开拓数控温补晶体振荡器DS4000在GPS中的应用

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    摘要: 介绍GPS应用范围及其接收机组成的工作原理和用温补晶体振荡器DS4000提供成为精密振荡器的控制方法

    关键词：全球定位系统  温补晶体振荡器  接收机  信号处理器

1、前言

    首先要对介入的GPS（全球定位系统）应用领域及其接收机作一介绍

    1.1当GPS)已经得到了广泛应用

    该卫星（多达27颗）网络运行于非同步、近地轨道，覆盖全球，保证了定位系统的运行。而GPS接收机至少需要锁定4颗星，才能提供定位信息。这些卫星广播或发送的长系列码（或数字组合）称伪随机码。可通过已知的卫星伪随机码、光速以及保持卫星位置的查询表等参数，GPS接收机就能够计算出卫星的传输时间，再将传输时间转为距离。在多个卫星(大于4)的条件下，通过求所三角方程就可以算出GPS接收机的位置，也提供了用户的位置。

    1.2 GPS接收机的应用范围

    可用于个人定位和定向的通用手持设备到航海、航空、勘探以及电信网络中的定时同步等应用范围。每种应用要求不同特性的接收机。例如，在通用手持设备应用中，接收机将利用4颗或更多的卫星接收信号，并将其转换为位置信息，该信息能够连接至地图数据库，指示出陆地位置。而在航海和航空应用中，从卫星接收信号中获取的动态位置数据被导入船上或机上的导航系统，用于实时定位和定向。

    1.3 GPS的另一个重要特性和应用

    是提供相当精确的时间基准，如电信网络中的同步、测试和测量设备的校准、航天观测和气象台的同步、地震监测以及用于公用电网的故障记录仪等应用。对于同步和定时应用，卫星信号的相位比信号承载的数据更为重要.

    在那些优先考虑时间同步的应用中，传输信号的相位差是最重要的。在电信网络中，GPS同步引擎提供这类网络的端到端定时。在为语音、视频或时间要求严格的数据传输而运行网络时，最为重要的是服务质量的要求。

    而对于同步和定时要求来说，一个精密的频率参考是至关重要的。最精确的时间和频率的定义是基于铯原子，由铯光束标准产生精确的频率。

    是什么使GPS卫星系统足够满足网络同步要求的呢？每个GPS卫星都有一个基于铯原子的时钟源。这些非常精确的时钟保证时间精确到每年之3ns内，精密时间再通过微波传输到GPS接收机。

    1.4温补晶体振荡器的的作用

    为了保证时间精确,GPS接收机还包括一个本地振荡器，如侞源、温控晶体振荡器(OCXO)、或者温补晶体振荡器(TCXO)，作为一个严格控制的时钟源，以维持短期和长期的时间精确和稳定性。由于卫星覆盖世界范围，所以使用GPS是一种精确、可行且经济的方式，保证电信网络的同步。大多供应商提供含有的设备，以支持系统的定时同步，如电信网络、基站或其它要求时间苛刻的应用。

    2 、GPS接收机分析

    一个典型的GPS接收机包含如图1所示的功能块，它包括：射频(RF)部分、GPS信号处理器和主处理器。其中RF部分包括：GPS天线、RF滤波器和GPS RF前端。RF部分接收卫星信号，从载波频率中分离出伪随机码，并将其送至GPS信号处理器，在多数现有的接收机中，前端部分+GPS信号处理器能够同时处理4至12颗卫星信号。这种并行处理的能力提供了更高的定位精度，缩短了输出数据的时间。主处理器向用户提供数据，可以通过一个GUI(图象用户接口)、显示屏，或者其它操作系统途径向用户提供数据，至于何种途径这取决于实际应用的要求。

    在图1的框图中，存在2个振荡源，包括REF(基准)晶体(或振荡器)和RTC(实时时钟)晶体。REF晶体或振荡器可以相当精确或不精确，取决所使用的接收机。对振器器频率的要求依赖于GPS前端所采用的专用产品标准(ASSP)。  典型范围介于13MHz至30MHz之间，取决于生产厂家。REF振荡器可以是铷源、OCXO、甚至TCXO。在这种情况下，主处理器将修正卫星和接收机之间的任何定时滑动。

    RTC晶体为捕捉过程提供实时时钟信息，以在27颗卫星群中捕获不同的卫星。通过关于卫星位置信息的查询表，RTC有助于提供一个锁定所有可见卫星的起始点。

    3、温补晶体振荡器DS4000引入与方法

    新款DS4000数控TCXO可提供±1PPm精度，±6PPm牵引量和编程频率输出用于无线应用、电信、卫星通信和GPS特别理想.

