一種低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，包括衛(wèi)星接收機(jī)、控制模塊，晶振，所述控制模塊分別與所述衛(wèi)星接收機(jī)、所述晶振連接，所述衛(wèi)星接收機(jī)用于接收衛(wèi)星信號(hào)中的1PPS信號(hào)，并通過串口把接收的1PPS信號(hào)發(fā)送給所述控制模塊，所述控制模塊判斷1PPS信號(hào)的有效性，所述晶振用于輸出頻率信號(hào)到所述控制模塊，所述控制模塊包括數(shù)字鎖相環(huán)電路、晶振頻率參考電路，所述數(shù)字鎖相環(huán)電路用于使輸出1PPS信號(hào)和輸入1PPS信號(hào)保持一致，消除晶振產(chǎn)生的累積誤差，所述晶振頻率參考電路用于使接收到的1PPS信號(hào)以晶振頻率信號(hào)為參考經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，消除衛(wèi)星接收機(jī)產(chǎn)生的抖動(dòng)誤差，輸出既不存在累積誤差也不存在抖動(dòng)誤差的高精度1PPS信號(hào)；提高了工作效率，方便用戶組網(wǎng)。
【專利說明】
一種低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 軍工系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、電信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)都需要對(duì)時(shí)間、頻率進(jìn)行同步 以及輸出高精度頻率，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對(duì)于國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)以及社會(huì)和國(guó)防安 全有十分重要的意義。目前，時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的授時(shí)同步途徑正在由短波、長(zhǎng)波、電視等技術(shù) 手段向?qū)Ш叫l(wèi)星發(fā)展。利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行授時(shí)同步的主要原理是，通過導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)接收 模塊接收衛(wèi)星信號(hào)，根據(jù)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)中的1PPS(秒脈沖)信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)授時(shí)及網(wǎng) 絡(luò)時(shí)鐘同步?，F(xiàn)階段利用導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)的技術(shù)比較多，但其授時(shí)的精度均有待進(jìn)一步提高， 特別在失去衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的守時(shí)能力較差，不能滿足更高的同步授時(shí)精度要求。
[0003] 目前的晶振產(chǎn)品一般只能提供單獨(dú)的時(shí)鐘，因?yàn)榫д窆逃刑匦?頻率準(zhǔn)確度、老 化、環(huán)境、負(fù)載)等原因的影響，它們的振蕩會(huì)隨著時(shí)間的推移，出現(xiàn)各式各樣的差別。這給 一些通信產(chǎn)品或者互聯(lián)網(wǎng)帶來很不確定的因素，產(chǎn)品運(yùn)行一段時(shí)間后，就會(huì)出現(xiàn)時(shí)間對(duì)不 上、相互聯(lián)不上現(xiàn)象?，F(xiàn)有的產(chǎn)品解決上述問題有以下幾種情況，當(dāng)產(chǎn)品運(yùn)行一段時(shí)間后， 出現(xiàn)偏差大了就進(jìn)行人工調(diào)整，或者更換設(shè)備，其實(shí)引起這些原因都是產(chǎn)品的元件一一晶 振的頻率產(chǎn)生漂移引起的。
[0004]引起晶振頻率變化的指標(biāo)如下：
[0006] 以溫度特性來計(jì)算，因?yàn)榫д褡约罕旧淼恼`差，把頻率轉(zhuǎn)換成時(shí)間信號(hào)，如圖1所 示：
[0007] 時(shí)間和頻率的公式：
[0008] T = l/f
