一種同播發射機的基準頻率源設計

(成都信息工程學院，成都 610225)

1 引 言

無線同頻同播系統是在一個區域內建立多個同頻中轉臺，并利用鏈路將這些中轉臺連接起來，每個中轉臺負責一定范圍的覆蓋。這樣，利用多個同頻中轉臺和鏈路就可完成大范圍同播覆蓋的目的。無線同頻同播系統以其占用頻率少、覆蓋范圍大、投資低、建網快等特點，近幾年來在公安、消防、城市應急聯動等專業無線通信網中得到了廣泛應用。但是，這種組網形式不可避免地會引起同頻干擾。為了有效抑制同頻干擾，必須使各中轉臺發射機的載頻頻率穩定度達到1×10-8(一級頻率標準)，并采用話音判選、話音延遲處理等技術，確保中轉臺轉發信號的載頻精度、頻率偏移、音頻參數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，同播發射機的基準頻率源通常可采用恒溫晶體振蕩器(OCXO)(在-20℃～+70℃溫度范圍內，長期頻率穩定度為5×10-9)、銣原子振蕩器(3×10-10)、全球衛星定位系統(GPS)(5×10-10)等[1]。采用OCXO雖然也能滿足同播發射機頻率穩定度的要求，但要進一步提高指標存在一定技術難度。而高指標的原子鐘因成本和國外禁運等原因尚不能夠普遍運用，采用GPS定時信號來實現高穩定度的基準頻率源無疑是一個很好的途徑。

目前，國內外應用GPS時鐘作時間、頻率同步信號的領域有很多，但針對同播系統的應用還很少。本文針對普通調頻FM制式的發射機，根據數字鎖相原理，提出了一種利用 GPS 秒時鐘來修正晶體振蕩器頻率，獲得高穩定度基準頻率源，從而將普通FM制式的發射機升級為同播發射機的方法。

2 GPS秒時鐘和數字鎖相環

全球衛星定位系統(GPS)是一個覆蓋全球的導航、授時和定位系統，每顆GPS衛星上都裝備有星載原子鐘，各監測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時間基準具備非常良好的頻率準確度和長期穩定度，GPS時鐘已成為世界上傳播范圍最廣、精度最高的時間發布系統之一[2-3]。但是，美國對民用用戶不承擔責任，不保證民用GPS 時鐘的精度和可靠性。而且，由于民用 GPS 接收機接收到的GPS 時鐘因星歷誤差、衛星鐘差、電離層誤差、對流層誤差、多徑誤差、接收機誤差、跟蹤衛星過少等因素的影響，秒脈沖前沿跳動較大，短期穩定度難以得到保證，如在衛星失鎖或衛星時鐘實驗跳變的條件下，GPS 時鐘誤差達幾十甚至上百毫秒[4]。通常，該指標由接收機生產廠家給出，并且不同廠家的接收機定時性能可能會有差異。通過對不同廠家的GPS接收機的秒脈沖定時信號實測表明，GPS秒脈沖誤差呈鋸齒狀，短期內有跳變，一般在±1 μs以內，對應的頻率穩定度或定時誤差一般在10-7量級；但長期看并無漂移，長時間的平均值在0值附近[5]。

與GPS時鐘相比，原子鐘、晶振時鐘等短期穩定性較高，單個時間間隔的漂移非常小，但長時間運行的累計誤差較大[6-7]，而GPS秒時鐘的累計誤差較小，所以可以參考GPS秒時鐘對晶振時鐘的累計誤差進行修正。

數字鎖相環組成框圖如圖1所示，它由數字鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器3個電路部件組成[8]。數字鎖相環的主要作用是實現輸出與輸入信號之間嚴格的相位同步，當環路進入鎖定狀態時，壓控振蕩器輸出信號u2與環路的輸入信號u1(參考信號)之間便保持極小的相位差，而沒有頻差存在，即輸出信號與輸入信號的頻率一致，其頻率穩定度也一致。本文借鑒這一原理來實現高穩定度頻率源，用GPS秒脈沖作為參考信號，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誤差，又能消除晶體振蕩器的累計誤差，從而獲得與GPS秒脈沖相同穩定度的信號。

圖1 數字鎖相環一般組成Fig.1 The general structure of digital phase-locked loop

3 高穩定度基準頻率源的組成與工作原理

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

3.1 設備組成

高精度基準頻率源在設計上采用“GPS+DPLL”的方案，其組成包括GPS 接收機、微處理器、數字鑒相器、12 MHz的VCXO、D/A轉換器、分頻器、環路濾波器等。設備組成框圖如圖2所示。

