CN202150850U - 利用gnss秒脉冲快速修正的频率合成装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，包括GNSS接收机、晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路和直接数字频率合成器；所述晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路的时钟端和晶体振荡器相连，输入端输入标称频率值并和GNSS接收机相连接收授时数据和秒脉冲，输出端和直接数字频率合成器相连输出校正后的频率合成器控制字和基于晶振的时钟。本实用新型利用GNSS秒脉冲对期望的DDS输出标称频率开环直接修正，具有修正速度快、精度高的有益效果。

Description

利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置

技术领域

 本实用新型涉及一种高精度的频率合成装置，尤其涉及一种利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，用于GMDSS（全球海上遇险与安全***）中的中/高频无线电电台。

背景技术

中高频（MF/HF）组合电台是GMDSS（全球海上遇险与安全***）的一个重要组成部分，支持DSC（数字选择呼叫）通信、NBDP（窄带直接印字电报）通信和SSB（单边带）通信。组合电台支持海上无线电话的MF（中频）和HF（高频）波段，其中MF波段频率范围为1605～4000kHz，HF波段为4～27.5MHz。中高频组合电台属于通信距离远，可靠性高，可在所有海区使用，是海上通信的必备设备之一。

国际海事组织（IMO）决议A.806(19)《能够进行话音通信,窄边带直接打印和数字选择呼叫的船载MF/HF电台》和国际电工组织的标准IEC 61097-9《GMDSS-第9部分：能够进行话音通信,窄边带直接打印和数字选择呼叫的船载MF/HF波段发射机和接收机-设备操作性能要求，测试方法及测试结果要求》对此类设备的性能作出了详细要求。其中设备的频率稳定度要求为热机完成后，频率准确度在10Hz以内（ 见A.806的B2章节和IEC 61097-9的4.2章节）。

按最高工作频率为27.5MHz计算，则中高频组合电台的频率稳定度应优于0.36ppm（百万分之一），一般情况下必须采用恒温晶体振荡器才能满足要求。恒温晶体振荡器（Oven Controlled Crystal Oscillator,简称OCXO）简称恒温晶振，利用恒温晶体振荡器槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量控制到最小。OCXO由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。由于恒温槽的温度通常高于环境温度，所以工作时必须有预热的时间，对此IMO和IEC的标准也作出的规定：“如果设备包含一些需要加热才能正常工作的器件，如晶振，那么热机时间可以是30分钟。”

目前的中高频组合电台普遍采用恒温晶体振荡器的技术方案，但是由此带来了设备成本高、开机预热时间长的问题。

由于中高频组合电台与GNSS全球导航卫星***（例如GPS）组合使用，可以采用GNSS的授时信息对中高频组合电台的频率进行校准。专利号200610086701.7的中国专利《一种利用GPS定时脉冲调整晶振频率准确度的方法和***》和专利号200710179291.5的中国专利《一种动态调整WiMAX基站晶振稳定度的装置及其实现方法》都提出了利用GPS定时脉冲调整晶振频率准确度的方案，主要思路是利用GPS秒脉冲检测最终输出的晶振频率准确度，如有误差，则通过D/A电路转换为电压量控制压控晶体振荡器，微调晶体的频率，校准晶振输出频率。这些方案的电路只能输出固定的频率信号，不能按需要直接改变输出多种稳定的高精度标称频率信号；并且这些方案由于采用电压量控制晶振，通过对最终输出的频率信号闭环反馈逐次逼近的方法，反复多次调整才能满足精度要求，调整速度不够快，不利于按需要快速改变输出多种稳定的高精度标称频率信号。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，能够按需要快速输出多种稳定的高精度标称频率信号。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，包括GNSS接收机、晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路和直接数字频率合成器（ Direct Didital Frequency Synthesis，简称DDS）；所述晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路的时钟端和晶体振荡器相连，输入端输入标称频率值并和GNSS接收机相连接收授时数据和秒脉冲，输出端和直接数字频率合成器相连输出校正后的频率合成器控制字和基于晶振的时钟。

上述的利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，其中，所述晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路包括：秒脉冲有效性检测电路、秒脉冲上升沿检测电路、计数器及结果锁存器、频率合成器控制字计算电路、频率合成器接口电路和k倍频器，它们的时钟端都连接输入晶振频率；其中，所述秒脉冲有效性检测电路输入授时数据，输出有效标志至所述频率合成器控制字计算电路，所述秒脉冲上升沿检测电路输入秒脉冲，输出连接到计数器及结果锁存器，所述计数器及结果锁存器输出连接到频率合成器控制字计算电路；所述频率合成器控制字计算电路同时输入标称频率值，输出连接到频率合成器接口电路，频率合成器接口电路输出频率合成器控制字；k倍频器的输出端和直接数字频率合成器的时钟输入端相连输出基于晶振的时钟。

上述的利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，其中，所述直接数字频率合成器的时钟输入端和晶体振荡器输出端直接相连。

上述的利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，其中，所述晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路由可编程FPGA芯片构成。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型的晶体振荡器为普通的晶体振荡器，不用恒温晶体振荡器或压控晶体振荡器，降低了设备的成本；利用GNSS秒脉冲对提供给DDS的晶振频率准确度进行检测，根据误差开环直接给出修正DDS频率输出的控制字，而不是闭环检测反馈的最终输出的频率信号，通过D/A修正晶振频率，其有益效果是修正速度快、精度高；采用DDS输出频率信号，能按需要快速改变输出多种稳定的高精度标称频率信号。