[0009] 假設(shè)晶振在理想情況下，f=l〇〇〇〇〇〇〇Hz，那么它輸出的頻率是標(biāo)準(zhǔn)的，T=l/f，那 么晶振每跳動(dòng)一個(gè)周期就是100ns，
[0010] 假設(shè)晶振的頻率誤差為+1*10-6,相當(dāng)于該晶振的頻率為 [0011] f=fj0rl'Af ；
[0012] =10000000+10000000*1*10-6
[0013] =10000010；
[0014] 那么該晶振f = 10000010Hz，那么它輸出的頻率是標(biāo)準(zhǔn)的，T = 1 /f，那么晶振每跳 動(dòng)一個(gè)周期T=l/f= 1/10000010 = (約等于)99.9999nS;假設(shè)沒做任何調(diào)整的情況下，那么 該晶振24小時(shí)的誤差與標(biāo)準(zhǔn)的晶振頻率產(chǎn)生的時(shí)鐘偏差：
[0015] 24*60*60*10000000*(1/10000000-1/10000010)=0·0864S
[0016]從上面計(jì)算中可以看出每天的累計(jì)誤差達(dá)到0.0864S，對(duì)于現(xiàn)在高速網(wǎng)絡(luò)，智慧城 市，系統(tǒng)集成等方面，誤差是比較大的。以前解決頻率的不準(zhǔn)，大部分是系統(tǒng)工作一段時(shí)間 后，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)整或者手動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)時(shí)間。由此看出，現(xiàn)有技術(shù)還存在一定的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 有鑒于此，為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，利 用衛(wèi)星(BD、GPS)的時(shí)間信息作為參考，所有網(wǎng)點(diǎn)時(shí)間以衛(wèi)星的時(shí)間作為標(biāo)準(zhǔn)，自行調(diào)整自 己的頻率，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整的目的。
[0018] 本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述問題：
[0019] 一種低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，包括衛(wèi)星接收機(jī)、控制模塊，晶振，所述控制模塊分 別與所述衛(wèi)星接收機(jī)、所述晶振連接，所述衛(wèi)星接收機(jī)用于接收衛(wèi)星信號(hào)中的1PPS信號(hào)，并 通過串口把接收的1PPS信號(hào)發(fā)送給所述控制模塊，所述控制模塊判斷1PPS信號(hào)的有效性， 所述晶振用于輸出頻率信號(hào)到所述控制模塊，所述控制模塊包括數(shù)字鎖相環(huán)電路、晶振頻 率參考電路，所述數(shù)字鎖相環(huán)電路用于使輸出1PPS信號(hào)和輸入1PPS信號(hào)保持一致，消除晶 振產(chǎn)生的累計(jì)誤差，所述晶振頻率參考電路用于使接收到的1PPS信號(hào)以晶振頻率信號(hào)為參 考經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，消除衛(wèi)星接收機(jī)產(chǎn)生的抖動(dòng)誤差，輸出既不存在累積誤差也不存在抖動(dòng) 誤差的高精度1PPS信號(hào)以及高精度頻率信號(hào)。
[0020] 進(jìn)一步地，所述控制模塊包括MCU控制器、工作狀態(tài)判斷模塊、采樣模塊、基準(zhǔn)信號(hào) 輸出模塊，所述MCU控制器分別與所述工作狀態(tài)判斷模塊、所述采樣模塊、所述基準(zhǔn)信號(hào)輸 出模塊連接，所述MCU控制器用于計(jì)算處理數(shù)據(jù)信息，所述工作狀態(tài)判斷模塊用于實(shí)時(shí)判斷 所述衛(wèi)星接收機(jī)接收的1PPS信號(hào)的有效性，所述采樣模塊用于接收所述晶振輸出的頻率信 號(hào)，所述基準(zhǔn)信號(hào)輸出模塊用于輸出既不存在累積誤差也不存在抖動(dòng)誤差的高精度1PPS信 號(hào)以及高精度頻率信號(hào)。
[0021 ]進(jìn)一步地，消除衛(wèi)星接收機(jī)產(chǎn)生的抖動(dòng)誤差具體方法如下：