圖2 高穩定度基準頻率源的組成圖Fig.2 Composition of high-stability reference frequency source

GPS 接收機采用美國Rockwell公司的Jupiter GPS OEM板，該OEM板內部帶有平滑處理軟件和專用算法，其靜態漂移為零，秒脈沖精度為30～100 ns；微處理器采用美國STC公司的高速STC12C5A60S2單片機；數字鑒相器和分頻器用Altera公司的CPLD-EPM7128實現；D/A轉換器采用美國Maxim公司的電壓輸出12位串行數據數模轉換器MAX531； 環路濾波器采用三階RC低通濾波器；VCXO采用Kinseki公司的KSS 12 MHz 壓控晶體振蕩器，其長期頻率穩定度為±1×10-7，短期頻率穩定度為±1×10-9；LED由4個發光二極管(LED)構成，在微處理器的控制下，分別指示GPS、DPLL的鎖定狀態以及DPLL在鎖定過程中頻率的遞增和遞減狀態。

3.2 工作原理

在開啟GPS接收機前，調節VCXO的自由振蕩頻率為12 MHz±5 Hz，以確保環路在開啟時能快速、準確地鎖定在12 MHz。GPS接收機接收衛星信號并經處理后，產生秒脈沖信號(1 PPS)以及接收天線位置坐標、時間、衛星狀態和GPS 接收機的狀態等信息，并從串口輸出至微處理器串口。微處理器根據接收的GPS信息，確定GPS接收機是否正常工作，通常以GPS接收機鎖定的衛星數大于3顆為正常工作。

初，呂夷簡罷相，夏竦授樞密使，復奪之，代以杜衍，同時進用富弼、韓琦、范仲淹在二府，歐陽修等為諫官。石介作慶歷圣德詩，言進賢退奸之不易。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接收機正常工作狀態下，微處理器指示鎖相環工作于跟蹤狀態或鎖定狀態，VCXO輸出的12 MHz信號經分頻器1進行240分頻后得到50 kHz的脈沖，再輸入到數字鑒相器與GPS接收機輸出的1 PPS秒脈沖進行相位比較，其相位差經微處理器和D/A轉換后變成VCXO的壓控電壓，調整VCXO的輸出頻率，修正VCXO因老化引起的頻率漂移，實現本地輸出的頻率信號與GPS秒脈沖信號嚴格同步，取得良好的長期穩定度特性，進而實現高穩定度的基準頻率源。

通過設置分頻器2的分頻比可以獲得不同頻率的基準信號，該基準信號可以送到FM發射機PLL頻率合成器的鑒相器輸入端，作為參考信號使用，從而使發射機具有與基準頻率源相同的頻率穩定度。

在GPS接收機工作不正常，如衛星部分或全部失鎖時，微處理器設置設備工作于保持狀態，此時環路維持保持狀態開始之前、跟蹤狀態下最后一個D/ A 變換器輸出的VCXO壓控電壓值數據不變。此時，輸出信號的頻率穩定度依賴于所使用的VCXO的頻率穩定度，所以VCXO的穩定度也要盡可能高。由于同播發射機一般固定放置在較高位置，這種情況出現的幾率不高，且持續時間也不長，對民用通信系統來說是可以接受的。當微處理器重新檢測到1 PPS秒脈沖時，解除保持狀態，鎖相環可快速進入鎖定狀態。

3.3 電路實現

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

根據上述原理，本文設計并實現了一種基于GPS的高穩定度基準頻率源，其電路原理圖如圖3所示。

基于CPLD-EPM7128的鑒相器是高穩定度基準頻率源的關鍵部件，除完成相位比較器的功能外，還要測量相位誤差脈沖的脈寬。來自GPS 接收機的1 PPS秒脈沖輸入到CPLD的Pin68腳，VCXO的輸出接到CPLD的Pin83腳。經分頻、鑒相和脈沖計數后，將相位誤差信號以8位并行數據方式從CPLD的 Pin17～25腳輸出到微處理器STC12C5A60S2的P2口。微處理器進行并/串轉換后，由STC12C5A60S2的P3.4輸入到D/A轉換器Max531的Pin2腳，經DAC轉換后在Max531的Pin12腳得到根據相位差每秒變化一次的直流電壓。該電壓經由R6、R7、R8、C2、C3、C4構成的環路濾波器后形成VCXO的控制電壓，調整VCXO的頻率輸出。在ADS中對這個環路濾波器進行了仿真分析，其幅頻特性如圖4所示。

