[发明专利]一种用于GPS驯服晶振的数字鉴相器

说明书

技术领域

本发明属于鉴相装置领域，尤其涉及一种用于GPS驯服晶振的数字鉴相器。

背景技术

数字鉴相器是数字锁相环的必备部件，其基本功能是测量输入时钟信号与基准时钟信号边沿的时间差，反应出其相位差，并根据超前和滞后情况分别输出超前相位值与滞后相位值。常用的数字鉴相器为双D触发器鉴相器，输出信号有用脉冲宽度表示相位差的模拟输出方式；也有用定时计数器计时边沿时差，输出数字量的数字输出方式；计时边沿时差，一般采用高速时钟计数来测量时差，也有采用延迟线电路方法获得更高精度的时差测量能力。

鉴相器应用到GPS驯服有源晶振电路中，被用于测量来自GPS的秒脉冲(PPS)信号和晶振分频后自己产生的PPS信号的相位差。但应用到GPS驯服有源晶振电路中的现有鉴相器仍然存在以下问题：

(1)现有的鉴相器不能直接测量频率偏差，而是通过相位变化差来反应频率偏差，而且现有的相位差仅测量脉冲信号的上升沿或者下级沿，使得频率偏差测量会受到边沿抖动的影响，测量误差增大。

(2)GPS驯服有源晶振应用中为了实现高精度频率输出，用于鉴相的信号需要长的周期(秒级以上)，导致鉴相采样频率很低。高精度OCXO具有高Q值(可达10⁷)，导致压控可调频率范围很窄。以上两项因素会导致锁相环调节速度较慢。而且，由于初始相位的随机性，现有的双D触发器鉴相器初始工作时，存在相位超前和滞后模糊的问题，若出现相位超前、滞后判断错误，会导致系统较长时间无法从失锁状态进入到锁定状态(捕获过程超过十分钟量级以上)。而且以上问题随着OCXO的频率调节范围越窄，控制精度要求越高，捕获耗时也越长。

(3)在OCXO跟踪GPS模块输出的基准频率信号的过程中，受到空间天气变化和环境干扰等因素，会出现GPS模块丢失卫星的情况，这时，来自GPS模块的基准频率信号会出现较大扰动和误差。这种情况出现后，系统应该依赖高精度OCXO的短时稳定性，而自主开环工作，并同时持续测量两者的频率偏差。单纯依赖测量相位偏差来反应频率偏差的数字鉴相器，因存在相位2π模糊的问题，使得当相位偏差过大时，会导致频率偏差计算出现错误。这时需要引入直接频率测量电路实现更稳定的频率偏差跟踪测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于GPS驯服晶振的数字鉴相器，旨在解决以下问题：

(1)同时测量GPS模块输出的PPS信号和本地PPS信号间的相位差和频率偏差。

(2)解决初始相位差超前、滞后模糊问题。

(3)考虑到高精度OCXO一般都具有较优短时稳定性，和GPS系统会受到空间天气变化和环境干扰而产生扰动的情况，频率测量要具有一定的抗扰动能力，并在GPS模块丢失卫星后，在更宽的频率偏差范围内正确跟踪频率偏差情况，利用准确的频率偏差来修正超过相位测量范围的相位偏差。

本发明是这样实现的，一种用于GPS驯服晶振的数字鉴相器，它包括锁相环倍频器、2分频器、高电平脉冲宽度计数器、低电平脉冲宽度计数器、秒脉冲分频计数器、相位差计数器、频率计数值锁存器和相位误差值锁存器；

锁相环倍频器用于将外部高精度压控恒温晶体振荡器OCXO的输出时钟信号的频率进行倍频，倍频后的数字时钟信号连接到鉴相器中所有的计数器的时钟引脚，作为所有计数器的计数时钟；

2分频器连接外部GPS接收模块输出的PPS秒脉冲信号，输出频率为2^-NHz的占空比为50％的方波脉冲；

高电平脉冲宽度计数器时钟由锁相环倍频器提供，输入连接2分频器的输出，对高电平脉宽进行计数，输出连接频率计数值锁存器；

低电平脉冲宽度计数器时钟由锁相环倍频器提供，输入连接2分频器的输出，对低电平脉宽进行计数，输出连接频率计数值锁存器；

秒脉冲时钟由锁相环倍频器提供，输入连接外部提供的频率锁定使能信号，连接GPS模块输出的PPS信号，通过分频输出内部秒脉冲信号，连接到相位差计数器的输入端；

相位差计数器时钟由锁相环倍频器提供，输入内部秒脉冲信号和GPS模块输出的PPS信号，计数两者间上升沿的时间差，输出相位差计数值，连接到相位误差值锁存器；

频率计数值锁存器和相位误差值锁存器同时输出频率值和相位误差值，用于实现OCXO晶振跟踪GPS PPS信号的频率，保证本地晶振频率的高精度。

进一步，频率计数器和相位计数器同时工作，分别输出频率值和相位差值。