基于GPS的高稳定频率源设计与实现

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《电子技术应用》2012年第38卷第1期
GPS （Global Positioning System ） 即全球定位系统[1 -2]，
是由美国在1973 年开始计划建立的一个卫星导航定位
系统， 已于1994 年完全进入运行状态。该系统具有民用
免费、接收机成本低、授时精度高等显著特点。
由于每个GPS 卫星上都装备有星载原子钟， 因此
GPS 时钟信号具有非常良好的频率准确度和长期稳定
度。GPS 接收机接收到的GPS 时钟与世界协调时(UTC)
保持高精度同步， 是当前世界上传播范围最广、精度最
高的时钟。GPS 系统同步时钟已广泛应用在对时间频率
有高要求的通信网和电力系统中[ 3-4]。
本文的设计方案就是利用具有非常良好的频率准
确度和长期稳定度优点的GPS 秒脉冲， 配合硬件电路设
计和软件程序设计， 自动控制VCXO 的频率稳定地输
出， 实现高稳定频率源的设计要求。
1 系统组成及工作原理
设计基于GPS 时钟信号的高稳定度频率源并不是
一件很容易的事， 原因在于GPS 信号在穿过电离层的过
程中， 会受到电离层非线性调制作用(幅度和相位)， 从
而使得电波传播的时延发生抖动甚至是跳变， 另外， 多
径时延、接收机的同步定时等因素也会使GPS 输出的秒
脉冲前沿发生跳动。如果直接将GPS 秒脉冲用于锁相环
的控制， 短期稳定度难以得到保证。尽管有上述不利因
素，GPS 信号的长期稳定度仍然是非常优良的， 设计的
关键在于通过引入具有初级智能的控制算法， 滤除GPS
信号的抖动， 使所设计的频率源短期稳定度和长期稳定
度满足设计指标的要求。
本文的设计方法结合硬件电路的基础， 通过对PC
上位机控制算法程序的设计， 方便实现对VCXO 频率的
实时、快速、自适应控制， 从而更好地实现高稳定频率信
号的输出。
1.1 系统组成
高稳定频率源系统在设计上采用“GPS 驯服压控晶
体振荡器” 的方法。主要包括GPS 接收机、微处理器、高
稳定度压控晶体振荡器VCXO (Voltage Control Crystal
Oscillator) 、CPLD 时序逻辑电路、网络数据传输电路、D/A
转换器和PC 机控制终端等。组成原理框图如图1 所示。
基于GPS 的高稳定频率源设计与实现
张书南, 蒋宇中, 苏凯, 刘月亮
(海军工程大学电子工程学院， 湖北武汉430033)
摘要: 介绍了一种基于GPS 的高稳定频率源设计方法。它利用GPS 秒脉冲具有良好的频率准确
度和长期稳定度的特点，结合VCXO、DSP 和CPLD 等构成控制电路，通过设计具有初级智能的控制算
法， 对VCXO 输出频率信号进行统计、分析和控制， 消除了GPS 信号的短期抖动， 最终实现了具有高
稳定度的频率输出。实验结果表明，该系统实现了设计的功能和要求，能稳定工作。
关键词: GPS； 秒脉冲； VCXO； 频率源
中图分类号: TP302 文献标识码: A 文章编号： 0258-7998(2012)01-0077-04
Design and implementation of high-stability frequency source based on GPS
Zhang Shunan, Jiang Yuzhong, Su Kai, Liu Yueliang
(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)
Abstract: This paper introduces design of high -stability frequency source based on GPS. The pulses per second signals of
GPS which has very good accuracy and long-stability with VCXO (Voltage Control Crystal Oscillator),DSP (Digital Signal Processor)
and CPLD (Complex Programmable Logic Device) to form a control circuit. Through the design of intelligent control algorithms with
primary, which is used for the statistical analysis and control of the output frequency of VCXO. The short-term jitter of GPS signal
is sieved .The frequency source finally output high-stability frequency. The experiment result shows that the system meets the functions
and the requirements of design and works reliably.
