Первичные эталонные генераторы (ПЭГ) являются управляющими генераторами в сетях SDH и обеспечивают точность установки частоты не хуже, чем 10-11. Эти генераторы строятся на основе рубидиевых или цезиевых стандартов частоты [1]. ПЭГ могут быть построены на основе систем всемирного координированного времени GPS. Для построения таких ПЭГ используют местные рубидиевые или кварцевые генераторы, которые синхронизируются сигналами, получаемыми от GPS. Такие генераторы можно использовать и в измерительных приборах в качестве высокостабильных источников опорной частоты.
Наличие приемника GPS в составе кварцевого генератора позволяет осуществлять не только синхронизацию самого генератора, но и формировать координаты объекта и другие параметры. Это позволяет использовать такие генераторы в беспилотных летательных аппаратах и другой авиационной технике, в системах связи, радиолокации и формирования активных радиопомех.
Сигналы GPS – прекрасный эталон времени. Каждый спутник содержит две пары рубидиевых и цезиевых атомных часов. Они контролируются по атомным часам на Земле, а вся система непрерывно калибруется по мировому стандарту времени – универсальному координированному времени (Universal Time Coordinated, UTC).
Сигнал от каждого спутника очень точен. Временная нестабильность не превышает 1 нс. Однако, при использовании этих сигналов для синхронизации различных устройств эта нестабильность может составлять 50 нс. Самый большой источник ошибок – код ограниченного доступа (Selective Availability, SA). Министерство Обороны США преднамеренно ухудшает точность GPS, вынуждая медленно дрейфовать частоту спутниковых часов GPS. При наличии SA в сигнал каждого спутника вносится ошибка синхронизации, равная приблизительно 100 нс (за 1 с), и ошибка частоты, равная приблизительно 10-8. При отсутствии SA, ошибки синхронизации были бы в лучшем случае приблизительно 10 нс и ошибка не более 10-10. При условии хорошего обзора неба многоканальный GPS-приемник может осреднять ошибки от SA по семи или восьми спутникам, уменьшая эффект SA почти в три раза. Это нужно учитывать при выборе генератора, синхронизируемого сигналами GPS.
Компания Microsemi выпускает ряд кварцевых и атомных генераторов, синхронизируемых от GPS [2]. Это модули GPS-500, GPS-1000, GPS-2000, GPS-2500, GPS-2700 и GPS-2750, SSM-2000 и SSM-2650. Рассмотрим основные характеристики некоторых из них.
Модуль 10 МГц OCXO GPS-1000 [3]
Это модуль (рис.1) небольшого размера, содержащий термостатированный генератор OCXO (Oven-Controlled Crystal Oscillator) с частотой выходных колебаний 10 МГц, и приемник сигналов GPS, осуществляющий синхронизацию генератора (GPSDO).
Рис. 1. Внешний вид модуля GPS-1000
Основные характеристики GPS-1000:
• выходной сигнал гармонический
• частота выходного сигнала 10 МГц
• амплитуда выходного сигнала +13 дБм
• низкий уровень фазовых шумов
• дополнительный выход прямоугольного сигнала с периодом 1 с (КМОП 3.3 В)
• приёмник GPS отслеживает до 50 сигналов
• уровень сигналов GPS не менее -160 дБм
• приёмник совместим с сигналами GPS, WAAS, EGNOS, MSAS и Галилео
• быстрый разогрев.
Программное обеспечение модуля GPS-1000 поддерживает бортовые приложения авионики, формируя 3 вектора скорости (выход сигналов скорости для X, Y и Z плоскостей). Устройство может также контролироваться и управляться через RS-232 порт с помощью стандартных команд SCPI.
