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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于GPS 同步晶振的高分辨率射頻頻率源
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本設(shè)計(jì)是一個(gè)利用GPS秒脈沖校準(zhǔn)的射頻頻率發(fā)生器。其具有高分辨率高準(zhǔn)確度，高穩(wěn)定度的特點(diǎn)。同時(shí)能夠免去一般信號(hào)發(fā)生器需要定期校準(zhǔn)的缺點(diǎn)?？梢詮V泛應(yīng)用于通信測(cè)試測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。
- 詳細(xì)介紹：
- 現(xiàn)有的射頻頻率源大多采用恒溫晶振作為頻標(biāo)，以獲得比較好的頻率短期穩(wěn)定度，但是恒溫晶振的長(zhǎng)期穩(wěn)定度不能保證，即存在累積誤差，需要定期校準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)利用GPS秒脈沖沒有累計(jì)誤差的特點(diǎn)，通過以本地晶振為基準(zhǔn)測(cè)量GPS秒脈沖的時(shí)間間隔，將誤差進(jìn)行卡爾曼濾波后，轉(zhuǎn)換為DAC的輸入值，調(diào)整本地晶振的輸出頻率，從而獲得一個(gè)長(zhǎng)期與短期穩(wěn)定度都很好的頻標(biāo)，來作為后級(jí)鎖相環(huán)頻率綜合器的激勵(lì)。這樣就可以獲得一個(gè)穩(wěn)定度很好的射頻信號(hào)，降低了校準(zhǔn)成本。同時(shí)，本設(shè)計(jì)有自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，在GPS信號(hào)丟失的情況下也可以把誤差控制在一定范圍內(nèi)。 為了達(dá)到晶振與GPS信號(hào)的長(zhǎng)期同步，就需要測(cè)量GPS秒脈沖與本地晶振之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系。而精密的時(shí)間間隔測(cè)量就是保證頻率同步系統(tǒng)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)利用了Spartan3系列FPGA內(nèi)部的高速進(jìn)位鏈（Carry Chain）進(jìn)行內(nèi)插從而實(shí)現(xiàn)了精密的時(shí)間間隔測(cè)量，相較傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)精度有了較大的提高。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品的設(shè)計(jì)目的與基本思路： 為了解決傳統(tǒng)射頻頻率源內(nèi)部時(shí)基存在長(zhǎng)期漂移導(dǎo)致的設(shè)備間頻率不同步的問題。本作品設(shè)計(jì)了一種基于GPS秒脈沖的頻率校準(zhǔn)系統(tǒng)，用于校準(zhǔn)本地OCXO，能夠得到高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的頻率信號(hào)。并以此作為頻標(biāo)，通過一個(gè)兩級(jí)PLL頻率合成器得到一個(gè)高分辨率射頻信號(hào)。 本作品的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 1. 將GPS頻率同步技術(shù)與頻率合成技術(shù)結(jié)合起來，降低了儀器的維護(hù)成本 2. 在GPS頻率校準(zhǔn)環(huán)路中，使用了卡爾曼濾波器，抑制了GPS秒脈沖信號(hào)上的干擾。 3. 在GPS頻率校準(zhǔn)環(huán)路中，使用了“計(jì)數(shù)器+延遲線內(nèi)插器”作為鑒頻鑒相器，提高了鑒相精度，減小了對(duì)秒脈沖的量化誤差。 4. 采用自適應(yīng)保持算法，在GPS失鎖后，可繼續(xù)保持定時(shí)精度一段時(shí)間 主要技術(shù)指標(biāo)： 1. 準(zhǔn)確度：<1E-12(GPS鎖定，24小時(shí)平均) <5E-10(在GPS鎖定24小時(shí)后GPS失鎖，保持24小時(shí)內(nèi)) 2. 穩(wěn)定度：1s <1E-10 3. 頻率輸出范圍：50MHz～4.4GHz 4. 頻率分辨率： 整個(gè)量程內(nèi)分辨率為0.1Hz 5. 相位噪聲： @(60MHz): <-120dBc/Hz @(10KHz offset) <-140dBc/Hz @(100KHz offset) @(4GHz): <-70dBc/Hz @(10KHz offset) <-100dBc/Hz @(100KHz offset)
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.利用GPS授時(shí)技術(shù)校準(zhǔn)本地時(shí)基，從而提高了本地時(shí)基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 2.利用FPGA內(nèi)部高速進(jìn)位資源構(gòu)造延遲線，配合計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高精度鑒頻鑒相器，其對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度可以達(dá)到200ps。 3.利用卡爾曼濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比傳統(tǒng)的滑動(dòng)平均濾波等方法更好的抑制了GPS秒脈沖的抖動(dòng)，且不用儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)。 4.利用PI控制算法，加快了數(shù)字鎖相環(huán)的收斂速度，同時(shí)消除了零差。 5.利用兩級(jí)PLL頻率合成器在全部輸出范圍內(nèi)達(dá)到0.1Hz的頻率分辨率 參考文獻(xiàn)見查新報(bào)告
