CN103326717A

CN103326717A - 一种铷钟扫描捕获辅助锁定方法

Info

Publication number: CN103326717A
Application number: CN2013101731103A
Authority: CN
Inventors: 屈勇晟; 刘昶; 贺玉玲; 杜二旺; 朱虹; 程冰; 胡家裕; 杨涛; 张荣彦; 秦玉浩
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-05-10
Also published as: CN103326717B

Abstract

本发明公开了一种铷钟扫描捕获辅助锁定方法，利用现有的铷钟锁定遥测模块、DDS频率综合电路进行判定；当未锁定时，DDS频率综合电路按照一定的周期、频率步进和频率范围，调节输出的FSK信号频率。根据微波频率和FSK信号频率的相关性，微波频率也会随着FSK信号变化而变化。当微波频率进入铷钟锁频环路的捕捉带，则铷钟能进入锁定状态，达到实现扫描捕获辅助锁定功能。这种方法减少了硬件构成，如低频振荡器等；而且不带来任何干扰噪声，同时具有调试简单的特点。

Description

一种铷钟扫描捕获辅助锁定方法

技术领域

本发明涉及一种铷钟扫描捕获辅助锁定方法。

背景技术

铷钟是应用最广泛的一种原子钟，它具有体积小、重量轻、功耗小、价格低、可靠性高、寿命长、短期稳定度较好等优点，便于小型化和批量生产，其工作原理如图1所示。

压控晶振输出信号通过倍频、综合等措施产生微波信号ν_微波(约为6834.6875MHz)，送入物理部分，即铷原子谐振器的微波谐振腔内，激励原子跃迁，产生谐振信号，使穿过87Rb吸收泡的光强发生变化，光敏检测器将此光信号检测出并转换成电信号送入伺服电路，伺服电路经过一系列处理，变成误差电压控制压控晶振，纠正压控晶振的频偏，实现了铷原子振荡器对压控晶振频率的自动控制。通过此环路，压控晶振的输出频率就锁定在物理部分上。

铷钟开机后能否正常锁定和捕捉带的大小密切相关，捕捉带主要决定于铷钟物理部分谱线线宽，捕捉带通常很窄，对应到压控晶振只有几Hz的范围。为保证铷钟正常锁定，通常使用压控-频率范围窄的压控晶振，且晶振老化率需满足整机寿命末期不会由于晶振老化引起铷钟失锁。因此，需要扩捕电路实现铷钟的扫描捕获辅助锁定功能。

现有的扩捕电路均是基于伺服电路的辅助锁定，其最大的不足之处在于：需要硬件扫描振荡器等辅助电路。而随着卫星总体对铷钟性能要求越来越高，特别是短期稳定度从1×10^-11提高到3×10^-12（甚至1×10^-12），如果继续使用基于伺服电路的辅助锁定会带来2处噪声干扰源：

a.伺服电路的一个关键功能是将一个非常微弱的光检交流信号进行5000-10000倍的放大，这种放大倍数要求设计师对电源、地和信号的处理都极其小心谨慎；任何一个微弱的干扰都有可能被放大后影响到整机性能。目前，对高精度铷钟而言，要求伺服将信号放大后的底噪声≤500mV,而放大倍数在5000倍左右，则要求伺服的本体底噪声≤0.1mV。如果将硬件扫描振荡器做到伺服内部，即使进行了较强的噪声处理也很容易引起伺服电源、地上的噪声波动。这种波动大于0.1mV，从而影响到铷钟整机的关键技术指标：频率稳定度。

b.基于伺服的辅助锁定电路最终是将扫描电平叠加在晶振压控电压端，隔离度再高也不可能完全实现物理上的隔离，对于高精度铷钟而言，频率稳定度指标要求为3×10^-12/1s，晶振压控斜率是1×10^-7/V左右，理论上要求晶振压控端的电压波动控制≤0.03mV；若噪声过大，降低整机的指标性能，甚至于影响铷钟正常工作状态。

可见，铷钟现有的辅助锁定方法已经不能满足高性能铷钟的使用需求，需要一种不会引入附加干扰噪声源的方法来代替。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种不会引入附加干扰噪声源的铷钟扫描捕获辅助锁定方法，能够减少硬件构成，并且具有调试简单的特点。