[0022] 在衛(wèi)星接收機(jī)中，輸出1PPS信號(hào)與衛(wèi)星信號(hào)的1PPS存在一定的誤差e，考察某一 秒時(shí)間序列，第X個(gè)1PPS信號(hào)的時(shí)間誤差e x，ex服從正態(tài)分布：
[0023] Ex ~Ν(0，σ2) (1)
[0024] σ表示衛(wèi)星接收機(jī)的授時(shí)精度；
[0025] 由晶振分頻產(chǎn)生頻率信號(hào)序列的第X個(gè)頻率信號(hào)的時(shí)間誤差μ(χ)表示為：
[0026] μ(χ) =a+bx+cx2 (2)
[0027] 式中：a為頻率信號(hào)序列的初始誤差，b為考慮頻率偏差的誤差系數(shù)，c為考慮頻率 線性漂移的誤差系數(shù)；
[0028] 由式(1)和式(2)得晶振頻率信號(hào)與1PPS信號(hào)之間的偏差為：
[0029] Yx = a+bx+cx2+Ex，xEn (3)
[0030] 晶振頻率信號(hào)與1PPS信號(hào)的偏差是可測(cè)量的，設(shè)測(cè)量結(jié)果序列Y表示為:&，&，···， ￥\，一，￥11，由￥的時(shí)間序列按式(3)所示的一元二次回歸分析模型估計(jì)出回歸系數(shù) &、13、(3，則 晶振輸出的第χ個(gè)頻率信號(hào)與衛(wèi)星信號(hào)之間的誤差估計(jì)值μ(Χ)為：
[0031] μ(χ) =a+bx+cx2 (4)
[0032] 根據(jù)誤差估計(jì)值μ(χ)對(duì)晶振的頻率進(jìn)行補(bǔ)償，得到高精度的晶振頻率。
[0033] 進(jìn)一步地，所述σ數(shù)值小于50nS。
[0034] 進(jìn)一步地，所述控制模塊還用于監(jiān)控所述晶振的頻率變化趨勢(shì)，監(jiān)控方法為數(shù)字 模擬方法，所述數(shù)字模擬方法為利用晶振頻率的每一時(shí)刻的變化，長(zhǎng)期建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)應(yīng) 監(jiān)控公式為：
[0035] f (t) =at3+bt2+ct+do
[0036] 式中，f (t)為對(duì)應(yīng)時(shí)間段的晶振的頻率，a、b、c分別為固定參數(shù)，do為每個(gè)頻率的 參考值頻率。
[0037] 進(jìn)一步地，所述晶振通過調(diào)整晶振的VC端電壓，使其輸出高精度的頻率信號(hào)。
[0038]進(jìn)一步地，所述1PPS信號(hào)的有效性條件為衛(wèi)星信號(hào)大于或等于4顆為有效。
[0039] 本發(fā)明的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)具有以下有益效果：
[0040] 1 )、減少了環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)的影響；
[0041 ] 2)、廣品的技術(shù)指標(biāo)提尚了很多，現(xiàn)在廣品的授時(shí)精度(其中一個(gè)指標(biāo))提尚了 1個(gè) 數(shù)量級(jí)以上；
[0042] 3)、提高了工作效率，方便用戶組網(wǎng)。
【附圖說明】
[0043]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一種頻率轉(zhuǎn)換為秒信號(hào)的電路圖；
[0044] 圖2是本發(fā)明的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)的原理圖；
[0045] 圖3是本發(fā)明的數(shù)字鎖相環(huán)電路的原理圖；
[0046] 圖4是本發(fā)明的晶振頻率參考電路的原理圖；
[0047] 圖5是本發(fā)明的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048] 圖6是現(xiàn)有技術(shù)中MCU控制器每秒鐘分開計(jì)和合并計(jì)時(shí)頻率數(shù)據(jù)的比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面將結(jié)合附圖和具體 的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0050] GPS以及我國(guó)的北斗是一個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)授時(shí)系統(tǒng)，可以 為所有用戶提供實(shí)時(shí)、高精度的時(shí)間信息，它們的時(shí)鐘系統(tǒng)由具有高精度、高穩(wěn)定度的原子 鐘組成，精度可達(dá)10- 13至10-15,并且沒有累計(jì)誤差。
