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 [應用教學]
與 GPS 同步
與 GPS 同步
副題 :提昇無線基礎建設經濟方案 - GPS Clock


Writer : Dr. Peter V.W. Loomis


從第一個呼叫器出現在我們生活中時,意味著一個技術的革命正在悄悄發生,無線通訊設備正在改變現有之有線與陸上電話系統。呼叫器最初的使用者是醫生,然而使用範圍擴散的非常迅速,甚至被媽媽們用來追蹤小孩的行蹤,接著是大哥大,從只有超級業務員與高階主管買的起的昂貴設備,到現在是如此普遍的裝備,已不再具有代表高階層的象徵。
然而通訊革命還沒停止,有一個新的技術正在激烈爭奪電話服務市場,貝爾公司透過電話線控制了有線電話系統的建置並向他的使用者收費;另一個新的技術是無線電話用戶系統,它不用透過線路架設等硬體就能提供服務給消費者。這個技術希望能被帶到在亞洲與非洲那些永遠不可能有有線通訊建設的地區。顯而易見,無線通訊設備將被要求越來越多,就像其他先進服務快速進入我們的生活。

這個革命有一個有趣的地方是,不像有線設備可以一直建設,直到涵蓋所有的地區,每一個無線系統需要一個獨一無二的頻率,為了實際的應用,這些頻率是完全限制在幾百kHz到超過1000MHz,為了讓頻譜有效率的被使用,這些無線系統必須小心的被安排與協調,對於從地方基礎配置擴大到廣泛的地理區域必須能精確的計算時間,這是一個困難的問題。

很幸運的,現在有一種非常簡單、有效益的解決方式叫 ”GPS Clock”,GPS Clock是一個整合接收器並結合高品質、穩定的振盪器,此設計中GPS(Global Positioning System 全球定位系統)的功能在於校準振盪器中的小偏移,GPS Clock的功能在提供無線電話系統基地台間同步的時序(Timing)信號與頻率信號,而且是一個保障系統安全的防護裝置。而GPS Clock產生時序信號是永遠不需要再校正的,更重要地是,因最近GPS技術產品日益精進,在汽車導航系統市場中使用日趨廣泛,大大降低了GPS硬體的價格,這也使得GPS可整合到許多需要高品質時序信號的無線系統中。


呼叫器:一個簡單的例子
呼叫器是一個時序(Timing)的好例子,我們大部份使用呼叫器曾經送出或接收一個呼叫信號,你打電話到電話公司,輸入一個電話號碼,後然後掛斷電話,這一個呼叫訊息就會被傳送出去,接收的人再回覆這個電話。而在它實際的系統運作上,這個系統內每個基地台或發射台正同步傳送該筆呼叫訊息,這個運作模式是這個呼叫訊息將會傳送到在服務區域內所有的呼叫器,所以你收到的呼叫訊息有可能會從2個或甚至3個不同的發射台傳達給你,假如這些訊號沒有被同步,這個呼叫可能會被重複接收2-3次。
GPS可以輕易的提供呼叫系統的所要求的精確度—微秒(msec),在呼叫器系統中,它們是使用一種 ”智慧型天線(smart antenna)” 的設備。智慧型天線它包含了一個GPS接收器和一個特殊天線。呼叫器系統製造商比較傾向智慧型天線,因為它很容易安裝,並且能在頻率複雜的塔台環境下,仍能有效的運作。

這種呼叫器系統,發射台間可以利用PPS(pulse per second)信號來達到系統間同步的目的,而大部分的GPS接收板都有這個標準輸出信號。GPS接收板要達到系統最低標準的±6000ns誤差的精確值的標準並不難,但是如要提供能經濟又標準時序信號,設計上就需要更先進的GPS Clock。