Основные характеристики модуля:
• отклонение от ежесекундных импульсов (1 PPS) UTC не более ±50 нс (среднеквадратическое значение)
• нестабильность задержки относительно сигналов UTC не более ±11 мкс за 3 часа работы при температуре 25 °С
• частота сигнала GPS L1, C/A 1574 МГц
• переключение антенны GPS в активный режим сигналом с уровнем 3.3 В
• уровень сигнала при активизации не менее -144 дБм, в режиме слежения не менее -160 дБм
• холодный старт не более 45 с, горячий старт не более 1с
• ADEV (Allan Deviation statistic) за 1 с составляет 10-11
• время прогрева после которого достигается стабильность частоты 10-8 не более 5 минут
• диапазон напряжения питания 8…14 В (12 В номинальное значение)
• потребляемая мощность не более 1.8 Вт (типовое значение 1.35 Вт) • диапазон рабочих температур 0…60 °C • габаритные размеры 1×2.5×0.5 дюйма.
Основные характеристики кварцевого генератора
• нестабильность частоты выходного сигнала через 1 час работы не более ±2·10-8 (без использования сигналов GPS) при температуре 25 °С и ±2.5·10-8 при более высокой температуре
• амплитуда выходного сигнала 13 ±3 дБм
• спектральная плотность фазового шума при отклонении от центральной частоты 1 Гц не более -80 дБн/Гц, 10 Гц – -110 дБн/Гц, 100 Гц – -135 дБн/Гц, 1 кГц – -145 дБн/Гц, 10 кГц – -145 дБн/Гц.
Малые габариты и быстрый горячий старт позволяют использовать модуль GPS-1000 даже в небольших беспилотных летательных аппаратах. Модуль GPS-2000
Модуль GPS-2000 [4] имеет улучшенные характеристики. Внешний вид модуля приведен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид модуля GPS-2000
По сравнению с GPS-1000 в GPS-2000 уменьшена нестабильность частоты до ±3·10-10 после трех часов работы, уменьшен уровень фазового шума до -72 дБн/Гц при отклонении от центральной частоты 1 Гц, и -150 дБн/Гц при отклонении частоты 10 кГц, расширен диапазон рабочих температур до 0…75 °C. Увеличена потребляемая мощность до 3.2 Вт и увеличены габариты до 1.5×3.0×0.65 дюйма. Модуль содержит встроенный усилитель с тремя выходами гармонического сигнала и один выход LVDS.Частота выходного сигнала, как и в GPS-1000 равна 10 МГц. Остальные характеристики очень близки к характеристикам модуля GPS-1000.
Даже при отсутствии SA сигнал GPS не позволяет обеспечить стабильность эталонной частоты, требуемой для технологии CDMA. Атомные генераторы и даже многие кварцевые генераторы, обеспечивают на коротких интервалах времени более стабильную частоту, чем GPS. Тем не менее, все генераторы имеют дрейф частоты и фазы, величина которых зависит от типа используемого генератора. В конечном счете, даже сложный и дорогой цезиевый генератор будет иметь дрейф по отношению к UTC. А вот сигнал GPS в долговременном плане всегда калиброван в пределах нескольких сотен наносекунд относительно UTC, хотя в нем и наблюдаются кратковременные изменения задержки в ту или иную сторону.
Для удовлетворения высоких требований к стабильности временного положения и частоты сигналов синхронизации компания Microsemi выпускает генераторы на основе атомных часов (CSAS) 10 МГц с синхронизацией по GPS (GPSDO), использующие в своем составе атомные часы чип-фактора QUANTUMTM SA.45s.
Модули GPS-2700 и GPS-2750
Модули GPS-2700 и GPS-2750 (рис. 3), используют атомные часы чип-фактора MicrosemiQuantumTM SA.45s в качестве опорных генераторов [5]. Эти устройства обеспечивают высокие характеристики в режиме удержания, сверхнизкое энергопотребление, малое время прогрева, высокие показатели точности сигнала 1 PPS и при этом имеют малые габариты. Оба модуля формируют выходной сигнал с частотой 10 МГц. Диапазон рабочих температур модуля GPS-2700 составляет 0…75 °C, а GPS-2750 – расширенный, от -40 до 85 °C.
