Symmetricom公司推出的微型GPS用振荡器能方便地替换系统设计中的原子钟。该振荡器搭配赛灵思Zynq SoC，就能构建NTP服务器。
作者：Austin Lesea
赛灵思实验室首席工程师 austin.lesea@xilinx.com
如果您的系统需要掌握确切时间、了解频率情况、或者要为系统提供精确频率，您该怎么办？几个月前，我拿到了一款小组件的样片，尺寸约为1 x 1 x 0.25英寸，而这款小产品好像就能提供这样的魔法功能。它就是Symmetricom公司推出的GPS用温度补偿型晶体振荡器（GPS-TCXO）。
这款评估板的主板上采用RS232转USB芯片，能转换TCXO进/出接口和GPS接收器装置。唯一需要做的或许就是安装支持USB的软件，当然也要找一个安放磁铁座的地方，让GPS天线能接收空中卫星信号。
蜂窝基站、无线电系统和计算机系统工作均需要精确计时或精确频率。采用固定GPS系统的一大优势在于，因为它不移动，因此相对非固定系统而言，能提供更好的频率参考，更精确的定位和时间信息。如果是移动应用，可能会在一定程度上影响精确度，但采用TCXO，仍可确保设计出真的非常棒的系统。
什么才叫精确？
原子钟其实不是真正的时钟，而是带有源或无源微波激射器的原子振荡器。铯原子钟是作为“主参考”典型频率源，能提供精确的频率，误差不超过1E-11。典型的铯原子钟参考精确度甚至可能达到1E-12，不过自身也有大约+/-100纳秒的延迟(wander)（但没有漂移(drift)）。这样的参考有时被称作Stratum 1时钟。
GPS卫星网络包括空间轨道中的许多类似高精度时钟（主要是铷时钟源，有些漂移(drift)，但没有延迟(wander)），全球最稳定的时钟源可定期对时纠偏。通过复杂的数学程序，全球“投票选出”约200个最精确的时钟，据此确定30天前的时间，并在此基础上校准。
这样，GPS用系列10MHz温度补偿型晶体振荡器就能作为高精度Stratum 1时间/频率/位置参考，它锁定于卫星，如果丢失卫星信号就会发生漂移(drift)。不过，在了解漂移记录并掌握温度的情况下，这种漂移可以预见也可以消除（温度补偿不是完美无缺的，在操作中可以很容易观察到）。
下面谈谈极小的数字问题
我的这块小板工作了一个月，大多数时间插在办公室的台式机中，有时候在家里插进我的笔记本电脑，现在它已经进入常规工作状态。首次启动时，误差在+/-1E-10之内，几周后，它会表现出内在明显的漂移，误差约为3.031E-12，通过补偿，实际误差小于3E-12（阿伦方差[v]约6小时，这个方差用于测量时钟、振荡器和放大器的频率稳定性），参见图1。它的表现比铯原子钟强3倍，铯原子钟的延迟(wander)较高，不过不出故障的情况下漂移为零。由于晶体会老化，所以TCXO的漂移不是恒定的。6个月后，漂移现在为3.029E-12。
如果不能接收卫星信号，那么还有一个办法，那就是采用网络时间协议（NTP）。NTP提供了因特网时间戳功能。
为期六个月的一组每秒一个脉冲（1-PPS）输出频率数据同样给人印象深刻：平均为-397ps（最近平均低于400ps，作为固定延迟可消除），方差为1.72E-16。
这么高的精确度足以帮助您测量重力和速度随时间的变化值（GPS卫星绕地球轨道运行时要就针对重力和速度进行校正，同时卫星也会受到重力和加速度的影响）。
所得的频率非常稳定，锁定时间内几乎一直保持常量。那为什么不是一直都保持锁定状态呢？我的窗口朝东南开，因此所有直接面向西北的卫星天线都无法接收。即便如此，没有卫星连接的情况每天只有几分钟，对性能几乎没有影响或者说没有任何影响。
接收器需要最少4颗卫星连接才能工作，不过晴天情况下通常能连接10到11颗卫星。如果GPS信号丢失，我就看看设备的内部漂移：3.03E-12。由于每个晶体都不同，因此我的设备也有自己的漂移。我现在知道漂移的情况下就用外部综合器修改10MHz输出，同时在卫星不跟踪情况下采用反向校正。卫星重新连接上，我再把校正关闭。
其它功能
我还能下载经纬度和高度，从而形成一个长期移动平均线。6个月后，我可以精确了解天线位置。当然，我能从桌面电脑看到它，当然我也能参考谷歌地图上的WGS84（世界大地坐标系）进行定位。如果我采用移动应用，那么接收器还会报告速度。
如果我需要进行精确测量，我会将10 MHz作为参考。大多数高端实验室设备都有外部10 MHz参考的背板输入，因此仪器能锁定于参考，而所有测量结果都可根据国标跟踪。
如果我要构建频率计、计数器或RF信号源，那么就要有一个模块，也不用去考虑校准了。当然，有时需要看看天空情况，包仪器放在窗口合适位置以便于其连接卫星。输出的谱纯度也很不错，如图2所示（来自另一设备的测试报告）。
没有GPS？那怎么办？
如果无法连接卫星，那么还有一种办法，那就是采用网络时间协议(NTP)。NTP提供了因特网时间戳功能，这样您就能测量时间、频率或控制频率源。在未来频率计中，我们可设想采用无线802g调制解调器连接因特网、GPS用振荡器和必要的控制电子产品（或许是赛灵思Zynq™-7000 All Programmable SoC器件）。这样的仪器能始终确保准确，始终了解精确度，同时能实现自我诊断，并报告是否发生了问题。当然，我们还需要能连接空中卫星一两个小时。
您可将NTP服务器移植到Zynq SoC平台上，也可获得公共代码。在Zynq器件的一个ARM内核上运行NTP服务器并采用Linux操作系统非常直观。
如需了解有关Symmetricom TCXO的更多信息，敬请访问： http://www.symmetri- com.com/ 。如需了解有关Zynq-7000 SoC的更多信息，敬请访问： http://www.xilinx.com/cn/products/silicon-devices/soc/zynq-7000/index.htm 。 |