Key words: GPS; a pulse per second; VCXO; frequency source
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其中网络传输电路部分在最终的产品中并不出现， 它的
主要作用是为了方便研究和设计自动控制算法程序。
1.2 工作原理
GPS 接收机在锁定卫星信号后, 经处理产生高精准、
高稳定的秒脉冲信号（1PPS ） 。将1PPS 与VCXO 输出的
32 MHz 信号一起送到CPLD 中的计数器中， 以PPS 间隔
为基准对32 MHz 频率信号进行计数, 计数值通过DSP 和
网络传输到PC 机终端并进行显示。PC 上位机控制算法程
序自适应地对计数值与给定的频率值(如:设为32 000 000
Hz) 进行统计比较分析， 得到本地压控晶振频率信号的
误差， 对误差进行处理， 滤除GPS 秒脉冲抖动带来的不
利影响， 产生用于修正VCXO 输出频率的控制值， 并通
过网口传输到DSP, 经D/A 转换器变成VCXO 的压控电
压， 修正VCXO 的频率漂移， 迅速将VCXO 的频率信号
稳定在给定的频率值上。由于控制算法的编程灵活性和
自适应性， 可以使VCXO 在可控频率范围内迅速捕捉到
给定的任意频率， 并且一旦频率出现漂移也能迅速调整
至稳定输出状态， 从而实现高稳定频率源的要求。
2 硬件电路设计
2.1 GPS 信号接收模块
本系统采用HOLUX 公司生产的M－87 卫星接收模
块[ 5] 作为GPS 信号接收模块。它对于导航应用提供高
达－159 dBm 的灵敏度与快速的第一次定位时间。M－87
模块为32 通道接收机， 也就是说它可以搜寻多达32 个
卫星频道， 从而实现快速的定位。本系统用到模块输出
的PPS 秒脉冲信号， 只有当GPS 定位之后模块才会有秒
脉冲信号送出。
2.2 微处理器
本系统中采用美国TI 公司的TMS320VC5509A 芯片
作为控制系统运作的中心。VC5509A 是C55X 系列一款
典型的处理器[ 6]。在VC5509A 中集成了一个C55X 内核，
128 K×16 bit 片上RAM 存储器， 并且有最大8 M×16 bit
的外部寻址空间， 片上还集成了USB 总线、McBSP 和I2C
等外设接口[7]。它还具有先进的哈佛结构， 主频高达
200 MHz 。
2.3 CPLD 时序逻辑电路
计数电路的设计是该系统中比较重要的部分， 它完
成以秒脉冲间隔为基准对压控晶振频率信号进行计数
过程， 并且实现所有系统电路中的译码功能。计数电路
采用ALTERA 公司可编程逻辑器件构成。其中核心是一
个位宽25 bit 的计数器， 其电路如图2 所示。
GPS 秒脉冲信号通过D 触发器变成一个门信号后
和压控晶振频率信号进行与运算， 之后信号送入25 位
的计数器里计数， 从而得到每隔一秒钟对晶振频率信号
进行一秒钟的计数值。GPS_INT3 为DSP 中断信号，SET1
为DSP 置高电平信号，CLEARCN 为计数器清零信号。当
计数计完1 s 的时间后， 通过逻辑电路， 在下一个1 s
内， 产生一个低电平的中断信号给DSP， 让DSP 控制单
元将计数器中的计数值读走， 并且在读完数据后将计数
器清零， 最后将DSP 的中断信号回置为高电平， 从而准
备下一秒钟的计数。
2.4 D/A 转换器
本文中采用的D/A 转换器为AD9764 。AD9764 属于
TxDAC 系列高性能、低功耗CMOS 数模转换器（ADC） 的
14 位分辨率产品。具有灵活的单电源工作电压范围
（2.7 V~5.5 V） 和低功耗特性， 非常适合便携式和低功耗
应用。
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2.5 网络传输电路
本文采用RTL8019AS 作为网络传输电路的控制核
心。RTL8019AS 是一种全双工即插即用的以太网控制
器， 具有LED 指示功能， 收发可同时达到10 Mb/s 的速
率， 可以方便地与微处理器进行连接， 从而实现下位机
与PC 机的交互。
3 软件设计
DSP 软件使用C 语言编写。主程序首先对DSP 的有
关功能寄存器及外部周围部件、GPS 接收模块进行初始
化， 接着对PC 端进行初始化。主程序等待外部中断信
号， 并分析所读得的数据， 然后做出相应的处理。主程序
流程图如图3 所示。
中断服务程序即有秒脉
冲中断服务程序。秒脉冲中断
服务程序流程如图4 所示， 它
主要完成对计数器值的读取
和清零。
在程序设计中， 如何对
VCXO 的输出频率实现及时而
有效的控制是本系统所设计
的频率源的关键部分。本文所
设计的控制算法成功地解决
了这一问题。控制算法的流程如图5 所示。由于在统计
规律上讲， 用高精度PPS 对晶振信号进行计数， 晶振的
实际频率值就是计数器所测得的计数值的算术平均值
[ 8]。本文控制算法中提到的计数值就是N 个计数器测量