本发明包括如下技术方案：

一种铷钟扫描捕获辅助锁定方法，所述铷钟包括压控晶振、分路隔离放大电路、DDS频率综合电路、倍频器、混频器、物理部分、伺服电路、和锁定遥测模块，锁定遥测模块输出的铷钟工作状态遥测信号输入至DDS频率综合电路，DDS频率综合电路判断铷钟工作状态遥测信号是否为锁定，如果为锁定，则DDS频率综合电路输出的调频信号为正常工作的信号；如果为未锁定，DDS频率综合电路输出的调频信号的频率按设定的步进、频率范围和周期呈三角变化，直至铷钟工作状态遥测信号变为锁定状态。

所述DDS频率综合电路包括逻辑判断与控制单元、频率控制字K1寄存器、频率控制字K2寄存器、频率控制字二选一单元、N位同步、N位相位累加器、相位-幅度查找表、D/A转换器和低通滤波器；由逻辑判断与控制单元对铷钟工作状态遥测信号电平进行判读，根据铷钟工作状态遥测信号的电平输出频率控制字K1和频率控制字K2并寄存至相应的寄存器，通过频率控制字二选一单元选择输出的频率控制字。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明通过对物理部分需要的微波频率形成系统进行分析，首次发现改变FSK信号的频率可以实现铷钟的辅助锁定功能。当铷钟未锁定时，利用DDS技术实现FSK信号的频率变化，从而引起微波频率进入锁频环路的捕捉带，使得铷钟锁定；锁定后，保持FSK信号频率稳定正常输出即可。这种方法减少了硬件构成，如低频振荡器等；而且不带来任何干扰噪声，同时具有调试简单的特点。

附图说明

图1为铷钟原理图。

图2为本发明的铷钟组成框图。

图3为锁定时，FSK信号频率随时间变化图。

图4为辅助锁定至锁定过程中，FSK信号频率随时间变化图。

图5为本发明辅助锁定方法流程图。

图6为本发明DDS频率综合电路硬件原理图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图2所示为本发明的铷钟组成框图，包括压控晶振、分路隔离放大电路、DDS频率综合电路、倍频器、混频器、物理部分、伺服电路、和锁定遥测模块。压控晶振提供的信号f_VCXO经分路隔离放大电路进行功分放大后分成三路，一路送至倍频器，一路送给DDS频率综合电路，第三路输出频率为f_VCXO的输出信号。DDS频率综合电路用于产生调频信号f_FSK，所产生的调频信号f_FSK的输入至混频器。信号f_VCXO通过倍频器后输入至混频器进行混频，混频器产生⁸⁷Rb原子基态超精细能级跃迁所需的微波调频信号ν_微波，ν_微波馈入物理部分内，激励⁸⁷Rb原子基态超精细能级发生跃迁。物理部分通过检测跃迁信号得到光检输出，送至伺服电路，进行相敏检波，积分后得到误差信号，此误差信号就是晶振的压控电压，实现铷原子跃迁谱线对晶振频率的锁定。锁定遥测模块根据伺服电路输出的信号进行判决，若锁定遥测模块接收到双共振信号则表示锁定，输出高电平信号；若锁定遥测模块没有接收到双共振信号则表示失锁，输出低电平信号。锁定遥测模块将遥测输出反馈至DDS频率综合电路。

在图2中，在通常情况下，ν_微波和f_VCXO、f_FSK满足以下关系

ν_微波=9×76×f_VCXO-f_FSK （1）

如果压控晶振的输出频率f_VCXO偏差较大，会导致ν_微波偏差过大，当ν_微波频率超出铷钟的锁频环路的捕捉带时，铷钟不能锁定。在公式（1）中，可以通过改变f_FSK的输出频率，改变ν_微波频率进入锁频环路的捕捉带，使得铷钟锁定，实现辅助锁定功能。

下面以北斗导航卫星二代二期用高精度铷钟为例，现有晶振在锁定前输出的频率f_VCXO=10.000005Hz，f_FSK=5.3125MHz，根据公式1，可以算出ν_微波=6834.69092MHz，已经在捕捉范围6834.685106MHz～6834.689894MHz外。若无外界激励，则铷钟永远无法进入锁定状态。因此，我们的思路是按照一定的周期、频率步进和频率范围变化调整f_FSK的输出频率，使得ν_微波有机会进入6834.685106MHz～6834.689894MHz之中。

调整f_FSK频率范围的设定方法：从上例可以看出，锁定前的ν_微波频率和捕捉范围之间仅差1.026KHz，根据公式1，f_FSK频率通过DDS技术调整+1.026KHz就可以满足辅助锁定功能。当然不同铷钟这个值会有不同，但一般控制在±5KHz内，能满足各种铷钟的状态。

