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1、中国科学院上海天文台硕士学位论文用远距离传输的标准时间信号锁定本地晶体振荡器的方法研究姓名：郭芳申请学位级别：硕士专业：天文技术与方法指导教师：黄佩诚20050601摘要摘要卫星定位系统提供的全天候高精度标准时间信号在社会生产生活的各卜方面得到了广泛应用。如何利用这种远距离传输的高精度标准时间信号来锁定本地晶体振荡器或铷原予钟得到同时具有优秀的短稳与长稳的频率信号是一个值得研究的课题。论文提出了一个以远距离传输的标准时闻信号为参考来锁定本地晶体振荡器的锁相控制系统的实现方案。论文介绍了锁相环原理以及锁相环各组成模块的线性化模型，并进行了软、硬件设计。选用高精度时间数字转换芯片T D C ( T
2、 i m et oD i g i t a lc _ o n v e r t e r ) 使得鉴相精度达到O 5 n s ；采用双1 2 位D A 转换芯片与高精度低噪声运算放大器的组合，用低成本的方法改善了执行机构的精度和动态范围：进行了相关数字电路与软件的设计。论文研究了信号滤波、外推和闭环控制算法。针对系统存在噪声水平高和控制精度要求高的特点，分析、设计和试验了两种滤波和控制算法，使系统最聂的输出保持了本地振荡器的短稳，又利用参考信号改善了系统输出的长稳。论文最后给出了实验结果，通过实验调试，V C X O 的准确度达1 5 1 0 。1 ，接近或达到国内外各种G P S 控制晶体振荡器的
3、水平。关键宇：远距离传输标准时间信号T D C双D A 转换K a l m a n 滤波外推预测模型控制曲线拟合论文题目：用远距离传输的标准时间信号锁定本地晶体振荡器的方法研究作者：郭芳指导教师：黄佩诚A B S T R A C TA B S T R A C TA st h ea l l w e a t h e ra n dh i c ap r e c i s i o ns t a n d a r dt i m es i g n a ls u p p l i e db yt h es a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs y s t e m si sw i
4、 d e l yu s e d ，t h em e t h o dp r o v e sw o r t h yo fr e s e a r c h ，w h i c ho b t a i n saf r e q u e n c ys i g n a lw i t hb o t he x c e H e n tl o n g t e r ma n ds h o r t t e r ms t a b i l i t yb yl o c k i n gt h el o c a lo s c i l l a t o r0 nt h es t a n d a r dt i m es i g n a lt
5、 h a tt r a n s m i t t e df r o mal o n gd i s t a n c e I nt h i sp a p e r , as o l u t i o no fac o n t r o ls y s t e m ，w h i c hu s e st h es t a n d a r dt i m es i g n a la St h es y s t e mr e f e r e n c et ol o c kt h el o c a lV C X O ，i sp r o p o s e d P a p e rd e s c r i b e st h ep
6、 r i n c i p l eo ft h eP L L ，t h el i n e a r i z e dm o d e lo fi t sm o d u l e s ，i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n Ah i 曲p r e c i s i o nt i m et od i g i t a lc o n v e r t e r ( T D C ) ，w h i c hi n c r e a s e st h ep h a s ed e t e c t o rp r e c i s i o
7、 nt oO 5 n s 。i si n t r o d u c e d M o r e o v e r , b yc o m b i n i n gd u a l12 - b i tD Ac o n v e r t e r sa n dh i g h - p r e c i s i o nl o w n o i s eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r s ，an o v e lm e t h o dw i t ht h ea d v a n t a g eo fl o wC O S t ，i sb r o u g h ti nt oi m p r
8、o v et h ep r e c i s i o na n dt h ed y n a m i cr a n g eo ft h ea c t u a t o r I na d d i t i o n ，a l lt h er e l a t i v ed i g i t a lc i r c u i ta n di t ss o f t w a r ea r eg i v e ni nt h ep a p e r A r i t h m e t i co ft h ef i l t e r i n gs i g n a le x t r a p o l a t i n ga n dt h
