一种同播发射机的基准频率源设计

(成都信息工程学院，成都 610225)

1 引 言

无线同频同播系统是在一个区域内建立多个同频中转台，并利用链路将这些中转台连接起来，每个中转台负责一定范围的覆盖。这样，利用多个同频中转台和链路就可完成大范围同播覆盖的目的。无线同频同播系统以其占用频率少、覆盖范围大、投资低、建网快等特点，近几年来在公安、消防、城市应急联动等专业无线通信网中得到了广泛应用。但是，这种组网形式不可避免地会引起同频干扰。为了有效抑制同频干扰，必须使各中转台发射机的载频频率稳定度达到1×10-8(一级频率标准)，并采用话音判选、话音延迟处理等技术，确保中转台转发信号的载频精度、频率偏移、音频参数等满足抑制同频干扰的要求。为了满足载频精度和频率偏移的要求，同播发射机的基准频率源通常可采用恒温晶体振荡器(OCXO)(在-20℃～+70℃温度范围内，长期频率稳定度为5×10-9)、铷原子振荡器(3×10-10)、全球卫星定位系统(GPS)(5×10-10)等[1]。采用OCXO虽然也能满足同播发射机频率稳定度的要求，但要进一步提高指标存在一定技术难度。而高指标的原子钟因成本和国外禁运等原因尚不能够普遍运用，采用GPS定时信号来实现高稳定度的基准频率源无疑是一个很好的途径。

目前，国内外应用GPS时钟作时间、频率同步信号的领域有很多，但针对同播系统的应用还很少。本文针对普通调频FM制式的发射机，根据数字锁相原理，提出了一种利用 GPS 秒时钟来修正晶体振荡器频率，获得高稳定度基准频率源，从而将普通FM制式的发射机升级为同播发射机的方法。

2 GPS秒时钟和数字锁相环

全球卫星定位系统(GPS)是一个覆盖全球的导航、授时和定位系统，每颗GPS卫星上都装备有星载原子钟，各监测站和主控站也都装备有高性能的铯原子钟组。主控站上的主钟又与USNO(United States Naval Observatory)的主钟之间始终保持精密的同步。因此，GPS时间基准具备非常良好的频率准确度和长期稳定度，GPS时钟已成为世界上传播范围最广、精度最高的时间发布系统之一[2-3]。但是，美国对民用用户不承担责任，不保证民用GPS 时钟的精度和可靠性。而且，由于民用 GPS 接收机接收到的GPS 时钟因星历误差、卫星钟差、电离层误差、对流层误差、多径误差、接收机误差、跟踪卫星过少等因素的影响，秒脉冲前沿跳动较大，短期稳定度难以得到保证，如在卫星失锁或卫星时钟实验跳变的条件下，GPS 时钟误差达几十甚至上百毫秒[4]。通常，该指标由接收机生产厂家给出，并且不同厂家的接收机定时性能可能会有差异。通过对不同厂家的GPS接收机的秒脉冲定时信号实测表明，GPS秒脉冲误差呈锯齿状，短期内有跳变，一般在±1 μs以内，对应的频率稳定度或定时误差一般在10-7量级；但长期看并无漂移，长时间的平均值在0值附近[5]。

与GPS时钟相比，原子钟、晶振时钟等短期稳定性较高，单个时间间隔的漂移非常小，但长时间运行的累计误差较大[6-7]，而GPS秒时钟的累计误差较小，所以可以参考GPS秒时钟对晶振时钟的累计误差进行修正。

数字锁相环组成框图如图1所示，它由数字鉴相器、环路滤波器和压控振荡器3个电路部件组成[8]。数字锁相环的主要作用是实现输出与输入信号之间严格的相位同步，当环路进入锁定状态时，压控振荡器输出信号u2与环路的输入信号u1(参考信号)之间便保持极小的相位差，而没有频差存在，即输出信号与输入信号的频率一致，其频率稳定度也一致。本文借鉴这一原理来实现高稳定度频率源，用GPS秒脉冲作为参考信号，电压控制晶体振荡器(VCXO)作为压控振荡器，既能保持晶体振荡器较小的随机误差，又能消除晶体振荡器的累计误差，从而获得与GPS秒脉冲相同稳定度的信号。

图1 数字锁相环一般组成Fig.1 The general structure of digital phase-locked loop

3 高稳定度基准频率源的组成与工作原理

一般FM发射机的信号源采用“TCXO+PLL”形式，其频率稳定度在±5×10-6左右，显然满足不了同播发射机1×10-8的要求。要将普通的FM发射机用作同播发射机，只需将FM发射机中的TCXO用本文提出的高稳定度基准频率源替代即可。

