通过GPS（全球定位系统）接收机技术与应用的介绍，对数控温补晶体振荡器DS4000在GPS接收机中开拓出同步和定时的精确性应用方案作分析说明。
接收机是GPS（全球定位系统）中重要组成部份，要开发DS4000温补晶体振荡器在GPS接收机中多用性的应用，那末应该对GPS（全球定位系统）的接收机技术应用与应用作一分析，为此有必要先对属全球定位系统(GPS)中卫星与接收机有关技术及应用作一介绍。
卫星与接收机
目前卫星（多达27颗）网络运行于非同步、近地轨道并覆盖全球，保证了定位系统的运行。而GPS接收机至少需要锁定4颗星，才能提供定位信息。这些卫星广播或发送的长系列码（或数字组合）称伪随机码。GPS接收机可通过已知的卫星伪随机码、光速以及保持卫星位置的查询表等参数，就能够计算出卫星的传输时间，再将传输时间转为距离。在多个卫星(大于4)的条件下，通过求解三角方程就可以算出GPS接收机的位置，也提供了用户的位置。
GPS接收机的应用范围
GPS 接收机可应用于个人定位和定向的通用手持设备。即从航海、航空、勘探以及电信网络中的定时同步等应用范围。而每种应用要求有不同特性的接收机。例如，在通用手持设备应用中，接收机将利用4颗或更多的卫星接收信号，并将其转换为位置信息，该信息能够连接至地图数据库，指示出陆地位置；而在航海和航空应用中，接收机同样将利用4颗或更多的卫星接收信号中获取的动态位置数据并将其导入船上或机上的导航系统，用于实时定位和定向。
同步和定时是GPS接收机的重要特性
GPS的另一个重要特性和应用是提供相当精确的时间基准:如电信网络中的同步；测试和测量设备的校准；航天观测和气象台的同步；地震监测以及用于公用电网的故障记录仪等方面的应用。尤其对于同步和定时应用，卫星信号的相位比信号承载的数据更为重要。
在那些优先考虑时间同步的应用中，传输信号的相位差是最重要的。在电信网络中，GPS同步引擎提供这类网络的端到端定时。在为语音、视频或时间要求严格的数据传输网络运行中，最为重要的是服务质量的要求。
而对于同步和定时要求来说，一个精密的频率参考是至关重要的。最精确的时间和频率的定义是基于铯原子，由铯光束标准产生精确的频率。
那末是什么使GPS卫星系统足够满足网络同步要求的呢？每个GPS卫星都有一个基于铯原子的时钟源。这些非常精确的时钟保证时间精确到每年之3ns内，精密时间再通过微波传输到GPS接收机。
GPS的接收机与温补晶体振荡器(TCXO)及其作用
GPS接收机组成
一个典型的GPS接收机包含如图1所示的功能块，它包括：射频(RF)部分、GPS信号处理器和主处理器。其中RF部分包括：GPS天线、RF滤波器和 GPS RF前端。RF部分接收卫星信号，从载波频率中分离出伪随机码，并将其送至GPS信号处理器，在多数现有的接收机中，RF前端部分加上GPS信号处理器能够同时处理4至12颗卫星信号。这种并行处理的能力提供了更高的定位精度，缩短了输出数据的时间。主处理器向用户提供数据，即可以通过一个GUI(图象用户接口)、显示屏，或者其它操作系统途径向用户提供数据(见图3左侧所示)，至于何种途径这取决于实际应用的要求。
在图1的框图中，存在2个振荡源，包括REF(基准)晶体(或振荡器)和RTC(实时时钟)晶体。REF晶体或振荡器可以相当精确或不精确，取决所使用的接收机。对振器器频率的要求依赖于GPS前端所采用的专用产品标准(ASSP)。 典型范围介于13MHz至30MHz之间，取决于生产厂家。在那些采用GPS接收机作为精密时间基准的应用中，REF振荡器可以是铷源、OCXO、甚至TCXO。在这种情况下，主处理器将修正卫星和接收机之间的任何定时滑动。
RTC晶体为GPS接收机捕获信号过程提供实时时钟信息，以在27颗卫星群中捕获不同的卫星。通过关于卫星位置信息的查询表，RTC有助于提供一个锁定所有可见卫星的起始点。
GPS接收机中的温补晶体振荡器(TCXO)的的作用