值的算术平均值，N 值越大，GPS 秒脉冲发生抖动后给
计数带来的误差也就越小， 计数的精度也就越高， 控制
的稳定度也就越高。该算法中， 首先将从CPLD 的计数
器中读取的测量值放在长度为N 的循环队列中， 对队
列中的数取算术平均得到计数值， 通过对计数值与标准
值比较， 计算出两者的误差ave 。然后通过判断误差ave
的方向， 调整步长Step ， 从而调节控制值的改变量， 再经
过D/A 转换为可以修正VCXO 频率输出的电压量， 调整
VCXO 的输出频率接近标准值。如果VCXO 的频率输出
还没有达到标准值或者是已经输出标准值后由于某种
原因发生了漂移则程序重新返回到控制的起点， 重新对
频率进行修正、控制， 最终实现对VCXO 输出频率的自
动控制， 让VCXO 随着时间的推移自动地稳定地输出标
准频率值。
4 系统实现与结果
在上述硬件和软件设计的基础上， 通过在上位机编
写的控制算法程序， 最终灵活地实现了对压控晶振频率
信号的控制。实验测试数据表明， 在系统上电运行的过
程中， 频率首先在不断地变化， 不断地捕捉标准值， 这就
是频率的捕捉状态； 随着时间的推移， 频率慢慢稳定在
标准值附近， 最终锁定标准值， 输出频率趋于稳定， 这就
是频率的稳定状态。在这个频率锁定过程中， 对PC 端
上位机控制算法进行改进， 通过对步长Step 进行调整，
得到了不同的锁定过程与状态， 主要是捕捉态和进入稳
定状态的时间不同， 但最终都稳定地输出了标准频率
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图6 控制过程中计数值与标准值（32 MHz） 的误差曲线
图8 控制过程中VCXO 输出频率曲线
图7 控制过程中控制值曲线
值。实验中标准值f=32 000 000 Hz ， 实验结果如图6、
图7、图8 所示。其中方法一比较稳定但捕捉频率时间
太长，4 min 以后才开始进入稳定状态； 方法二频率能迅
速接近标准值， 但在给出的时间内状态不是很稳定， 它
需要更多的时间来让频率输出稳定值； 方法三是一种综
合前两种方法考虑的既快速又稳定的控制算法，2 min
以内迅速进入稳定状态并且一直保持在稳定状态中。
本文基于高精度GPS 接收模块、DSP、CPLD、压控晶
体振荡器及PC 上位机控制算法等技术， 研究并实现了
高稳定频率信号产生的方法。GPS 秒脉冲有良好的精度
和长期稳定度高的特点， 但其短期稳定度却受到各种因
素的局限， 因此在本系统中基于GPS 的频率源在保持秒
脉冲长期稳定度的前提下， 通过设计具有自适应功能的
初级智能控制算法， 减小由于GPS 信号跳变带来的误
差， 从而提高频率的稳定度， 最终实现高稳定频率源的
设计初衷， 完成了设计目的和要求。本文设计中采用较
为廉价的VCXO 作为频率源， 如果使用TCXO、OCXO 作
为频率源， 还可以满足对频率的更高要求。
参考文献
[1] 李明峰, 冯宝红, 刘三枝.GPS 定位技术及其应用[M]. 北
京:国防工业出版社,2006.
[2] 牛鱼龙.GPS 知识与应用[M]. 深圳: 海天出版社,2005.
[3] CONLEY R, LAVRAKAS J W. Global implications on the
removal of selective availability[C].Proceedings of the 2000
IEEE Position Location and Navigation Symposium, Mar
13-16,2000,San Diego,CA,USA.Piscaraway,NJ,USA:IEEE,
2000:506-513.
[4] 金湘力.全球定位系统在电力电站中的应用[J]. 电力系
统通信,2005,26(149):23-25.
[5] HOLUX Technology, Inc. GPS Engine Board M-87 Specification[
Z]. 2007.
[6] TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor[Z].
Texas Instruments Company, 2003.
[7] 汪春梅, 孙洪波. TMS320VC55x DSP 原理及应用[M]. 北
京:电子工业出版社,2008:30-31.
[8] 吴宁, 潘小龙, 虞皆侠. 高精度GPS 同步时钟的研究与实
现[J].电力系统自动化,2008,32(10):61-65.
( 收稿日期：2011-08-30)
作者简介：
张书南， 男，1988 年生， 硕士研究生， 主要研究方向： 通
信理论与技术。
蒋宇中， 男，1963 年生， 教授， 博士生导师， 主要研究方
向： 通信信号处理。
苏凯， 男，1987 年生， 硕士研究生， 主要研究方向： 短波
通信理论与技术。
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