3.1 设备组成

高精度基准频率源在设计上采用“GPS+DPLL”的方案，其组成包括GPS 接收机、微处理器、数字鉴相器、12 MHz的VCXO、D/A转换器、分频器、环路滤波器等。设备组成框图如图2所示。

图2 高稳定度基准频率源的组成图Fig.2 Composition of high-stability reference frequency source

GPS 接收机采用美国Rockwell公司的Jupiter GPS OEM板，该OEM板内部带有平滑处理软件和专用算法，其静态漂移为零，秒脉冲精度为30～100 ns；微处理器采用美国STC公司的高速STC12C5A60S2单片机；数字鉴相器和分频器用Altera公司的CPLD-EPM7128实现；D/A转换器采用美国Maxim公司的电压输出12位串行数据数模转换器MAX531； 环路滤波器采用三阶RC低通滤波器；VCXO采用Kinseki公司的KSS 12 MHz 压控晶体振荡器，其长期频率稳定度为±1×10-7，短期频率稳定度为±1×10-9；LED由4个发光二极管(LED)构成，在微处理器的控制下，分别指示GPS、DPLL的锁定状态以及DPLL在锁定过程中频率的递增和递减状态。

3.2 工作原理

在开启GPS接收机前，调节VCXO的自由振荡频率为12 MHz±5 Hz，以确保环路在开启时能快速、准确地锁定在12 MHz。GPS接收机接收卫星信号并经处理后，产生秒脉冲信号(1 PPS)以及接收天线位置坐标、时间、卫星状态和GPS 接收机的状态等信息，并从串口输出至微处理器串口。微处理器根据接收的GPS信息，确定GPS接收机是否正常工作，通常以GPS接收机锁定的卫星数大于3颗为正常工作。

初，吕夷简罢相，夏竦授枢密使，复夺之，代以杜衍，同时进用富弼、韩琦、范仲淹在二府，欧阳修等为谏官。石介作庆历圣德诗，言进贤退奸之不易。奸，盖斥夏竦也，竦衔之。而仲淹等皆修素所厚善，修言事一意径行，略不以形迹嫌疑顾避。竦因与其党造为党论，目衍、仲淹及修为党人。［1］3580

在GPS接收机正常工作状态下，微处理器指示锁相环工作于跟踪状态或锁定状态，VCXO输出的12 MHz信号经分频器1进行240分频后得到50 kHz的脉冲，再输入到数字鉴相器与GPS接收机输出的1 PPS秒脉冲进行相位比较，其相位差经微处理器和D/A转换后变成VCXO的压控电压，调整VCXO的输出频率，修正VCXO因老化引起的频率漂移，实现本地输出的频率信号与GPS秒脉冲信号严格同步，取得良好的长期稳定度特性，进而实现高稳定度的基准频率源。

通过设置分频器2的分频比可以获得不同频率的基准信号，该基准信号可以送到FM发射机PLL频率合成器的鉴相器输入端，作为参考信号使用，从而使发射机具有与基准频率源相同的频率稳定度。

在GPS接收机工作不正常，如卫星部分或全部失锁时，微处理器设置设备工作于保持状态，此时环路维持保持状态开始之前、跟踪状态下最后一个D/ A 变换器输出的VCXO压控电压值数据不变。此时，输出信号的频率稳定度依赖于所使用的VCXO的频率稳定度，所以VCXO的稳定度也要尽可能高。由于同播发射机一般固定放置在较高位置，这种情况出现的几率不高，且持续时间也不长，对民用通信系统来说是可以接受的。当微处理器重新检测到1 PPS秒脉冲时，解除保持状态，锁相环可快速进入锁定状态。

3.3 电路实现

图3 高稳定度基准频率源的电路原理图Fig.3 Circuit schematic diagram of high-stability reference frequency source

根据上述原理，本文设计并实现了一种基于GPS的高稳定度基准频率源，其电路原理图如图3所示。

基于CPLD-EPM7128的鉴相器是高稳定度基准频率源的关键部件，除完成相位比较器的功能外，还要测量相位误差脉冲的脉宽。来自GPS 接收机的1 PPS秒脉冲输入到CPLD的Pin68脚，VCXO的输出接到CPLD的Pin83脚。经分频、鉴相和脉冲计数后，将相位误差信号以8位并行数据方式从CPLD的 Pin17～25脚输出到微处理器STC12C5A60S2的P2口。微处理器进行并/串转换后，由STC12C5A60S2的P3.4输入到D/A转换器Max531的Pin2脚，经DAC转换后在Max531的Pin12脚得到根据相位差每秒变化一次的直流电压。该电压经由R6、R7、R8、C2、C3、C4构成的环路滤波器后形成VCXO的控制电压，调整VCXO的频率输出。在ADS中对这个环路滤波器进行了仿真分析，其幅频特性如图4所示。

