作者Email: 727084@163.com

    摘要: 介紹GPS應用范圍及其接收機組成的工作原理和用溫補晶體振蕩器DS4000提供成為精密振蕩器的控制方法

1、前言

    首先要對介入的GPS（全球定位系統）應用領域及其接收機作一介紹

    1.1當GPS)已經得到了廣泛應用

    該衛星（多達27顆）網絡運行于非同步、近地軌道，覆蓋全球，保證了定位系統的運行。而GPS接收機至少需要鎖定4顆星，才能提供定位信息。這些衛星廣播或發送的長系列碼（或數字組合）稱偽隨機碼。可通過已知的衛星偽隨機碼、光速以及保持衛星位置的查詢表等參數，GPS接收機就能夠計算出衛星的傳輸時間，再將傳輸時間轉為距離。在多個衛星(大于4)的條件下，通過求所三角方程就可以算出GPS接收機的位置，也提供了用戶的位置。

    1.2 GPS接收機的應用范圍

    可用于個人定位和定向的通用手持設備到航海、航空、勘探以及電信網絡中的定時同步等應用范圍。每種應用要求不同特性的接收機。例如，在通用手持設備應用中，接收機將利用4顆或更多的衛星接收信號，并將其轉換為位置信息，該信息能夠連接至地圖數據庫，指示出陸地位置。而在航海和航空應用中，從衛星接收信號中獲取的動態位置數據被導入船上或機上的導航系統，用于實時定位和定向。

    1.3 GPS的另一個重要特性和應用

    是提供相當精確的時間基準，如電信網絡中的同步、測試和測量設備的校準、航天觀測和氣象臺的同步、地震監測以及用于公用電網的故障記錄儀等應用。對于同步和定時應用，衛星信號的相位比信號承載的數據更為重要.

    在那些優先考慮時間同步的應用中，傳輸信號的相位差是最重要的。在電信網絡中，GPS同步引擎提供這類網絡的端到端定時。在為語音、視頻或時間要求嚴格的數據傳輸而運行網絡時，最為重要的是服務質量的要求。

    而對于同步和定時要求來說，一個精密的頻率參考是至關重要的。最精確的時間和頻率的定義是基于銫原子，由銫光束標準產生精確的頻率。

    是什么使GPS衛星系統足夠滿足網絡同步要求的呢？每個GPS衛星都有一個基于銫原子的時鐘源。這些非常精確的時鐘保證時間精確到每年之3ns內，精密時間再通過微波傳輸到GPS接收機。

    1.4溫補晶體振蕩器的的作用

    為了保證時間精確,GPS接收機還包括一個本地振蕩器，如侞源、溫控晶體振蕩器(OCXO)、或者溫補晶體振蕩器(TCXO)，作為一個嚴格控制的時鐘源，以維持短期和長期的時間精確和穩定性。由于衛星覆蓋世界范圍，所以使用GPS是一種精確、可行且經濟的方式，保證電信網絡的同步。大多供應商提供含有的設備，以支持系統的定時同步，如電信網絡、基站或其它要求時間苛刻的應用。

    2 、GPS接收機分析

    一個典型的GPS接收機包含如圖1所示的功能塊，它包括：射頻(RF)部分、GPS信號處理器和主處理器。其中RF部分包括：GPS天線、RF濾波器和GPS RF前端。RF部分接收衛星信號，從載波頻率中分離出偽隨機碼，并將其送至GPS信號處理器，在多數現有的接收機中，前端部分+GPS信號處理器能夠同時處理4至12顆衛星信號。這種并行處理的能力提供了更高的定位精度，縮短了輸出數據的時間。主處理器向用戶提供數據，可以通過一個GUI(圖象用戶接口)、顯示屏，或者其它操作系統途徑向用戶提供數據，至于何種途徑這取決于實際應用的要求。

    在圖1的框圖中，存在2個振蕩源，包括REF(基準)晶體(或振蕩器)和RTC(實時時鐘)晶體。REF晶體或振蕩器可以相當精確或不精確，取決所使用的接收機。對振器器頻率的要求依賴于GPS前端所采用的專用產品標準(ASSP)。  典型范圍介于13MHz至30MHz之間，取決于生產廠家。REF振蕩器可以是銣源、OCXO、甚至TCXO。在這種情況下，主處理器將修正衛星和接收機之間的任何定時滑動。

    RTC晶體為捕捉過程提供實時時鐘信息，以在27顆衛星群中捕獲不同的衛星。通過關于衛星位置信息的查詢表，RTC有助于提供一個鎖定所有可見衛星的起始點。

    3、溫補晶體振蕩器DS4000引入與方法

    新款DS4000數控TCXO可提供±1PPm精度，±6PPm牽引量和編程頻率輸出用于無線應用、電信、衛星通信和GPS特別理想.

