基于北斗秒脈沖的多種同步信號源設計

陳俊江 楊建國 傅瑞峰 黃旭方

摘 要： 現代通信系統對頻率源的精度、分辨率、轉換時間及頻譜純度等提出了越來越高的要求，性能卓越的頻率源均通過頻率合成技術來實現。設計了一種基于74HCT4046A的電荷泵鎖相環頻率源電路。通過接收北斗衛星發送的1 Hz方波輸入信號，對輸入的秒脈沖進行有效性鑒定后，對本地頻率信號進行校正，實現信號的同步，再輸出高穩定性和高精度的同步信號。

關鍵詞： 秒脈沖； 74HCT4046A； 同步； 電荷泵鎖相環； 頻率源電路； 頻率合成技術

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）13?0163?05

Abstract： The high requirement of modern communication system is put forward for the frequency source precision， resolution， conversion time and spectrum purity. The frequency source with superior performance is realized by means of the frequency synthesis technology. A charge pump phase?locked loop frequency source circuit based on 74HCT4046A was designed in this paper. By receiving the square wave input signal of 1 Hz sent by Beidou satellite， the input pulse per second is distinguished effectively， and then the local frequency signal is corrected to realize the signal synchronization and output the synchronous signal with high stability and precision.

Keywords： pulse per second； 74HCT4046A； synchronization； charge pump phase?locked loop； frequency source circuit； frequency synthesis technology

0 引 言

衛星授時是一種高精度可靠的時間同步方法，中國北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我國自行研制的全球衛星定位與通信系統，通過遠距離接收北斗時間頻率信號作為一個標準頻率參考源，與本地的一個振蕩器頻率通過頻率校準實現高穩、高精度的頻率信號，具有成本低、效率高的特點[1]。

隨著科技水平的進步，數據處理速度越來越快，對系統時鐘精度以及同步性的要求變得越來越高。由于本地晶振具有短時穩定性，衛星信號的秒脈沖具有長時間穩定性，所以將本地晶振與衛星信號的秒脈沖相結合進行授時，被認為是能同時滿足高精度和同步的最優選擇，從而實現具有高穩定性和高精度的同步時鐘源[2]。

本文設計了一種基于北斗衛星導航系統的鎖相頻率源，總體思路是采用鎖相環頻率合成技術合成北斗的時間頻率信號和本地振蕩器的頻率信號，以使合成頻率源同時具有良好的長期穩定度和短期穩定度。先分析北斗接收機秒脈沖信號的隨機誤差，然后利用74HCT4046A的電荷泵鎖相環將北斗接收機輸出的時間脈沖信號與本地一個高穩、高精度晶振的頻率信號合成，再通過分頻器生成多種同步信號源，實現長期穩定度和短期穩定度皆優的頻率源。

1 頻率源設計

頻率源設計的整體框架由一個鎖相環系統和一個輸出選擇模塊構成，如圖1所示。

1） 鑒相器（PD）的作用是將輸入兩路信號的相位進行比較，然后將相位差信號通過轉換器變成電壓信號輸出。系統的輸入信號是秒脈沖信號，可采用鎖相環集成芯片74HCT4046的PC2口，芯片中的鑒相器具有電荷泵輸出功能。

2） 環路濾波器（LPF）是鎖相環電路設計中最主要的部分，該濾波器主要對環路中的噪聲進行濾波，將鑒相器輸出的相位差信號平均化，從而達到整個環路的動態平衡穩定。同時根據不同的輸出特性和要求對濾波器進行不同的設計，目前廣泛應用的有有源濾波器和無源濾波器兩種。相對無源濾波器，有源濾波器具有更高的增益輸出，而無源濾波器設計相對比較簡單，無源濾波器又分為低階和高階濾波器，本文給出無源二階濾波器的具體設計方法。

3） 壓控振蕩器（VCO）在鎖相環電路中輸出一個頻率信號，該頻率信號輸出受壓控振蕩器輸入電壓動態控制，該輸出頻率和輸入電壓滿足線性關系。因此可以根據輸出的頻率要求設置輸入電壓參數，本文根據74HCT4046壓控振蕩器輸出的中心頻率和外部器件關系曲線圖來設計其外部的輸入情況，從而實現輸出高精度、穩定性好的輸出信號頻率。

4） 可變程序分頻器的作用是使壓控振蕩器的輸出頻率經分頻后再與參考頻率進行相位比較，從而產生誤差控制電壓，并以誤差控制電壓來調整壓控振蕩器的相位。本文輸入的基準頻率信號是北斗接收機輸出的1 kHz信號，壓控振蕩器輸出為10 MHz的反饋信號頻率，因此利用反饋分頻器將10 MHz的反饋[3]信號進行10 000分頻可得到秒脈沖，這里采用多片計數器74LS390B級聯進行分頻器設計。