Такие параметры позволяют использовать модули Microsemi® GPS-2700 и GPS-2750 в переносных радиостанциях, терминалах военной системы спутниковой связи (MILSATCOM), авионике беспилотных автономных систем, а также для применения в устройствах, работающих при высоких ускорениях (например, реактивных истребителях). Во всех этих приложениях все чаще требуется повышенная производительность даже в условиях отсутствия сигнала GPS. Другим применением этих устройств является сетевая синхронизация времени в системах мобильной связи, например, в базовых станциях.
Рис. 3. Внешний вид модуля GPS-2700
Основные параметры модулей GPS-2700 (GPS-2750):
• долговременная нестабильность частоты не более 3·10-10 в месяц без использования GPS
• нестабильность частоты не более ±9·10-10 при изменении температуры от 0 до 35 °C (без использования GPS)
• отклонение от ежесекундных импульсов(1 PPS) UTC не более ±15 нс (среднеквадратическое значение)
• нестабильность частоты не более ±2·10-10 после 3-х минут прогрева при использовании GPS
• нестабильность задержки относительно сигналов UTC не более ±2 мкс за 24 часа работы при температуре 25 °С (через 1 час после включения слежения за сигналами GPS)
• ADEV (с использованием GPS) за 1 с не более 10-10, за 10 с – 2.5·10-11, за 100 с – 2·10-11, за 1000 с – 1·10-11, за 10 000 с – 2·10-12
• выход импульсов 1 PPS (в уровнях КМОП 5 В) со сдвигом относительно сигналов UTCне более 1 нс
• 4 изолированных выхода гармонического сигнала с частотой 10 МГц с уровнем 13±3 дБм
• выход прямоугольных импульсов с частотой 5 МГц в уровнях КМОП 5 В
• переходное затухание между выходами на частоте 10 МГц не менее 85 дБ, на частоте 2 МГц – не менее 98 дБ
• управление через порт RS-232 (или USB) с поддержкой команд SCPI-99
• частота сигнала GPS L1, C/A 1574 МГц
• переключение антенны GPS в активный режим сигналом с уровнем 5 В
• GPS-приемник имеет 50 каналов, совместим с сигналами GPS, WAAS, EGNOS, MSAS
• уровень сигнала при активизации не менее -144 дБм, в режиме слежения не менее -160 дБм
• холодный старт не более 45 с, горячий старт не более 1с
• GPS-приемник оптимизирован для использования в высокоскоростных транспортных средствах
• адаптивный фильтр (автоматическое включение и регулировка чувствительности)
• формирование сигнала тревоги в уровнях ТТЛ при потере сигнала GPS
• диапазон напряжения питания от 8 до 36 В или 5 В через мини USB
• потребляемая мощность не более 1.4 Вт при температуре 25 °C (менее 1 Вт при напряжении питания 12 В и выходом КМОП)
• диапазон рабочих температур 0…35 °C (GPS-2700) и -10…35 °C (GPS-2750)
• средняя наработка на отказ >100 000 часов (0…35 °C)
• спектральная плотность фазового шума выходного сигнала при отклонении от центральной частоты:
– 10 Гц -90 дБн/Гц
– 100 Гц -125 дБн/Гц
– 1 кГц -145 дБн/Гц
– 10 кГц -152 дБн/Гц
– 100 кГц -153 дБн/Гц.
К модулю для контроля параметров можно подключить ЖК-дисплей (рис. 4), на который может выводиться информация о дате и времени, количестве спутников, координатах местоположения, высоте над уровнем моря и многих других параметрах.
Более подробную информацию о модулях GPS-2700 и GPS-2750 можно найти в [6].
Рис. 4. Модуль GPS-2700 с подключенным ЖК-дисплеем
ЛИТЕРАТУРА
1. Хмелев К.Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Політехніка»», 2003. – 584 с.
2. http://www.microsemi.com/products/timing-synchronization-systems/embedded-timingsolutions/modules/gps-disciplined-oscillators.
3. http://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/133392-gps-1000.
4. http://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/133396-gps-2000.
5. http://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/133346-gps-2700-and-gps-2750.
6. http://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/133459-gps-2750-manual.
Лайкнути
Твітнути