CDMA行動電話:另一個具挑戰的應用
行動電話革命開始是一個被稱為先進行動電話系統(AMPS)的技術,目前美國大多數行動電話系統仍然是使用該類比技術,但因頻寬問題AMPS最大的缺點是它在相同頻寬下,只能提供有限數量的使用者。
為了支援更多的使用者,行動電話系統廠商漸轉換成數位通訊系統,現有2種數位通訊系統標準為:分時多工存取(TDMA)和編碼多工存取(CDMA)。TDMA在不同時間將頻譜分割成不同的小塊,同時分給區域內多個不同人使用。CDMA也是使用頻譜分割的技術,但是它將使用者數位化的資料,依照所授與的頻寬,並加入識別碼(code)以辨別不同的使用者,並同時送出給基地台。CDMA是可以提供更好的聲音品質並且在密度上允許最多數目的使用者在同一系統中。

CDMA建置是一個挑戰,要做到精準的頻譜訊號分割需要複雜的電力管理傳送系統和在基地台間做到 “soft hand-offs” 不相互干涉,這時就需要非常精確的時序信號。在現在的CDMA無線電話系統中,每一個傳送基地台間頻率的誤差需維持在7msec/day以下。這個條件,就像我們所熟知的”holdover”,它使得電話系統品質有了保證,這對電話公司而言,如有天線或纜線損壞時,系統仍能維持正常運作,直到維修人員抵達為止。早期的CDMA系統使用原子鐘的頻率來維持準確度,現在的新一代設備已使用GPS Clock,有趣的是GPS Clock兩個構成元素,GPS接收器和水晶振盪器,兩者都不能單獨達到CDMA系統的需求,只有同時利用GPS長期穩定和振盪器短期精確的特色,才能達到CDMA高品質的要求。


Enhanced 911定位功能
一個無線通訊革命成功的前兆是越來越多的緊急電話是來自行動電話,駕駛人使用行動電話通報酒醉駕駛者、車禍意外、車子起火。不幸的是,當911緊急通報是來自於行動電話,調度員無法知道行動電話發出的地點。有線電話發出電話的地點貯存在一個複雜的911資料系統中,救援系統可以使用直接並指出事發現場,但現在沒有一個可以比較好的方法可以指出一個行動電話的位置。因此,調度員需要依賴行動電話使用者所提供的資訊,但這些人常常沒辦法正確的說明他們的位置,然就會延誤了處理意外的時間,最近的一個例子是因受害者敘述不清楚,一名婦女站在大風雪中好幾個小時後,搜救小組才找到她的車。
為了解決這個問題, 美國國會已經立法通過一個擴大911(E911 System)系統的法規,使911系統在未來的幾年內能指出在125公尺內的行動電話使用者位置。有幾種方式可以做到此項功能,其中一種建議是在所有行動電話內內建GPS接收器,然而,最好的建議是使用一個叫做 Time Difference Of Arrival (TDOA)的方式,在行動電話基地台內將行動電話位置直接指出。

TDOA是利用測量在2個行動基地台中訊號到達的時間差,這也是一般所說的 ”雙曲線導航(hyperbolic navigation)”,而這是很多無線電導航系統的基礎,包括有GPS和LORAN(遠距離無線電導航系統)。在原理上,這是個很簡單的技術:一個從行動電話撥打後,該呼叫傳送到2個不同的行動基地,但是那個比較近的基地會比較早接收到這個訊號,而二個訊號到達時間的差異可乘上光速以算出距離差。這個想法是,使用者的呼叫先到達較近基地台,以雙曲線計算出較第二個基地台近1200公尺,再加上第三個基地台的時間與距離差,用另一個雙曲線,便可精確的指出兩個曲線的交叉點(圖一),即使用者實際所在位置。

若要用這個技術,需保證這2個無線基地台間能達到非常精確而可靠的時間同步(time synchronize)。在光速中,每一奈秒的誤差都可能轉換成一步或甚至更多錯誤在定位上,當塔台間時間同步的品質降低,TDOA測量法將變的愈來愈不準確,雙曲線變的” 模糊 ”,相對的所計算出位置錯誤也增加,而GPS Clock在每個基地台行動塔台中可以輕易的利用GPS衛星,將信號的精確度維持在100nsec比TODA準確100步-甚至還可做到更好。