    DS4000數控TCXO超越了所有有關控制、成本、封裝和精度的性能標準.該器器件可保持頻率穩定在±lppm以內，并具有牽引范圍達±6ppm的數字調諧能力和編程頻率輸出.可以提供雙路CMOS方波輸出.F1輸出提供固定的基頻,而F2輸出則提供基頻的256種不同整數分頻中的一種(見圖2所示).該器件工作于5V±10%電源,采用萍薄型24引腳BGA封裝.

    隨著DS4000數控溫補晶體振蕩器(TCXO)的引入， 一種新的校準REF振蕩器的控制方法應運而生。DS4000提供了精密的振蕩器，其獨特的性能是目前市場上眾多的TCXO所無法提供的。首先，DS4000經工廠校準后精度達到±lppm之內；另外，它還提供+6ppm范圍、典型分辨率小于0.1PPm的數字牽引能力。

    圖2是DS4000的框圖。該器件通過2線(SDA與SCL)串行數據口控制,(SDA與SCL均為數字頻率可調節的通信口)在這種方式下，通過使用微控制器，輸人數字代碼控制牽引量和精度。可以設計專門的系統程序，不斷地調該器件的精度。在許多過時的TCXO設計中，這種要求只能通過人工調節，或通過一個電壓控制來完成。DS4000的數字牽引能力實現了生產過程中的自動校準，以及在應用現場的再校準。

    該器件還有一個頻率輸出F2(可編程溫度補償方波輸出)，F2為基頻F1(固定頻率溫度補償方波輸出)的分數值。F2能夠被編程為基頻F1的1／256至255／256。當然，編程也是通過2線接口(SDA、SCL)完成的。DS4000的基頻范圍在10MHz至20MHz之間可選。F2輸出跟隨F1的頻率精度，精度也能夠達到±1ppm之內。圖2 DS4000框圖展示出對于頻率牽引量、頻率輸出和溫度檢測的數字接口.

    由于DS4000采用了Dallas Semicconductor專用的數字溫度測量技術，該器件也能夠作為溫度傳感器應用。溫度傳感器精度在±2℃之內。該器件在-40℃至+85℃的整個工業溫度范圍內，保持其頻率精度(±1ppm).

    4、DS4000在GPS中的應用

    由于DS4000具有較高的靈活性，所以它能夠用來為GPS應用中的REF晶體(XTAL)提供嚴格控制的振蕩器，以及在有些情況下，為GPS信號處理器或主處理器)提供32KHz給RTC XTAL輸入。圖3說明了DS4000在GPS接收機框圖中，履行了REF和RTC XTAL兩個晶體的角色。

    對應用于圖3中基頻應作幾個假設：：首先是假設RTC XTAL輸入至GPS前端能夠采用16.384MHz的頻率輸入, 若此假設成立，則DS4000就能夠在F2輸出上產生GPS信號處理器的RTC所需要的32.768KHz頻率. 通過線接口SCL和SDA, 主處理器可以根據需要，設定頻率牽引量、F2頻率 輸出(32.768KHz)以及測量溫度.

    5、結束語

    GPS應用代表丁許多要求高精度時間源的應用之一。DS4000的靈活性尤其適用于那些特別注重定時精度和器件控制方式的應用。這是為什么呢？一般情況下，允許頻率調節的TCXO或OCXO，均要求作人工調節或提供一個外部電壓調節，但這種方案的缺點是：在人工調節TCXO或OCXO時需要人工干預；而在采用外部電壓調節時，設計人員必須保證控制電壓穩定，以便使它不會影響振蕩器的輸出特性。而采用了DS4000就避免了上述二種調節中的不可靠性，這是因為在改變或牽引基頻時，只需要將數字量傳給Ds4000就可以了。

    另外，由于DS4000提供兩個頻率 輸出(F1與F2), 其中一個是可編程的，如果所要求的第二個頻率F2通過整數相除后與F1相關，則用戶就能夠省掉第二個振蕩器RTC XTAL。還有，采用其數字控制接口，DS4000就能夠為設備的自動校準流程帶來好處，從而在產品壽命期限內，無須周期性地再校準設備。