基本信息
- 项目名称：
- 基于GPS 同步晶振的高分辨率射频频率源
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本设计是一个利用GPS秒脉冲校准的射频频率发生器。其具有高分辨率高准确度，高稳定度的特点。同时能够免去一般信号发生器需要定期校准的缺点。可以广泛应用于通信测试测量等各个领域。
- 详细介绍：
- 现有的射频频率源大多采用恒温晶振作为频标，以获得比较好的频率短期稳定度，但是恒温晶振的长期稳定度不能保证，即存在累积误差，需要定期校准。本设计利用GPS秒脉冲没有累计误差的特点，通过以本地晶振为基准测量GPS秒脉冲的时间间隔，将误差进行卡尔曼滤波后，转换为DAC的输入值，调整本地晶振的输出频率，从而获得一个长期与短期稳定度都很好的频标，来作为后级锁相环频率综合器的激励。这样就可以获得一个稳定度很好的射频信号，降低了校准成本。同时，本设计有自适应学习算法，在GPS信号丢失的情况下也可以把误差控制在一定范围内。 为了达到晶振与GPS信号的长期同步，就需要测量GPS秒脉冲与本地晶振之间的相对时间关系。而精密的时间间隔测量就是保证频率同步系统的关键。本设计利用了Spartan3系列FPGA内部的高速进位链（Carry Chain）进行内插从而实现了精密的时间间隔测量，相较传统的计时器计时精度有了较大的提高。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品的设计目的与基本思路： 为了解决传统射频频率源内部时基存在长期漂移导致的设备间频率不同步的问题。本作品设计了一种基于GPS秒脉冲的频率校准系统，用于校准本地OCXO，能够得到高准确度和稳定度的频率信号。并以此作为频标，通过一个两级PLL频率合成器得到一个高分辨率射频信号。 本作品的主要创新点： 1. 将GPS频率同步技术与频率合成技术结合起来，降低了仪器的维护成本 2. 在GPS频率校准环路中，使用了卡尔曼滤波器，抑制了GPS秒脉冲信号上的干扰。 3. 在GPS频率校准环路中，使用了“计数器+延迟线内插器”作为鉴频鉴相器，提高了鉴相精度，减小了对秒脉冲的量化误差。 4. 采用自适应保持算法，在GPS失锁后，可继续保持定时精度一段时间 主要技术指标： 1. 准确度：<1E-12(GPS锁定，24小时平均) <5E-10(在GPS锁定24小时后GPS失锁，保持24小时内) 2. 稳定度：1s <1E-10 3. 频率输出范围：50MHz～4.4GHz 4. 频率分辨率： 整个量程内分辨率为0.1Hz 5. 相位噪声： @(60MHz): <-120dBc/Hz @(10KHz offset) <-140dBc/Hz @(100KHz offset) @(4GHz): <-70dBc/Hz @(10KHz offset) <-100dBc/Hz @(100KHz offset)
科学性、先进性
- 1.利用GPS授时技术校准本地时基，从而提高了本地时基的长期稳定性。 2.利用FPGA内部高速进位资源构造延迟线，配合计数器，实现了一个高精度鉴频鉴相器，其对时间的测量精度可以达到200ps。 3.利用卡尔曼滤波对数据进行处理，比传统的滑动平均滤波等方法更好的抑制了GPS秒脉冲的抖动，且不用储存大量数据。 4.利用PI控制算法，加快了数字锁相环的收敛速度，同时消除了零差。 5.利用两级PLL频率合成器在全部输出范围内达到0.1Hz的频率分辨率 参考文献见查新报告
获奖情况及鉴定结果
- 2011.6第十一届四川省“挑战杯”课外学术科技作品大赛 一等奖 2011.6 在教育部科技查新工作站（D01）处查新，结论为：在上述检索范围检索到的国内相关文献中，未见有将GPS时频同步系统与射频频率合成相结合的产品。未见同时具备本项目查新点的公开文献报道。 2011.6受到2009年度中央高校基本科研业务费学生项目资助，并成功结题 2011.5受到国家级大学生科技创新基金资助，并获得优秀结题
作品所处阶段
- 样机调试阶段
技术转让方式
- 专利授权转让
作品可展示的形式
- 样机
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 连接好外置GPS有源天线。，在键盘上输入频率值，，大约5~10分钟以后GPS可以把本地晶振锁定在理想频率上。 技术特点及优势：1.频率稳定度高，无漂移，免校准。2.射频输出分辨率高，相噪低。3.成本低，整套系统成本在千元以下，以一只恒温晶振的价格，实现了比恒温晶振更好的性能，同时加入了频率合成功能。本作品可以广泛应用于通信，电子等行业的开发，测试，维修等部门，特别是一些对频率的分辨率以及准确度要求高，而又不方便经常进行仪器校准的场合。其可以低廉的价格实现接近铷钟的稳定度，性价比很高，很适合大学生做无线通信相关的创新实验之用，也可用于业余无线电等应用。同时，本设计也可以以单板形式嵌入到其他的大型系统中，为其提供稳定的频率射频信号。从整个市场来看，国内外尚无同类产品面世。单就GPS频率同步模块来看，市场价格大都在万元以上，其所针对的主要是电信金融的部门。故可以看出，在本产品的市场定位上，还没有竞争对手出现。其市场及利润空间很大。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外尚无同类产品出现的报道。就GPS频率同步来说，以世界同步产品市场占有率最高的symmetricom公司的XLI频率同步系统为例： 其和本设计相关的主要技术指标如下： 频率稳定度<1E-12（GPS锁定，24小时平均） <5E-7（无GPS信号） 可以看出，本产品在频率稳定度方面达到了世界先进水平。在失锁保持上甚至领先国际先进水平一个数量级。 在学术界，目前已发表的论文，就GPS频率同步技术而言都是采用数字锁相环对本地晶振进行闭环校正。主要的研究方向是减小对GPS信号的测量误差以及对GPS信号干扰的抑制。 就测量技术来讲，方向是使用专用数字延迟线芯片进行内插测量或使用专门的时间测量，本文在此基础之上使用了FPGA内部的进位资源构成延迟线，使系统的集成度更高，也降低了成本。 而在抗干扰方面主要还是利用滑动平均滤波器等简单手段对其进行处理，本设计将卡尔曼滤波器的引入，降低了环路的延迟，大大提高了数字锁相环路的收敛速度。