9、ec l o s e d l o o pc o n t r o la r es t u d i e d ，T oo v e r c o m et h eh i c an o i s eo ft h er e f e r e n c ef r e q u e n c ya n dm e e to u t p ms y s t e mr e q u i r e m e n to ft h eh i 醢c o n t r o lp r e c i s i o n ，t w of i l t e r i n ga n dc o n t r o la r i t h m e t i c ，w h i c
10、 hh o l dt h es h o r t t e r ms t a b i l i t yo ft h eV C X Oa n di m p r o v ei t sl o n g r t e r ms t a b i l i t yb yt h er e f e r e n c e a r ed e s c r i b e di nd e t m l A tt h ee n do f t h ep a p e r , t h ee x p e r i m e n td a t a ，w h i c ha c h i e v e1 5 1 0 ”p r e c i s i o na n
11、dg e n e r a l l yr e a c ht h el e v e lo ft h es a m et y p ep r o d u c t sb o t hh e r ea n da b r o a d ，a r ep r o v i d e d 中国科学院上海天文台硕士论文K e y w o r d s ：l o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o nT D Ce x t r a p o l a t i o np r e d i c t i o nK a l m a nf i l W r i n gS u b j e c t ：A u
12、 t h o r ：D i r e c t e db y ：s t a n d a r dt i m es i g n a ld o u b l eD Ac o n v e r t e rM o d e lc o r d r 0 1c u r v ef i t t i n gT h em e t h o dt ol o c kt h el o c a lV C X Oo i lt h es t a n d a r dt i m es i g n a lt h a tt r a n s m i t t e df r o mal o n gd i s t a n c eF a n g G u oP
13、 e i c h e n gH u a n g第l 章绪论第1 章绪论高精度时间频率测量与控制是由多学科、多技术领域交叉形成的一门技术学科，包含了材料、天文、物理、数学、电路、信号处理和检测技术等在内的广泛内容。时频控制和测量技术的发展推动了工业技术的提高，反过来，工业技术的提高又为时频控制和测量技术提供了继续发展的条件。精密时间频率在现代工业、交通、电信、军事等领域起着至关重要的作用。随着社会的发展，对时频基准精度的要求将越来越高。用远距离传输的标准时间信号锁定本地品体振荡器是一项既有意义又有挑战性的工作。1 1 课题名称用远距离传输的标准时间信号锁定本地晶体振荡器的方法研究。1 2 课题背
14、景G P S 是目前应用最广泛的卫星定位定时系统，除美国的G P S 系统外，类似的还有俄罗斯的G L O N A S S 和中国的北斗定位定时系统，而更高性能的系统也在迅速建立和发展，如欧洲的伽利略系统。卫星定位定时系统能够提供远距离传输的高精度标准时间信号，具有高精度定时、定位和测速能力，使其在军用和民用部门得到了广泛的应用。利用p星定位系统信息中的标准时间定时信号，能实现标准时间尺度的建立，高精度的时间频率统一和同步，以及高精度时间频率比对。现在，利用远距离传输的高精度时间信号进行时间频率同步和比对已经获得广泛使用。中国科学院上海天文台硕士论文利用卫星定位定时系统远程传输的标准时间信号来
15、锁定本地的高频振荡器( 例如铷钟或晶体振荡器) ，能输出高精度的频率信号，它在短期稳定度上能保持本地振荡器的性能，且能在本地被控振荡器上有效地复现接收的标准时间信号的长期稳定度和准确度。以上提及的定位定时系统有个共同的特点：在本地接收到的标准时间都以低频脉冲的形式复现，比如复现出一个标准的秒信号，这样闷题就归结为：用极低频率且经过远距离传输带有极大噪声的标准时间信号来锁定本地的高频振荡器并要求达到一定的精度。这种高精度低成本的标准时间频率信号产生的方法已在通讯、电网同步、卫星测控、大地测量、军事等方面获得广泛应用。本课题在实验中的参考信号是G P S 信号，对于其它定时定位系统的信号具有类比性
16、，因此结论适用于其它的定位定时系统作为参考信号的情况。1 3 国内外发展现状随着卫星定位系统的不断发展，利用远程传输的标准时间信号在本地获取高精度的时间频率成为一种相对便宜而方便的方法，国内外许多公司都进行了相关产品的开发。举例说明如下。( 1 ) 中国科学院国家授时中心研制的P 0 8 8 1 2 型电网用G P S 定时系统和其研制的P 0 9 7 8 型G P S 控制石英晶体频标，在锁定状态下，5 M H z 正弦波输出信号的准确度在开机2 小时后达到几1 0 一w 在开机2 4 小时后可以达到几1 0 叫1 。( 2 ) 惠普公司开发的H P 5 8 5 0 3 AG P S 时间和频率基准的1 0 M H z 输出信号与l p p s 输出信号的有关性能参数分别为：1 2 2 l p p s 输出信号前沿抖动：锁定情况下( 接收卫星信号) 小于5 0 n s ( r m s )2第1 章绪论累积时间误差：在经过3 天的天线定位后，非锁定情况下( 接收不到卫星信号) 2 4 小时的累积时间误差小于
