收機。例如，在通用手持設備應用中，接收機將利用4顆或更多的衛(wèi)星接收信號，并將其轉換為位置信息，該信息能夠連接至地圖數據庫，指示出陸地位置。而在航海和航空應用中，從衛(wèi)星接收信號中獲取的動態(tài)位置數據被導入船上或機上的導航系統(tǒng)，用于實時定位和定向。

1.3 GPS的另一個重要特性和應用

是提供相當精確的時間基準，如電信網絡中的同步、測試和測量設備的校準、航天觀測和氣象臺的同步、地震監(jiān)測以及用于公用電網的故障記錄儀等應用。對于同步和定時應用，衛(wèi)星信號的相位比信號承載的數據更為重要.

在那些優(yōu)先考慮時間同步的應用中，傳輸信號的相位差是最重要的。在電信網絡中，GPS同步引擎提供這類網絡的端到端定時。在為語音、視頻或時間要求嚴格的數據傳輸而運行網絡時，最為重要的是服務質量的要求。

而對于同步和定時要求來說，一個精密的頻率參考是至關重要的。最精確的時間和頻率的定義是基于銫原子，由銫光束標準產生精確的頻率。

是什么使GPS衛(wèi)星系統(tǒng)足夠滿足網絡同步要求的呢？每個GPS衛(wèi)星都有一個基于銫原子的時鐘源。這些非常精確的時鐘保證時間精確到每年之3ns內，精密時間再通過微波傳輸到GPS接收機。

1.4溫補晶體振蕩器的的作用

為了保證時間精確,GPS接收機還包括一個本地振蕩器，如源、溫控晶體振蕩器(OCXO)、或者溫補晶體振蕩器(TCXO)，作為一個嚴格控制的時鐘源，以維持短期和長期的時間精確和穩(wěn)定性。由于衛(wèi)星覆蓋世界范圍，所以使用GPS是一種精確、可行且經濟的方式，保證電信網絡的同步。大多供應商提供含有的設備，以支持系統(tǒng)的定時同步，如電信網絡、基站或其它要求時間苛刻的應用。

2 、GPS接收機分析

一個典型的GPS接收機包含如圖1所示的功能塊，它包括：射頻(RF)部分、GPS信號處理器和主處理器。其中RF部分包括：GPS天線、RF濾波器和GPS RF前端。RF部分接收衛(wèi)星信號，從載波頻率中分離出偽隨機碼，并將其送至GPS信號處理器，在多數現有的接收機中，前端部分+GPS信號處理器能夠同時處理4至12顆衛(wèi)星信號。這種并行處理的能力提供了更高的定位精度，縮短了輸出數據的時間。主處理器向用戶提供數據，可以通過一個GUI(圖象用戶接口)、顯示屏，或者其它操作系統(tǒng)途徑向用戶提供數據，至于何種途徑這取決于實際應用的要求。

在圖1的框圖中，存在2個振蕩源，包括REF(基準)晶體(或振蕩器)和RTC(實時時鐘)晶體。REF晶體或振蕩器可以相當精確或不精確，取決所使用的接收機。對振器器頻率的要求依賴于GPS前端所采用的專用產品標準(ASSP)。 典型范圍介于13MHz至30MHz之間，取決于生產廠家。REF振蕩器可以是銣源、OCXO、甚至TCXO。在這種情況下，主處理器將修正衛(wèi)星和接收機之間的任何定時滑動。

RTC晶體為捕捉過程提供實時時鐘信息，以在27顆衛(wèi)星群中捕獲不同的衛(wèi)星。通過關于衛(wèi)星位置信息的查詢表，RTC有助于提供一個鎖定所有可見衛(wèi)星的起始點。

3、溫補晶體振蕩器DS4000引入與方法

新款DS4000數控TCXO可提供1PPm精度，6PPm牽引量和編程頻率輸出用于無線應用、電信、衛(wèi)星通信和GPS特別理想.

