基于北斗秒脉冲的多种同步信号源设计

陈俊江 杨建国 傅瑞峰 黄旭方

摘 要： 现代通信系统对频率源的精度、分辨率、转换时间及频谱纯度等提出了越来越高的要求，性能卓越的频率源均通过频率合成技术来实现。设计了一种基于74HCT4046A的电荷泵锁相环频率源电路。通过接收北斗卫星发送的1 Hz方波输入信号，对输入的秒脉冲进行有效性鉴定后，对本地频率信号进行校正，实现信号的同步，再输出高稳定性和高精度的同步信号。

关键词： 秒脉冲； 74HCT4046A； 同步； 电荷泵锁相环； 频率源电路； 频率合成技术

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）13?0163?05

Abstract： The high requirement of modern communication system is put forward for the frequency source precision， resolution， conversion time and spectrum purity. The frequency source with superior performance is realized by means of the frequency synthesis technology. A charge pump phase?locked loop frequency source circuit based on 74HCT4046A was designed in this paper. By receiving the square wave input signal of 1 Hz sent by Beidou satellite， the input pulse per second is distinguished effectively， and then the local frequency signal is corrected to realize the signal synchronization and output the synchronous signal with high stability and precision.

Keywords： pulse per second； 74HCT4046A； synchronization； charge pump phase?locked loop； frequency source circuit； frequency synthesis technology

0 引 言

卫星授时是一种高精度可靠的时间同步方法，中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，通过远距离接收北斗时间频率信号作为一个标准频率参考源，与本地的一个振荡器频率通过频率校准实现高稳、高精度的频率信号，具有成本低、效率高的特点[1]。

随着科技水平的进步，数据处理速度越来越快，对系统时钟精度以及同步性的要求变得越来越高。由于本地晶振具有短时稳定性，卫星信号的秒脉冲具有长时间稳定性，所以将本地晶振与卫星信号的秒脉冲相结合进行授时，被认为是能同时满足高精度和同步的最优选择，从而实现具有高稳定性和高精度的同步时钟源[2]。

本文设计了一种基于北斗卫星导航系统的锁相频率源，总体思路是采用锁相环频率合成技术合成北斗的时间频率信号和本地振荡器的频率信号，以使合成频率源同时具有良好的长期稳定度和短期稳定度。先分析北斗接收机秒脉冲信号的随机误差，然后利用74HCT4046A的电荷泵锁相环将北斗接收机输出的时间脉冲信号与本地一个高稳、高精度晶振的频率信号合成，再通过分频器生成多种同步信号源，实现长期稳定度和短期稳定度皆优的频率源。

1 频率源设计

频率源设计的整体框架由一个锁相环系统和一个输出选择模块构成，如图1所示。

1） 鉴相器（PD）的作用是将输入两路信号的相位进行比较，然后将相位差信号通过转换器变成电压信号输出。系统的输入信号是秒脉冲信号，可采用锁相环集成芯片74HCT4046的PC2口，芯片中的鉴相器具有电荷泵输出功能。

2） 环路滤波器（LPF）是锁相环电路设计中最主要的部分，该滤波器主要对环路中的噪声进行滤波，将鉴相器输出的相位差信号平均化，从而达到整个环路的动态平衡稳定。同时根据不同的输出特性和要求对滤波器进行不同的设计，目前广泛应用的有有源滤波器和无源滤波器两种。相对无源滤波器，有源滤波器具有更高的增益输出，而无源滤波器设计相对比较简单，无源滤波器又分为低阶和高阶滤波器，本文给出无源二阶滤波器的具体设计方法。

3） 压控振荡器（VCO）在锁相环电路中输出一个频率信号，该频率信号输出受压控振荡器输入电压动态控制，该输出频率和输入电压满足线性关系。因此可以根据输出的频率要求设置输入电压参数，本文根据74HCT4046压控振荡器输出的中心频率和外部器件关系曲线图来设计其外部的输入情况，从而实现输出高精度、稳定性好的输出信号频率。

4） 可变程序分频器的作用是使压控振荡器的输出频率经分频后再与参考频率进行相位比较，从而产生误差控制电压，并以误差控制电压来调整压控振荡器的相位。本文输入的基准频率信号是北斗接收机输出的1 kHz信号，压控振荡器输出为10 MHz的反馈信号频率，因此利用反馈分频器将10 MHz的反馈[3]信号进行10 000分频可得到秒脉冲，这里采用多片计数器74LS390B级联进行分频器设计。