圖4 環路濾波器幅頻特性的ADS仿真結果Fig.4 ADS simulation results of loop filter amplitude-frequency characteristics

為了指示設備的工作狀態，使用了4個發光二極管。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用于指示鎖相環在捕獲過程中環路VCXO輸出頻率增高和降低的情況，這4個LED均受單片機控制。

4 設計要點

4.1 數字鑒相器

數字鑒相器將每一個1 PPS秒脈沖的上升沿與其后最接近的50 kHz信號的第一個上升沿時間比較，并且產生一個相位誤差脈沖，其寬度精確地等于兩者的時間差，即在每一個1 PPS秒脈沖的開始時產生一個相位誤差脈沖，而其脈沖寬度可以從零(當兩個信號完全同步時)到理論上的最大值10 μs(兩個信號在50 kHz信號的一個周期內部同步)之間變化。如圖5所示，Jupiter GPS OEM板輸出的1 PPS秒脈沖信號其高電平持續時間為25.6 ms。

圖5 數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 控制電壓的產生

為了測試誤差脈沖寬度，從微處理器引入了一個約11.059 2 MHz的時鐘信號作計數脈沖信號。當誤差脈沖信號為高電平時，允許計數器開始對計數脈沖計數，計數脈沖的個數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，計數器會得到不同數量的“11.059 2 MHz脈沖”。如誤差脈沖寬度為10 μs，計數脈沖個數為111；如誤差脈沖寬度為8 μs，計數脈沖個數為88。計數器準確地在每個1 PPS秒脈沖結束時復位。

引入11.059 2 MHz計數脈沖的好處是可以減小D/A轉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時有效。換句話說，鎖相環頻率鎖定能力是從12 MHz開始的，按頻率差每240 Hz及其整倍數加以區別。這就意味著，在設置這個基準頻率源時要調整主振蕩器的自由振蕩頻率在12 MHz±120 Hz之內，否則，鎖相環就會將鎖定頻率定為11.999 76 MHz或12.000 24 MHz，不是正確的頻率了。啟動時如果VCXO偏移12 MHz較大，此時利用數字鎖相原理進行調整的時間是不能容忍的，應采用輔助手段在啟動時實現鎖相環的快速鎖定。所以在開啟GPS接收機前，需調節VCXO的自由振蕩頻率為12 MHz±5 Hz，以確保環路在開啟時能快速、準確地鎖定在12 MHz。

5 實驗測試

按照本文提出的方法，筆者制作了一套高穩定度基準頻率源，并用此基準頻率源替代了日本KYODO生產的FM中繼臺KG110中的12 MHz溫度補償晶體振蕩器(TCXO)。對已改造的發射機和未改造的發射機進行了24 h老化對比實驗，之后又在不接GPS天線時對改造后的發射機進行了老化實驗。實驗時發射機的工作頻率均為450 MHz，并用同一臺專用頻率計觀測其頻率的變化。測試結果表明，未改造的發射機頻率漂移量為568 Hz，對應的頻率穩定度為568/450×106≈1×10-6；改造后的發射機接GPS接收機時，頻率漂移量為1 Hz，對應的頻率穩定度為1/450×106≈2×10-9；不接GPS接收機時，頻率漂移量為48 Hz，對應的頻率穩定度為48/450×106≈1×10-7。

可見，本文提出的方法能夠有效地提高發射機的頻率穩定度，完全能夠滿足同頻同播系統對同播發射機的要求。

6 結束語

本文根據GPS秒時鐘無累計誤差和晶振時鐘累計誤差較大、無隨機誤差的特點，提出了一種利用GPS秒時鐘修正晶振頻率實現高穩定度基準頻率源的方法。該方法所產生的基準頻率源具有較高的頻率穩定度，且實現過程簡單，完全能滿足同播發射機的要求。目前，這種基于GPS的高穩定度頻率源已應用于部分同播系統中，下一步將進一步研究GPS失鎖時如何修正VCXO的頻率漂移問題，使基準頻率源既充分利用GPS又不完全依賴GPS，以滿足同播系統和其它應用系統的需求。

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