图4 环路滤波器幅频特性的ADS仿真结果Fig.4 ADS simulation results of loop filter amplitude-frequency characteristics

为了指示设备的工作状态，使用了4个发光二极管。GPS-LOCK 用于指示GPS是否正常工作，PLL-LOCK用于指示PLL是否锁定，PLL-UP和 PLL-DOWN用于指示锁相环在捕获过程中环路VCXO输出频率增高和降低的情况，这4个LED均受单片机控制。

4 设计要点

4.1 数字鉴相器

数字鉴相器将每一个1 PPS秒脉冲的上升沿与其后最接近的50 kHz信号的第一个上升沿时间比较，并且产生一个相位误差脉冲，其宽度精确地等于两者的时间差，即在每一个1 PPS秒脉冲的开始时产生一个相位误差脉冲，而其脉冲宽度可以从零(当两个信号完全同步时)到理论上的最大值10 μs(两个信号在50 kHz信号的一个周期内部同步)之间变化。如图5所示，Jupiter GPS OEM板输出的1 PPS秒脉冲信号其高电平持续时间为25.6 ms。

图5 数字鉴相器相位比较波形示意图Fig.5 Waveform diagram of phase comparison in digital phase detector

4.2 控制电压的产生

为了测试误差脉冲宽度，从微处理器引入了一个约11.059 2 MHz的时钟信号作计数脉冲信号。当误差脉冲信号为高电平时，允许计数器开始对计数脉冲计数，计数脉冲的个数正比于误差脉冲宽度，即正比于相位差。由于误差脉冲宽度的变化，计数器会得到不同数量的“11.059 2 MHz脉冲”。如误差脉冲宽度为10 μs，计数脉冲个数为111；如误差脉冲宽度为8 μs，计数脉冲个数为88。计数器准确地在每个1 PPS秒脉冲结束时复位。

引入11.059 2 MHz计数脉冲的好处是可以减小D/A转换之后的直流误差电压的增量，保证VCXO更精确地锁定在12 MHz。

4.3 锁定频率分析

由于用振荡器频率除以了240，这使得锁定振荡器频率在11.999 76 MHz或11.999 52 MHz及12.000 24 MHz或12.000 48 MHz时有效。换句话说，锁相环频率锁定能力是从12 MHz开始的，按频率差每240 Hz及其整倍数加以区别。这就意味着，在设置这个基准频率源时要调整主振荡器的自由振荡频率在12 MHz±120 Hz之内，否则，锁相环就会将锁定频率定为11.999 76 MHz或12.000 24 MHz，不是正确的频率了。启动时如果VCXO偏移12 MHz较大，此时利用数字锁相原理进行调整的时间是不能容忍的，应采用辅助手段在启动时实现锁相环的快速锁定。所以在开启GPS接收机前，需调节VCXO的自由振荡频率为12 MHz±5 Hz，以确保环路在开启时能快速、准确地锁定在12 MHz。

5 实验测试

按照本文提出的方法，笔者制作了一套高稳定度基准频率源，并用此基准频率源替代了日本KYODO生产的FM中继台KG110中的12 MHz温度补偿晶体振荡器(TCXO)。对已改造的发射机和未改造的发射机进行了24 h老化对比实验，之后又在不接GPS天线时对改造后的发射机进行了老化实验。实验时发射机的工作频率均为450 MHz，并用同一台专用频率计观测其频率的变化。测试结果表明，未改造的发射机频率漂移量为568 Hz，对应的频率稳定度为568/450×106≈1×10-6；改造后的发射机接GPS接收机时，频率漂移量为1 Hz，对应的频率稳定度为1/450×106≈2×10-9；不接GPS接收机时，频率漂移量为48 Hz，对应的频率稳定度为48/450×106≈1×10-7。

可见，本文提出的方法能够有效地提高发射机的频率稳定度，完全能够满足同频同播系统对同播发射机的要求。

6 结束语

本文根据GPS秒时钟无累计误差和晶振时钟累计误差较大、无随机误差的特点，提出了一种利用GPS秒时钟修正晶振频率实现高稳定度基准频率源的方法。该方法所产生的基准频率源具有较高的频率稳定度，且实现过程简单，完全能满足同播发射机的要求。目前，这种基于GPS的高稳定度频率源已应用于部分同播系统中，下一步将进一步研究GPS失锁时如何修正VCXO的频率漂移问题，使基准频率源既充分利用GPS又不完全依赖GPS，以满足同播系统和其它应用系统的需求。

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