[0051] 圖2為本發(fā)明的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)的原理圖，一種低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，包 括衛(wèi)星接收機(jī)、控制模塊，晶振，所述控制模塊分別與所述衛(wèi)星接收機(jī)、所述晶振連接，通過 衛(wèi)星接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)中的1PPS信號(hào)，同過串口把接收到的1PPS信號(hào)發(fā)送給控制模塊， 控制模塊對(duì)1PPS信號(hào)進(jìn)行處理，判斷衛(wèi)星接收機(jī)的工作情況以及接收情況，如果接收到的 衛(wèi)星信號(hào)大于或等于4顆，那么認(rèn)為1PPS是有效的。
[0052]晶振的頻率信號(hào)通過倍頻進(jìn)入到控制模塊，控制模塊利用接收到的1PPS信號(hào)作為 參考信號(hào)進(jìn)行記錄晶振的頻率，計(jì)算頻率的偏差情況，通過調(diào)整晶振的VC端電壓，使其輸出 高精度的頻率信號(hào)，并利用該高精度的頻率信號(hào)分頻成高穩(wěn)的1PPS輸出，從而達(dá)到高精度 的頻率信號(hào)以及秒信號(hào)。
[0053] 衛(wèi)星接收機(jī)中的衛(wèi)星時(shí)鐘因?yàn)槭菬o線傳播，容易受到環(huán)境以及空氣的影響，雖然 沒有累計(jì)誤差，但是存在抖動(dòng)誤差;晶振因?yàn)椴皇墉h(huán)境的影響沒有抖動(dòng)誤差，但是存在累計(jì) 誤差;本發(fā)明就是利用衛(wèi)星時(shí)鐘和晶振的互補(bǔ)特點(diǎn)，通過自主開發(fā)的電路以及算法，使輸出 的秒信號(hào)不存在累計(jì)誤差，也不存在抖動(dòng)誤差，并且輸出高精度的頻率信號(hào)。
[0054] 圖3為本發(fā)明的數(shù)字鎖相環(huán)電路的原理圖，數(shù)字鎖相環(huán)電路的主要功能是使得輸 出信號(hào)和輸入信號(hào)相位保持一定固定的關(guān)系，鎖相環(huán)一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)，輸出信號(hào)和輸入 信號(hào)相位關(guān)系基本保持不變，只有很小的抖動(dòng)誤差，而沒有頻率誤差，本發(fā)明基于這一原理 實(shí)現(xiàn)高精度同步時(shí)鐘，既能消除晶振時(shí)鐘引起的累積誤差，同時(shí)保持了較小的隨機(jī)誤差。
[0055] 該電路的主要功能是使輸出1PPS信號(hào)和輸入1PPS信號(hào)保持一致，因?yàn)檩敵?PPS信 號(hào)由本地晶振產(chǎn)生，所以沒有抖動(dòng)誤差，而不像衛(wèi)星信號(hào)中的1PPS信號(hào)存在抖動(dòng)誤差，所以 能提供一個(gè)比較精確的時(shí)鐘。
[0056] 圖4是本發(fā)明的晶振頻率參考電路的原理圖，衛(wèi)星接收機(jī)接收到的1PPS信號(hào)雖然 沒有累計(jì)誤差，但是它的抖動(dòng)會(huì)根據(jù)天氣情況的變化發(fā)生改變的，所以有時(shí)候它輸出的時(shí) 間信息抖動(dòng)也是很大的，所以采集到的1PPS是不能直接用到系統(tǒng)當(dāng)中的，因?yàn)樗苍S會(huì)長(zhǎng) 時(shí)間處于偏向一邊的狀態(tài)，此時(shí)就需要利用晶振的頻率作為它的參考信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處 理，消除衛(wèi)星信號(hào)的抖動(dòng)誤差，輸出既不存在累積誤差也不存在抖動(dòng)誤差的高精度1PPS信 號(hào)。
[0057] 圖5是本發(fā)明的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述控制模塊包括MCU控制 器、工作狀態(tài)判斷模塊、采樣模塊、基準(zhǔn)信號(hào)輸出模塊，所述MCU控制器分別與所述工作狀態(tài) 判斷模塊、所述采樣模塊、所述基準(zhǔn)信號(hào)輸出模塊連接，所述MCU控制器用于計(jì)算處理數(shù)據(jù) 信息，所述工作狀態(tài)判斷模塊用于實(shí)時(shí)判斷所述衛(wèi)星接收機(jī)接收的1PPS信號(hào)的有效性，所 述采樣模塊用于接收所述晶振輸出的頻率信號(hào)，所述基準(zhǔn)信號(hào)輸出模塊用于輸出既不存在 累積誤差也不存在抖動(dòng)誤差的高精度1PPS信號(hào)以及高精度頻率信號(hào)。
