基本信息
- 項目名稱：
- 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
- 簡介：
- 本設(shè)計是一個利用GPS秒脈沖校準的射頻頻率發(fā)生器。其具有高分辨率高準確度，高穩(wěn)定度的特點。同時能夠免去一般信號發(fā)生器需要定期校準的缺點?？梢詮V泛應用于通信測試測量等各個領(lǐng)域。
- 詳細介紹：
- 現(xiàn)有的射頻頻率源大多采用恒溫晶振作為頻標，以獲得比較好的頻率短期穩(wěn)定度，但是恒溫晶振的長期穩(wěn)定度不能保證，即存在累積誤差，需要定期校準。本設(shè)計利用GPS秒脈沖沒有累計誤差的特點，通過以本地晶振為基準測量GPS秒脈沖的時間間隔，將誤差進行卡爾曼濾波后，轉(zhuǎn)換為DAC的輸入值，調(diào)整本地晶振的輸出頻率，從而獲得一個長期與短期穩(wěn)定度都很好的頻標，來作為后級鎖相環(huán)頻率綜合器的激勵。這樣就可以獲得一個穩(wěn)定度很好的射頻信號，降低了校準成本。同時，本設(shè)計有自適應學習算法，在GPS信號丟失的情況下也可以把誤差控制在一定范圍內(nèi)。 為了達到晶振與GPS信號的長期同步，就需要測量GPS秒脈沖與本地晶振之間的相對時間關(guān)系。而精密的時間間隔測量就是保證頻率同步系統(tǒng)的關(guān)鍵。本設(shè)計利用了Spartan3系列FPGA內(nèi)部的高速進位鏈（Carry Chain）進行內(nèi)插從而實現(xiàn)了精密的時間間隔測量，相較傳統(tǒng)的計時器計時精度有了較大的提高。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品的設(shè)計目的與基本思路： 為了解決傳統(tǒng)射頻頻率源內(nèi)部時基存在長期漂移導致的設(shè)備間頻率不同步的問題。本作品設(shè)計了一種基于GPS秒脈沖的頻率校準系統(tǒng)，用于校準本地OCXO，能夠得到高準確度和穩(wěn)定度的頻率信號。并以此作為頻標，通過一個兩級PLL頻率合成器得到一個高分辨率射頻信號。 本作品的主要創(chuàng)新點： 1. 將GPS頻率同步技術(shù)與頻率合成技術(shù)結(jié)合起來，降低了儀器的維護成本 2. 在GPS頻率校準環(huán)路中，使用了卡爾曼濾波器，抑制了GPS秒脈沖信號上的干擾。 3. 在GPS頻率校準環(huán)路中，使用了“計數(shù)器+延遲線內(nèi)插器”作為鑒頻鑒相器，提高了鑒相精度，減小了對秒脈沖的量化誤差。 4. 采用自適應保持算法，在GPS失鎖后，可繼續(xù)保持定時精度一段時間 主要技術(shù)指標： 1. 準確度：<1E-12(GPS鎖定，24小時平均) <5E-10(在GPS鎖定24小時后GPS失鎖，保持24小時內(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)
科學性、先進性
- 1.利用GPS授時技術(shù)校準本地時基，從而提高了本地時基的長期穩(wěn)定性。 2.利用FPGA內(nèi)部高速進位資源構(gòu)造延遲線，配合計數(shù)器，實現(xiàn)了一個高精度鑒頻鑒相器，其對時間的測量精度可以達到200ps。 3.利用卡爾曼濾波對數(shù)據(jù)進行處理，比傳統(tǒng)的滑動平均濾波等方法更好的抑制了GPS秒脈沖的抖動，且不用儲存大量數(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，同時消除了零差。 5.利用兩級PLL頻率合成器在全部輸出范圍內(nèi)達到0.1Hz的頻率分辨率 參考文獻見查新報告
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011.6第十一屆四川省“挑戰(zhàn)杯”課外學術(shù)科技作品大賽 一等獎 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內(nèi)相關(guān)文獻中，未見有將GPS時頻同步系統(tǒng)與射頻頻率合成相結(jié)合的產(chǎn)品。未見同時具備本項目查新點的公開文獻報道。 2011.6受到2009年度中央高?；究蒲袠I(yè)務費學生項目資助，并成功結(jié)題 2011.5受到國家級大學生科技創(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
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 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)特點及優(yōu)勢：1.頻率穩(wěn)定度高，無漂移，免校準。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格，實現(xiàn)了比恒溫晶振更好的性能，同時加入了頻率合成功能。本作品可以廣泛應用于通信，電子等行業(yè)的開發(fā)，測試，維修等部門，特別是一些對頻率的分辨率以及準確度要求高，而又不方便經(jīng)常進行儀器校準的場合。其可以低廉的價格實現(xiàn)接近銣鐘的穩(wěn)定度，性價比很高，很適合大學生做無線通信相關(guān)的創(chuàng)新實驗之用，也可用于業(yè)余無線電等應用。同時，本設(shè)計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。從整個市場來看，國內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品面世。單就GPS頻率同步模塊來看，市場價格大都在萬元以上，其所針對的主要是電信金融的部門。故可以看出，在本產(chǎn)品的市場定位上，還沒有競爭對手出現(xiàn)。其市場及利潤空間很大。
同類課題研究水平概述
- 目前，國內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品出現(xiàn)的報道。就GPS頻率同步來說，以世界同步產(chǎn)品市場占有率最高的symmetricom公司的XLI頻率同步系統(tǒng)為例： 其和本設(shè)計相關(guān)的主要技術(shù)指標如下： 頻率穩(wěn)定度<1E-12（GPS鎖定，24小時平均） <5E-7（無GPS信號） 可以看出，本產(chǎn)品在頻率穩(wěn)定度方面達到了世界先進水平。在失鎖保持上甚至領(lǐng)先國際先進水平一個數(shù)量級。 在學術(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)對本地晶振進行閉環(huán)校正。主要的研究方向是減小對GPS信號的測量誤差以及對GPS信號干擾的抑制。 就測量技術(shù)來講，方向是使用專用數(shù)字延遲線芯片進行內(nèi)插測量或使用專門的時間測量，本文在此基礎(chǔ)之上使用了FPGA內(nèi)部的進位資源構(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平均濾波器等簡單手段對其進行處理，本設(shè)計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。
