基于北斗/GPS秒脉冲的高稳时钟源设计

基于UM220IIIN双系统接收机和FPGA，设计一种北斗/GPS秒脉冲高稳同步时钟源。利用两块UM220IIIN分别接收北斗和GPS秒脉冲[1]，将秒脉冲输入到FPGA的cyclone IV芯片，先分别对两路秒脉冲信号进行

本文致力于解决系统时钟高精度和高稳定度的问题。

通过UM220IIIN 双系统接收机和FPGA 的结合， 输出北斗/GPS 中精度最高的秒脉冲作为时钟源，若两者的秒脉冲都失效，就利用FPGA 来预测下一时刻的秒脉冲输出作为时钟源。

本文的创新在于不仅仅用单一的卫星授时，而是利用了北斗与GPS 两者结合进行授时[2] [3]，从而能极大的避免信号丢失情况的发生，实现具有高稳定性和高精度的同步时钟源。而且当两者的秒脉冲都失效时，就根据本地晶振具有短时稳定性来利用FPGA 内部自带的高频时钟以及历史数据，预测下一时刻的秒脉冲作为输出。

2. 系统总体方案 高稳时钟源方案如图1 所示，共包括9 个模块：北斗、GPS 卫星信号接收天线模块，UM220-IIIN 双系统接收模块，恒温晶振时钟模块，显示模块，通信模块，输入信号检测模块，秒脉冲生成模块，输出选择模块。

接收天线实时采集卫星信号， 并将信号传输到UM220-IIIN 双系统接收模块， 接收模块将采集到的卫星信号，解码输出两路标准秒脉冲到FPGA 模块。在FPGA 模块中，首先对输入的两路秒脉冲进行有效性判断，当判断为无效信号时，丢弃输入信号。如果输入被判定为有效信号，那么将对10 个秒脉冲周期进行高频计数，求其平均值，以减小随机误差。然后传输到秒脉冲生成模块[4] [5]，将生成的秒脉冲信号输入到信号检测模块，这个模块主要完成秒脉冲上升沿的判断，将判断结果输入秒脉冲生成模块，重新生成两路稳定的高精度秒脉冲[6]。新生成的高精度秒脉冲将被送入输出选择模块，输出稳定和精度更高的秒脉冲[7]。

通信模块主要负责FPGA 与其它模块的通信，可选为PC 机或其它控制模块。两个模块的通信通过I2C，UART 或者是USB。显示模块用来显示秒脉冲输出状态，如显示北斗/GPS 有效，或其中某一信号有效。

2.1. 输入信号检测模块[8] UM220-IIIN 双系统GNSS 接收模块接收到北斗和GPS 卫星信号后，会输出两路秒脉冲到FPGA 模