[0058] 本發(fā)明利用1000秒來消除BD/GPS的抖動(dòng)，找到VCTCX0的頻率漂移特性，通過MCU與 CPLD/FPGA的計(jì)算，找到一條符合本晶振的控制規(guī)律，使VCTCX0的精度鎖定到GPS上，解決了 銣鐘、原子鐘的帶來的高成本問題。
[0059]在衛(wèi)星接收機(jī)中，輸出秒時(shí)鐘與衛(wèi)星信號(hào)存在一定的誤差e，考察某一秒時(shí)間序 列，第X個(gè)秒時(shí)鐘的時(shí)間誤差e X，e X服從正態(tài)分布：
[0060] Εχ ~Ν(0，σ2) (1)
[00611不同檔次的GPS接收機(jī)，0數(shù)值大小不同，本發(fā)明采用國(guó)產(chǎn)的BD/GPS雙模接收，小于 50nS0
[0062] 由于高精度晶振的隨機(jī)誤差遠(yuǎn)小于BD/GPS秒時(shí)鐘的隨機(jī)誤差，它的隨機(jī)誤差可以 忽略不計(jì)，因此不考慮晶振秒時(shí)鐘的隨機(jī)誤差，僅考慮晶振的頻率偏差及頻率的線性漂移， 由晶振分頻產(chǎn)生秒時(shí)間序列的第X個(gè)秒時(shí)鐘的時(shí)間誤差μ (X)可以表示為：
[0063] μ(χ) =a+bx+cx2 (2)
[0064] 式中：a為秒時(shí)間序列的初始誤差，b為考慮頻率偏差的誤差系數(shù)，c為考慮頻率線 性漂移的誤差系數(shù)。
[0065] 由式（1)和式（2)得晶振分頻秒時(shí)鐘（簡(jiǎn)稱晶振秒時(shí)鐘）與GPS秒時(shí)鐘之間的偏差 為：
[0066] Yx = a+bx+cx2+Ex，xEn (3)
[0067] 晶振秒時(shí)鐘與GPS秒時(shí)鐘的偏差是可以測(cè)量的，設(shè)測(cè)量結(jié)果序列Y表示為：￥:， ￥2，一，￥\，一八 11，由￥的時(shí)間序列按式(3)所示的一元二次回歸分析模型估計(jì)出回歸系數(shù)&、 b、c，則晶振輸出的第X個(gè)秒時(shí)鐘與衛(wèi)星信號(hào)之間的誤差估計(jì)值μ(χ)為：
[0068] μ(χ) =a+bx+cx2 (4)
[0069] 根據(jù)誤差估計(jì)值μ(χ)對(duì)晶振的頻率進(jìn)行補(bǔ)償，得到高精度的晶振頻率以及產(chǎn)生高 精度時(shí)鐘。
[0070]進(jìn)一步地，所述控制模塊還用于監(jiān)測(cè)所述晶振的頻率變化趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)方法為數(shù)字 模擬方法，所述數(shù)字模擬方法為利用晶振頻率的每一時(shí)刻的變化，長(zhǎng)期建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)應(yīng) 監(jiān)控公式為：
[0071] f (t) =at3+bt2+ct+do
[0072] 式中，f (t)為對(duì)應(yīng)時(shí)間段的晶振的頻率，a、b、c分別為固定參數(shù)，do為每個(gè)頻率的 參考值頻率。
[0073] 本發(fā)明利用溫補(bǔ)晶振(VCTCX0)、帶FPGA+MCU的芯片以及DAC等器件，加上BDGPS等 時(shí)鐘系統(tǒng)，用最簡(jiǎn)單、最低成本的方法，把10-6、10-7量級(jí)的溫補(bǔ)晶振(TCX0)馴服成高精度輸 出，直接鎖定到BD/GPS的原子鐘上，精度最高可達(dá)10-12以上，同時(shí)解決了晶振自身存在的問 題:老化率、累計(jì)誤差，因?yàn)闇匮a(bǔ)晶振鎖定到原子鐘上，晶振的老化率及累計(jì)誤差將得以控 制，頻率不會(huì)隨著晶振的通電時(shí)間長(zhǎng)而發(fā)生變化。
[0074] 本發(fā)明的方法和記時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行成本低，通過科學(xué)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供高精度時(shí) 鐘信號(hào)輸出，精度可在1〇_12以上，已成功地應(yīng)用于電力、通信系統(tǒng)暫態(tài)變化過程的異地同步 記錄。