附图说明

图1为本实用新型利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置组成示意图；

图2为本实用新型频率合成装置中晶振频率检测及DDS控制字计算电路组成示意图。

图中：

1 GNSS接收机            2 晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路

3 直接数字频率合成器     4 晶体振荡器

21 秒脉冲有效性检测电路  22 秒脉冲上升沿检测电路

23 计数器及结果锁存器    24 频率合成器控制字计算电路

25 频率合成器接口电路    26 k倍频器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

图1为本实用新型利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置组成示意图。

请参见图1，在本实施例中GNSS接收机1使用GPS接收机，GPS接收机输出授时数据和秒脉冲给晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路2，同时电台所需的标称频率值也输入给晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路2，可以按电台工作所需设置标称频率值。晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路2输出DDS频率控制字对直接数字频率合成器3（DDS）进行控制，DDS输出经GPS秒脉冲快速修正的电台所需的标称频率值。直接数字频率合成器3是一种可通过数字接口直接控制频率合成器输出频率、相位的集成电路器件，本实施例中采用AD9859。晶体振荡器4给晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路2提供时钟，为普通的晶体振荡器，不需采用恒温晶体振荡器或压控晶体振荡器。晶振频率可以直接连接至DDS芯片的时钟输入端做频率源。本实施例中采用晶振频率经晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路2中k倍频器26加以倍频驱动后，输出基于晶振的时钟给DDS芯片时钟输入端做频率源。本实施例中k倍频器26中的k取值2.4576。

晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路2由可编程FPGA芯片构成，请参见图2。GNSS授时数据输出至秒脉冲有效性检测电路21以对GNSS秒脉冲进行有效性判定，当GNSS授时数据有效时，将有效标志输出至频率合成器控制字计算电路24，以判定此时DDS频率控制字计算有效，可以输出至频率合成器接口电路25。GNSS秒脉冲信号输出至秒脉冲上升沿检测电路22，检测出秒脉冲上升沿时使能计数器及结果锁存器23，对晶体振荡器频率计数，以下一个GNSS秒脉冲上升沿为结束计数信号，计数值即为晶体振荡器频率。计数器可以采用多次计数取移动平均值的方法减小测量误差。频率合成器控制字计算电路24根据标称频率值和晶体振荡器频率计数值进行计算，通过频率合成器接口电路25输出DDS频率控制字至DDS芯片，从而修正DDS的输出频率。晶振频率给以上电路提供时钟，同时经k倍频器26加以倍频和驱动后输出基于晶振的时钟给DDS芯片。

由于DDS芯片输入频率源为晶体振荡器或以其为源的基于晶振的时钟，所以其输出频率的误差与晶体振荡器的误差相关。计数器及结果锁存器23在准确的GNSS秒脉冲信号周期下得到的晶体振荡器频率计数值，可以用来对DDS输出频率的误差进行修正。假定期望DDS的输出标称频率为F0，计数器及结果锁存器实际测得的晶振频率为Fc，晶振频率经k倍频器倍频后输入给DDS芯片，DDS内部工作时钟为输入时钟的N倍频，则归一化的频率控制字为：

FTW = 2 * PI * F0 / ( Fc*k * N )

这里2 * PI表示一个周期；

假定DDS内部相位累加器的位宽是W，则实际的频率控制字为：

FTW = round ( 2^W * F0 / ( Fc *k * N ))

这里round表示除法取整数。

显然，在接收到的GNSS授时数据有效的情况下，DDS输出频率每秒都能得到修正，并且由于DDS芯片的工作特点，其修正效果立即在DDS输出频率上得到体现，从而获得了对期望的DDS输出标称频率开环直接修正速度快、精度高的有益效果，并可实现开机时的快速标称频率锁定，满足中/高频无线电电台对高精度和高稳定度频率的要求。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，其特征在于，包括：GNSS接收机（1）、晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路（2）和直接数字频率合成器（3）；所述晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路（2）的时钟端和晶体振荡器（4）相连，输入端输入标称频率值并和GNSS接收机（1）相连接收授时数据和秒脉冲，输出端和直接数字频率合成器（3）相连输出校正后的频率合成器控制字和基于晶振的时钟。

2.如权利要求1所述的利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，其特征在于，所述晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路（2）包括：秒脉冲有效性检测电路（21）、秒脉冲上升沿检测电路（22）、计数器及结果锁存器（23）、频率合成器控制字计算电路（24）、频率合成器接口电路（25）和k倍频器（26），它们的时钟端都连接输入晶振频率；其中，所述秒脉冲有效性检测电路（21）输入授时数据，输出有效标志至所述频率合成器控制字计算电路（24），所述秒脉冲上升沿检测电路（22）输入秒脉冲，输出连接到计数器及结果锁存器（23），所述计数器及结果锁存器（23）输出连接到频率合成器控制字计算电路(24)；所述频率合成器控制字计算电路(24) 同时输入标称频率值，输出连接到频率合成器接口电路（25），频率合成器接口电路（25）输出频率合成器控制字；k倍频器（26）的输出端和直接数字频率合成器（3）的时钟输入端相连输出基于晶振的时钟。

3.如权利要求1所述的利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，其特征在于，所述直接数字频率合成器（3）的时钟输入端和晶体振荡器（4）输出端直接相连。

4.如权利要求1和2所述的利用GNSS秒脉冲快速修正的频率合成装置，其特征在于，所述晶振频率检测及频率合成器控制字计算电路（2）由可编程FPGA芯片构成。

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