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011.6第十一屆四川省“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)科技作品大賽 一等獎(jiǎng) 2011.6 在教育部科技查新工作站（D01）處查新，結(jié)論為：在上述檢索范圍檢索到的國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)中，未見有將GPS時(shí)頻同步系統(tǒng)與射頻頻率合成相結(jié)合的產(chǎn)品。未見同時(shí)具備本項(xiàng)目查新點(diǎn)的公開文獻(xiàn)報(bào)道。 2011.6受到2009年度中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)學(xué)生項(xiàng)目資助，并成功結(jié)題 2011.5受到國(guó)家級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助，并獲得優(yōu)秀結(jié)題
作品所處階段
- 樣機(jī)調(diào)試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利授權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 樣機(jī)
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 連接好外置GPS有源天線。，在鍵盤上輸入頻率值，，大約5~10分鐘以后GPS可以把本地晶振鎖定在理想頻率上。 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：1.頻率穩(wěn)定度高，無漂移，免校準(zhǔn)。2.射頻輸出分辨率高，相噪低。3.成本低，整套系統(tǒng)成本在千元以下，以一只恒溫晶振的價(jià)格，實(shí)現(xiàn)了比恒溫晶振更好的性能，同時(shí)加入了頻率合成功能。本作品可以廣泛應(yīng)用于通信，電子等行業(yè)的開發(fā)，測(cè)試，維修等部門，特別是一些對(duì)頻率的分辨率以及準(zhǔn)確度要求高，而又不方便經(jīng)常進(jìn)行儀器校準(zhǔn)的場(chǎng)合。其可以低廉的價(jià)格實(shí)現(xiàn)接近銣鐘的穩(wěn)定度，性價(jià)比很高，很適合大學(xué)生做無線通信相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)之用，也可用于業(yè)余無線電等應(yīng)用。同時(shí)，本設(shè)計(jì)也可以以單板形式嵌入到其他的大型系統(tǒng)中，為其提供穩(wěn)定的頻率射頻信號(hào)。從整個(gè)市場(chǎng)來看，國(guó)內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品面世。單就GPS頻率同步模塊來看，市場(chǎng)價(jià)格大都在萬元以上，其所針對(duì)的主要是電信金融的部門。故可以看出，在本產(chǎn)品的市場(chǎng)定位上，還沒有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手出現(xiàn)。其市場(chǎng)及利潤(rùn)空間很大。
同類課題研究水平概述
- 目前，國(guó)內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品出現(xiàn)的報(bào)道。就GPS頻率同步來說，以世界同步產(chǎn)品市場(chǎng)占有率最高的symmetricom公司的XLI頻率同步系統(tǒng)為例： 其和本設(shè)計(jì)相關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 頻率穩(wěn)定度<1E-12（GPS鎖定，24小時(shí)平均） <5E-7（無GPS信號(hào)） 可以看出，本產(chǎn)品在頻率穩(wěn)定度方面達(dá)到了世界先進(jìn)水平。在失鎖保持上甚至領(lǐng)先國(guó)際先進(jìn)水平一個(gè)數(shù)量級(jí)。 在學(xué)術(shù)界，目前已發(fā)表的論文，就GPS頻率同步技術(shù)而言都是采用數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)本地晶振進(jìn)行閉環(huán)校正。主要的研究方向是減小對(duì)GPS信號(hào)的測(cè)量誤差以及對(duì)GPS信號(hào)干擾的抑制。 就測(cè)量技術(shù)來講，方向是使用專用數(shù)字延遲線芯片進(jìn)行內(nèi)插測(cè)量或使用專門的時(shí)間測(cè)量，本文在此基礎(chǔ)之上使用了FPGA內(nèi)部的進(jìn)位資源構(gòu)成延遲線，使系統(tǒng)的集成度更高，也降低了成本。 而在抗干擾方面主要還是利用滑動(dòng)平均濾波器等簡(jiǎn)單手段對(duì)其進(jìn)行處理，本設(shè)計(jì)將卡爾曼濾波器的引入，降低了環(huán)路的延遲，大大提高了數(shù)字鎖相環(huán)路的收斂速度。