为了保证时间精确，GPS接收机还包括一个本地振荡器，如侞源、温控晶体振荡器(OCXO)或者温补晶体振荡器(TCXO)，它作为一个严格控制的时钟源，以维持短期和长期的时间精确和稳定性。由于卫星覆盖世界范围，所以使用GPS是一种精确可行的经济的方式，以保证电信网络的同步。当前大多供应商提供含有GPS的设备其目的是支持系统的定时同步，如电信网络、基站或其它要求时间严格的应用领域。
数控温补晶体振荡器DS4000引入
DS4000 是一种新型数控温补晶体振荡器(TCXO)，引入该TCXO，是能较好地实现GPS接收机作为精密时间基准的应用，因为DS4000提供了精密的振荡器，具有一种新的校准REF振荡器的控制方法。其独特的性能是目前市场上众多的TCXO所无法提供的。为什么这样讲?首先精度，DS4000经工厂校准后精度达到±lppm之内；再则，它能提供+ 6ppm范围、典型分辨率小于0.1PPm的数字牵引能力。
图2是DS4000温补晶体振荡器DS4000的组成框图。该器件通过 2线(SDA与SCL)串行数据口控制，(SDA与SCL均为数字频率可调节的通信口)在这种方式下，通过使用微控制器，输人数字代码控制牵引量和精度。可以设计专门的系统程序，不断地调该器件的精度。在许多过时的TCXO设计中，这种要求只能通过人工调节，或通过一个电压控制来完成。DS4000的数字牵引能力实现了生产过程中的自动校准，以及在应用现场的再校准。
该器件还有一个频率输出F2(可编程温度补偿方波输出)，F2为基频F1(固定频率温度补偿方波输出)的分数值。F2能够被编程为基频F1的1／256至 255／256。当然，编程也是通过2线接口(SDA、SCL)完成的。DS4000的基频范围在10MHz至20MHz之间可选。F2输出跟随F1的频率精度，精度也能够达到±1ppm之内。图2 DS4000框图展示出对于频率牵引量、频率输出和温度检测的数字接口。
由于DS4000采用了专用的数字温度测量技术，该器件也能够作为温度传感器应用。温度传感器精度在±2℃之内。该器件在-40℃至+85℃的整个工业温度范围内，保持其频率精度(±1ppm)。
开拓DS4000在GPS接收机中同步和定时的精确性应用
由于DS4000具有较高的灵活性，所以它能够用来为GPS应用中的REF晶体(XTAL)提供严格控制的振荡器，并能为GPS信号处理器或主处理器提供 32KHz振荡器输出而作为RTC XTAL的输入，呈现了DS4000在GPS接收机应用中的多用性。而图3框图说明了DS4000在GPS接收机中，完成了REF和RTC XTAL两个晶体所起的作用。
为此， 对应用于对图3中基频应作几个设定：首先设定REF XTAL输入至GPS前端能够采用16.384MHz的频率输入，在此前提下，则DS4000就能够在F2输出上产生GPS信号处理器RTC XTAL端所需要的32.768KHz频率。通过线接口SCL和SDA， 主处理器可以根据需要，设定频率牵引量、F2频率输出(32.768KHz)以及测量温度。
DS4000温补晶体振荡器在GPS接收机中的开拓应用，是许多要求高精度时间源可以实现的代表性之一。DS4000的灵活性尤其适用于那些特别注重定时精度和器件控制方式的应用。这是为什么呢？一般情况下，允许频率调节的TCXO或 OCXO，均要求作人工调节或提供一个外部电压调节，但这种方案的缺点是：在人工调节TCXO或OCXO时需要人工干预；而在采用外部电压调节时，设计人员必须保证控制电压稳定，以便使它不会影响振荡器的输出特性。而采用了DS4000就避免了上述二种调节中的不可靠性，这是因为在改变或牵引基频时，只需要将数字量通过SDA或SCL数字频率可调节的通信口传给DS4000就可以了。
另外，由于DS4000提供两个频率输出(F1与F2)，其中一个是可编程的，又因所要求的第二个频率F2是能够被基频F1的1／256至255／256而获得，即与F1相关。为此，用户就能够省掉第二个振荡器RTC XTAL。还有，采用其数字控制接口，DS4000就能够为设备的自动校准流程带来好处，从而在产品寿命期限内，无须周期性地再校准设备。