DS4000數控TCXO超越了所有有關控制、成本、封裝和精度的性能標準.該器器件可保持頻率穩(wěn)定在lppm以內，并具有牽引范圍達6ppm的數字調諧能力和編程頻率輸出.可以提供雙路CMOS方波輸出.F1輸出提供固定的基頻,而F2輸出則提供基頻的256種不同整數分頻中的一種(見圖2所示).該器件工作于5V10%電源,采用萍薄型24引腳BGA封裝.

隨著DS4000數控溫補晶體振蕩器(TCXO)的引入， 一種新的校準REF振蕩器的控制方法應運而生。DS4000提供了精密的振蕩器，其獨特的性能是目前市場上眾多的TCXO所無法提供的。首先，DS4000經工廠校準后精度達到lppm之內；另外，它還提供+6ppm范圍、典型分辨率小于0.1PPm的數字牽引能力。

圖2是DS4000的框圖。該器件通過2線(SDA與SCL)串行數據口控制,(SDA與SCL均為數字頻率可調節(jié)的通信口)在這種方式下，通過使用微控制器，輸人數字代碼控制牽引量和精度?？梢栽O計專門的系統(tǒng)程序，不斷地調該器件的精度。在許多過時的TCXO設計中，這種要求只能通過人工調節(jié)，或通過一個電壓控制來完成。DS4000的數字牽引能力實現了生產過程中的自動校準，以及在應用現場的再校準。

該器件還有一個頻率輸出F2(可編程溫度補償方波輸出)，F2為基頻F1(固定頻率溫度補償方波輸出)的分數值。F2能夠被編程為基頻F1的1／256至255／256。當然，編程也是通過2線接口(SDA、SCL)完成的。DS4000的基頻范圍在10MHz至20MHz之間可選。F2輸出跟隨F1的頻率精度，精度也能夠達到1ppm之內。圖2 DS4000框圖展示出對于頻率牽引量、頻率輸出和溫度檢測的數字接口.

由于DS4000采用了Dallas Semicconductor專用的數字溫度測量技術，該器件也能夠作為溫度傳感器應用。溫度傳感器精度在2℃之內。該器件在-40℃至+85℃的整個工業(yè)溫度范圍內，保持其頻率精度(1ppm).

4、DS4000在GPS中的應用

由于DS4000具有較高的靈活性，所以它能夠用來為GPS應用中的REF晶體(XTAL)提供嚴格控制的振蕩器，以及在有些情況下，為GPS信號處理器或主處理器)提供32KHz給RTC XTAL輸入。圖3說明了DS4000在GPS接收機框圖中，履行了REF和RTC XTAL兩個晶體的角色。

對應用于圖3中基頻應作幾個假設：：首先是假設RTC XTAL輸入至GPS前端能夠采用16.384MHz的頻率輸入, 若此假設成立，則DS4000就能夠在F2輸出上產生GPS信號處理器的RTC所需要的32.768KHz頻率. 通過線接口SCL和SDA, 主處理器可以根據需要，設定頻率牽引量、F2頻率 輸出(32.768KHz)以及測量溫度.

5、結束語

GPS應用代表丁許多要求高精度時間源的應用之一。DS4000的靈活性尤其適用于那些特別注重定時精度和器件控制方式的應用。這是為什么呢？一般情況下，允許頻率調節(jié)的TCXO或OCXO，均要求作人工調節(jié)或提供一個外部電壓調節(jié)，但這種方案的缺點是：在人工調節(jié)TCXO或OCXO時需要人工干預；而在采用外部電壓調節(jié)時，設計人員必須保證控制電壓穩(wěn)定，以便使它不會影響振蕩器的輸出特性。而采用了DS4000就避免了上述二種調節(jié)中的不可靠性，這是因為在改變或牽引基頻時，只需要將數字量傳給Ds4000就可以了。

另外，由于DS4000提供兩個頻率 輸出(F1與F2), 其中一個是可編程的，如果所要求的第二個頻率F2通過整數相除后與F1相關，則用戶就能夠省掉第二個振蕩器RTC XTAL。還有，采用其數字控制接口，DS4000就能夠為設備的自動校準流程帶來好處，從而在產品壽命期限內，無須周期性地再校準設備。