[0075] 上面所述MCU根據(jù)所述統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一元非線性回歸方程式計(jì)算，計(jì)算出需要調(diào) 整的數(shù)據(jù)，利用一元二次回歸數(shù)學(xué)模型迅速調(diào)整10MHz的TCX0輸出頻率，以及Μ⑶的1PPS的 輸出頻率，通過DAC芯片輸出控制電壓給溫補(bǔ)晶體振蕩器的頻率調(diào)整電壓腳，使溫補(bǔ)晶體振 蕩器的精度鎖定在BD/GPS的原子鐘上，實(shí)現(xiàn)高精度記時(shí)，精度可在10- 12以上。從而輸出高精 度的1PPS。
[0076]具體算法說明如下：
[0077] 假如一個(gè)標(biāo)稱f0 = 10000000M的晶振，用安捷倫的53220Α頻率計(jì)數(shù)器測(cè)試的頻率 為Π = 10000000.11000，精確度為
[0078] (fO-Π )/f〇 = (10000000-10000000 · 11 )/1〇〇〇〇〇〇〇 = -1 · 1E_08( 10-8)
[0079] 從以上公式看出，理想精度是10-8，但是因?yàn)闊o論是Μ⑶還是CPLD/FPGA，小數(shù)點(diǎn)后 面的數(shù)據(jù)均不能處理，所以Π 的頻率在MCU和CPLD/FPGA運(yùn)算里面為10000000(小數(shù)點(diǎn)讀不 出來），實(shí)際計(jì)算如下：
[0080] (??-Π)/?? = (10000000-10000000)/10000000 = -0Ε-07(10-7)
[0081] 只能是10-7精度，那么現(xiàn)有技術(shù)要做到10-12,唯一的辦法可以倍頻，因?yàn)楦弑额l對(duì) 硬件要求比較高，所以此倍頻方法不可以采用。
[0082] 本發(fā)明在現(xiàn)有方法上做了改進(jìn)，比如我們有一個(gè)TCX0溫補(bǔ)晶振的精確度為 10000000.5,從圖6我們可以看到：
[0083] 1秒鐘MCU計(jì)的頻率為10000000，小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)據(jù)被去掉；
[0084] 2秒鐘分開計(jì)MCU的頻率為20000000( 10000000+10000000)小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)據(jù)被去 掉；
[0085] 假設(shè)一個(gè)晶振的頻率用示波器測(cè)試出來每秒鐘的頻率是10000000.5000Hz，因?yàn)?MCU只能計(jì)整數(shù)部分，那么將丟失小數(shù)部分，如果延長(zhǎng)了計(jì)數(shù)周期到2秒，那么MCU將計(jì)數(shù)為
[0086] F = fl+f2 = 10000000.5000+10000000.5000 = 2000001;假設(shè)計(jì)數(shù)周期為 100 秒：
[0087] F = fl+f2+. . ,+Π 00 = 10000000.5000+10000000.5000+. . .+10000000.5000 = 1000000050；
[0088] 以此類推，當(dāng)連續(xù)1000秒的測(cè)試，那么MCU的計(jì)數(shù)為10000000500,這些數(shù)據(jù)能被 MCU處理，從而可以通過一元二次回歸方程式算出需要的壓控電壓(VC)的值，通過調(diào)整TCX0 溫補(bǔ)晶振的壓控電壓使其精度達(dá)到本發(fā)明想要的值。
[0089] 本發(fā)明的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)具有以下有益效果：
[0090] 1)、減少了環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)的影響；
[0091 ] 2)、廣品的技術(shù)指標(biāo)提尚了很多，現(xiàn)在廣品的授時(shí)精度(其中一個(gè)指標(biāo))提尚了 1個(gè) 數(shù)量級(jí)以上；
[0092] 3)、提高了工作效率，方便用戶組網(wǎng)。