The GPS Clock
大部分的人只知道GPS是供位置搜尋用,但是GPS系統24個衛星同時也提供了很標準的時序(Timing Clock)信號。每個衛星帶有二顆Rubidium(鐪),和二顆Cesium(銫)原子鐘。這些衛星上的原子鐘都由美國國防部地面接收站監控,整個系統再由世界標準的Universal Coordinated Time(UTC)所校正,所以人們也可將GPS當成一個免費的「空中的原子鐘」。
這些衛星的時間信號皆非常準確;所測得的精確度在奈秒(nsec, 10-9)。一般GPS來自空中電波干擾的錯誤在50ns,但最大的來源是SA(Selective Availability)干擾,這是美國國防部是藉由timing偏移以達到干擾之目的。有SA信號時timing誤差達100ns (1σ)。而美國今日已取消SA干擾,因此精確度可達10ns。

以上的精確度的產品需求僅於microsecond 精度的呼叫器系統,只要使用帶有PPS信號輸出的標準GPS接收板即可。但在CDMA系統中,其有”holdover”(在失去GPS衛星後,仍可維持信號的精確度)需求,就有與呼叫器系統截然不同的精確性要求。它不只是對時序(Timing)信號高度精確的要求,並且有更精準且確保振盪器偏移的頻率校正功能。第一代的GPS Clock是使用鐪振盪器以達到”holdover”的要求。而鐪振盪器價格最好也需美金3000元,且還需對其定時檢驗維護校正。因未來CDMA是最有可能取代TDMA與AMPS的系統,市場商機龐大,因此CDMA的每個部分設計的價格都會有直接考慮使用更經濟的解決方案。

若單獨只用GPS接收板的參考頻率對CDMA還是不夠準確。原子振盪器在程度可短期提供GPS穩定的頻率,但所有振盪器都會漸漸偏移。甚至設計複雜的銫振盪器也都會慢慢偏移。相反的,GPS維持的是一個短期間精確的控制;經過GPS的校正後,在短期內時序可與UTC誤差在幾佰奈秒之內。

GPS Clock在標準時間,頻率的提供上,是唯一為兼具GPS短期時如穩定精確與長期如石英(XO)或鐪振盪器品質穩定的設計。如前所訴,所有的振盪器(石英、銫、鐪)都想在長期的精確特性下,也能提供短期可靠的標準時間信號,這就是如圖2所示使用GPS修正以維持標準輸出的鐪振盪器設計圖。它是利用振盪器的一個時間區間(time interval)信號與GPS時序信號比較以做為輸出的校正,使用GPS timing信號除以time interval而得到準確度。但是,若在幾分鐘內做不同的量測,因振盪器無法短期穩定或做校正的特性,這種設計的時間精確度就會愈來愈不準確,在長時間後,如1000秒,精確度誤差可達100ns/1000s,所以此種設計需先確保您系統的振盪器輸出頻率是穩定的才可行。

由於GPS有長期穩定來源的特性,一個相當低價的溫控(ovenized)振盪器(OCXO)即可達到長、短期穩定標準時間,頻率輸出之特性。近年有些石英振盪器製造商為因應CDMA holdover的需求,嘗試推出超高精確/穩定的Double-over OCXO 技術。這種技術可在GPS的訓練修正後,提供精確Timing的信號,甚至在脫離GPS信號下仍可維持一穩定的頻率輸出。而它的成本只在鐪振盪器數千分之一且工作溫度寬,工作時限亦長。

此種利用低成本振盪器並加入GPS信號的設計即為第二代GPS clock的雛形。它在本質上降低了成本,且為市場上CDMA的應用提供了實質上精確穩定的時間頻率信號。以CDMA的設計而言,若無法找到一個符合經濟效益的方式解決各地基地台間同步信號的問題,CDMA仍將只能停留在實驗階段。

就像第一代GPS Clock一樣,第二代的GPS Clock設計是使用一個獨立GPS接收板的PPS信號;這個PPS信號會與OCXO所提供,它的差異是來自微處理利用相位比較電路去協助OCXO做校正(如圖3)。以目前技術來說這也是最經濟、最有效、精確的設計方式。



圖3 第二代 GPS Clock


 
 
   
 

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