    DS4000数控TCXO超越了所有有关控制、成本、封装和精度的性能标准.该器器件可保持频率稳定在±lppm以内，并具有牵引范围达±6ppm的数字调谐能力和编程频率输出.可以提供双路CMOS方波输出.F1输出提供固定的基频,而F2输出则提供基频的256种不同整数分频中的一种(见图2所示).该器件工作于5V±10%电源,采用萍薄型24引脚BGA封装.

    随着DS4000数控温补晶体振荡器(TCXO)的引入， 一种新的校准REF振荡器的控制方法应运而生。DS4000提供了精密的振荡器，其独特的性能是目前市场上众多的TCXO所无法提供的。首先，DS4000经工厂校准后精度达到±lppm之内；另外，它还提供+6ppm范围、典型分辨率小于0.1PPm的数字牵引能力。

    图2是DS4000的框图。该器件通过2线(SDA与SCL)串行数据口控制,(SDA与SCL均为数字频率可调节的通信口)在这种方式下，通过使用微控制器，输人数字代码控制牵引量和精度。可以设计专门的系统程序，不断地调该器件的精度。在许多过时的TCXO设计中，这种要求只能通过人工调节，或通过一个电压控制来完成。DS4000的数字牵引能力实现了生产过程中的自动校准，以及在应用现场的再校准。

    该器件还有一个频率输出F2(可编程温度补偿方波输出)，F2为基频F1(固定频率温度补偿方波输出)的分数值。F2能够被编程为基频F1的1／256至255／256。当然，编程也是通过2线接口(SDA、SCL)完成的。DS4000的基频范围在10MHz至20MHz之间可选。F2输出跟随F1的频率精度，精度也能够达到±1ppm之内。图2 DS4000框图展示出对于频率牵引量、频率输出和温度检测的数字接口.

    由于DS4000采用了Dallas Semicconductor专用的数字温度测量技术，该器件也能够作为温度传感器应用。温度传感器精度在±2℃之内。该器件在-40℃至+85℃的整个工业温度范围内，保持其频率精度(±1ppm).

    4、DS4000在GPS中的应用

    由于DS4000具有较高的灵活性，所以它能够用来为GPS应用中的REF晶体(XTAL)提供严格控制的振荡器，以及在有些情况下，为GPS信号处理器或主处理器)提供32KHz给RTC XTAL输入。图3说明了DS4000在GPS接收机框图中，履行了REF和RTC XTAL两个晶体的角色。

    对应用于图3中基频应作几个假设：：首先是假设RTC XTAL输入至GPS前端能够采用16.384MHz的频率输入, 若此假设成立，则DS4000就能够在F2输出上产生GPS信号处理器的RTC所需要的32.768KHz频率. 通过线接口SCL和SDA, 主处理器可以根据需要，设定频率牵引量、F2频率 输出(32.768KHz)以及测量温度.

    5、结束语

    GPS应用代表丁许多要求高精度时间源的应用之一。DS4000的灵活性尤其适用于那些特别注重定时精度和器件控制方式的应用。这是为什么呢？一般情况下，允许频率调节的TCXO或OCXO，均要求作人工调节或提供一个外部电压调节，但这种方案的缺点是：在人工调节TCXO或OCXO时需要人工干预；而在采用外部电压调节时，设计人员必须保证控制电压稳定，以便使它不会影响振荡器的输出特性。而采用了DS4000就避免了上述二种调节中的不可靠性，这是因为在改变或牵引基频时，只需要将数字量传给Ds4000就可以了。

    另外，由于DS4000提供两个频率 输出(F1与F2), 其中一个是可编程的，如果所要求的第二个频率F2通过整数相除后与F1相关，则用户就能够省掉第二个振荡器RTC XTAL。还有，采用其数字控制接口，DS4000就能够为设备的自动校准流程带来好处，从而在产品寿命期限内，无须周期性地再校准设备。