[0093]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于，包括衛(wèi)星接收機(jī)、控制模塊，晶振，所述控 制模塊分別與所述衛(wèi)星接收機(jī)、所述晶振連接，所述衛(wèi)星接收機(jī)用于接收衛(wèi)星信號(hào)中的 1PPS信號(hào)，并通過串口把接收的1PPS信號(hào)發(fā)送給所述控制模塊，所述控制模塊判斷1PPS信 號(hào)的有效性，所述晶振用于輸出頻率信號(hào)到所述控制模塊，所述控制模塊包括數(shù)字鎖相環(huán) 電路、晶振頻率參考電路，所述數(shù)字鎖相環(huán)電路用于使輸出1PPS信號(hào)和輸入1PPS信號(hào)保持 一致，消除晶振產(chǎn)生的累計(jì)誤差，所述晶振頻率參考電路用于使接收到的1PPS信號(hào)以晶振 頻率信號(hào)為參考經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，消除衛(wèi)星接收機(jī)產(chǎn)生的抖動(dòng)誤差，輸出既不存在累積誤差 也不存在抖動(dòng)誤差的高精度1PPS信號(hào)以及高精度頻率信號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊包括MCU 控制器、工作狀態(tài)判斷模塊、采樣模塊、基準(zhǔn)信號(hào)輸出模塊，所述MCU控制器分別與所述工作 狀態(tài)判斷模塊、所述采樣模塊、所述基準(zhǔn)信號(hào)輸出模塊連接，所述MCU控制器用于計(jì)算處理 數(shù)據(jù)信息，所述工作狀態(tài)判斷模塊用于實(shí)時(shí)判斷所述衛(wèi)星接收機(jī)接收的1PPS信號(hào)的有效 性，所述采樣模塊用于接收所述晶振輸出的頻率信號(hào)，所述基準(zhǔn)信號(hào)輸出模塊用于輸出既 不存在累積誤差也不存在抖動(dòng)誤差的高精度1PPS信號(hào)以及高精度頻率信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于，消除衛(wèi)星接收機(jī)產(chǎn)生的 抖動(dòng)誤差具體方法如下： 在衛(wèi)星接收機(jī)中，輸出1PPS信號(hào)與衛(wèi)星信號(hào)存在一定的誤差e，考察某一秒時(shí)間序列， 第X個(gè)1PPS信號(hào)的時(shí)間誤差e X，e X服從正態(tài)分布： ex ~Ν(0，σ2) (1) 〇表示衛(wèi)星接收機(jī)的授時(shí)精度； 由晶振分頻產(chǎn)生頻率信號(hào)序列的第X個(gè)頻率信號(hào)的時(shí)間誤差μ(χ)表示為： μ(χ) =a+bx+cx2 (2) 式中：a為頻率信號(hào)序列的初始誤差，b為考慮頻率偏差的誤差系數(shù)，c為考慮頻率線性 漂移的誤差系數(shù)； 由式(1)和式(2)得晶振頻率信號(hào)與1PPS信號(hào)之間的偏差為： Yx = a+bx+cx2+￡x,x￡n (3) 晶振頻率信號(hào)與1PPS信號(hào)的偏差是可測(cè)量的，設(shè)測(cè)量結(jié)果序列Y表示為I^Ys，···， ￥\，一，￥11，由￥的時(shí)間序列按式(3)所示的一元二次回歸分析模型估計(jì)出回歸系數(shù)&、13、(3，則 晶振輸出的第X個(gè)頻率信號(hào)與衛(wèi)星信號(hào)之間的誤差估計(jì)值μ(χ)為： μ(χ) =a+bx+cx2 (4) 根據(jù)誤差估計(jì)值μ(χ)對(duì)晶振的頻率進(jìn)行補(bǔ)償，得到高精度的晶振頻率。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述σ數(shù)值小于50nS。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊還用于監(jiān) 控所述晶振的頻率變化趨勢(shì)，監(jiān)控方法為數(shù)字模擬方法，所述數(shù)字模擬方法為利用晶振頻 率的每一時(shí)刻的變化，長(zhǎng)期建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)應(yīng)監(jiān)控公式為： f(t)= at3+bt2+ct+do 式中，f(t)為對(duì)應(yīng)時(shí)間段的晶振的頻率，a、b、c分別為固定參數(shù)，do為每個(gè)頻率的參考值 頻率。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述晶振通過調(diào)整晶振 的VC端電壓，使其輸出高精度的頻率信號(hào)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高精度授時(shí)系統(tǒng)，其特征在于，所述1PPS信號(hào)的有效性 條件為衛(wèi)星信號(hào)大于或等于4顆為有效。
【文檔編號(hào)】G04R20/02GK105867107SQ201610217108
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】唐道勇, 楊坤, 張宏偉, 姚鑫榮
【申請(qǐng)人】唐道勇