电子史 · 为什么GPS驯服钟会成为“补品”？

看看资料 2019-6-15 10:39

在很多电子设备的“摩机”教程里，都会提到GPS驯服钟（GPSDO）这一概念，对于大部分人来说，这意味着更精准的震荡源以及更高的价格。但究竟为什么GPS驯服钟能够提供比普通振荡器和信号源更高的精度，为什么时钟又会和GPS扯上关系？

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由BG7TBL规划制作的GPSDO

GPS之所以能够实现对于位置的测定，其原理便是通过计算信号发出时间和接收时间的传播时间差，确定接收机与某颗卫星之间的距离。通过测定和不一样卫星之间的位置关系，从而确定接收机的地理位置。在这一过程中，确定信号的发射精确时间是非常重要的。可以说GPS定位的精度直接取决于GPS星上时钟的准确程度。为了保证该时钟准确，星上采用了非常精密的原子钟并且每天由地面站向其对时修正。星上时钟还通过计算相对论误差，修正由于卫星高速运动所带来的相对论时间变化。理论上说，通过这样一系列手段，GPS的星上时钟能够精确到约14纳秒。

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在GPS所下发的信号中，携带了发射信号准确时刻的时间戳。因为星上时钟的准确度很高，这个信号的时间戳的长期特点非常稳定，不过考虑到信号的传播中受到干扰、传播衰减和多径效应的影响，其短期稳定性不高。而普通的振荡器虽然可以在短时间内做到产生非常高精度的信号，但它将会随着温度、工作时间的推移和其他环境原因等发生漂移——也就是说，它的长期稳定性不好。GPSDO正是这样一种将两者的优势结合在一起的设备。

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GPSDO的工作原理相似于锁相环（PLL）的结构，首先，GPSDO设备内部都有着一个参考振荡器，产生一个1PPS（每秒一脉冲 Pulse Per Second）的信号输出。这一信号将通过与GPS信号的相位进行对比，找到两者之间的微小误差并进行调整，从而使得GPSDO的本地振荡器中的信号拥有和GPS相同的长期稳定性。而短期来看，本地的本振信号又提供了足够好的短期稳定性。在GPSDO上一般会有1PPS信号输出和10MHz信号输出，我们可以用这两个信号来作为其他对频率稳定性要求很高的设备的信号基准源。那么问题来了，什么样的设备需要这样的频率稳定性呢？

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首先，最先考虑到要运用GPSDO的设备是那些精密测量仪器。想要测量频率或占空比的频率计最需要一个精度高、稳定性好的基准源。而SDR和微波波段的无线电收发器也需要一个精度高且能够保持长时间稳定性的本地振荡器。对于微波电路来说，本振极小的温飘也会导致工作频率一个较大的改变，因此在要求较高的使用中，GPSDO几乎是必不可少的。除此之外，一些计时设备和网络机房中的交换设备也对于时间的长时间稳定有着高要求。至于音响器材上的振荡器要不要用GPSDO来替换……你认为呢？

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