调整f_FSK频率步进设定方法：若设置步进过大，有可能使得ν_微波频率直接跨过了捕捉频率范围，因此一般可以将步进设置为≤10Hz。

调整f_FSK频率周期设定方法：铷钟ν_微波频率到达捕捉范围内，至铷钟锁定的建立时间一般≤0.1s；所以频率调整周期≥10s比较合适。

值得注意的是，实际情况f_FSK本身就是一个调频信号，即f_FSK=5.3125MHz±Δf（Δf一般为130Hz，不同厂家设计的铷钟可能略有不同），我们调的是5.3125MHz的频率，而Δf是一个固定不变的值。

图3给出了正常情况时f_FSK的频率随时间变化图，f_FSK随时间在5.3125MHz±Δf两个频率点上跳变。

图4给出了f_FSK从开始频率调整一直到铷钟锁定后频率变化图。锁定前，f_FSK按设定的步进、频率范围和周期呈三角变化，并叠加有±Δf，在这将此过程定义为扫频过程。锁定后，f_ESK又处于正常工作状态。

如图5所示，为本发明辅助锁定方法的流程图，DDS频率综合电路判断铷钟工作状态遥测信号是否为锁定，如果为锁定，则DDS频率综合电路输出的调频信号为正常工作的信号（如图3所示）；如果为未锁定，DDS频率综合电路启动扫频过程，DDS频率综合电路输出的调频信号按设定的步进、频率范围和周期呈三角变化，调节输出的FSK信号频率，直至铷钟工作状态遥测信号变为锁定状态。根据微波频率和FSK信号频率的相关性，微波频率也会随着FSK信号变化而变化。当微波频率进入铷钟锁频环路的捕捉带，则铷钟能进入锁定状态，达到实现扫描捕获辅助锁定功能。

如图6所示DDS频率综合电路的具体结构图，包括逻辑判断与控制单元、频率分配单元、频率控制字K1寄存器、频率控制字K2寄存器、频率控制字二选一单元、N位同步、N位相位累加器、相位-幅度查找表、D/A转换器和低通滤波器。频率分配单元将输入时钟分成主时钟和频控电平，主时钟为逻辑判断与控制单元N位同步、N位相位累加器、D/A转换器提供时钟，频控电平为二选一单元提供控制信号。由逻辑判断与控制单元对锁定电平判读，输出频率控制字K1和频率控制字K2至相应的寄存器，并由频控电平控制二选一单元以便实时选择频率控制字。N位同步，即用时钟进行触发K1或K2，使得K1或K2的N位数据的跳变沿保持一致。N位相位累加器，将N位同步的输出数据进行累加，得到正弦波的相位数据。相位-幅度查找表，根据相位数据和查找表内容，查找到正弦波的幅度数据。D/A转换器，将正弦波幅度数据转变为正弦波电平。低通滤波器，滤除正弦波中的杂散和高次谐波，得到较为干净的正弦波。最终使得输出频率f_FSK达到预计的效果。

理论上可以将输入至N位相位累加器的时钟频率f_c变为任意输出频率f_FSK（f_FSK≤f_c/2），关系是：f_FSK=K×f_c/2^N。当相位累加器位数N和输入频率f_c不变，输出频率f_FSK取决于频率控制字K1和K2。因此用两个频率控制字K1和K2以及控制字切换频率82Hz（对于不同厂家设计的铷钟，此频率略有不同）实现了铷钟需要的FSK信号。

逻辑判断与控制单元对铷钟锁定进行判定，如果锁定，则输出原始状态的频率控制字。若未锁定，对频率控制字K1和K2进行周期性加减，使其输出频率变化为线性三角振荡模式（如图4所示）。其中原始状态的频率控制字为K1=f_o1×2^N/f_c，K2=f_o2×2^N/f_c。f_o1+5.3125MHz+Δf，f_o2=5.3125MHz-Δf。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种铷钟扫描捕获辅助锁定方法，所述铷钟包括压控晶振、分路隔离放大电路、DDS频率综合电路、倍频器、混频器、物理部分、伺服电路、和锁定遥测模块，其特征在于，锁定遥测模块输出的铷钟工作状态遥测信号输入至DDS频率综合电路，DDS频率综合电路判断铷钟工作状态遥测信号是否为锁定，如果为锁定，则DDS频率综合电路输出的调频信号为正常工作的信号；如果为未锁定，DDS频率综合电路输出的调频信号的频率按设定的步进、频率范围和周期呈三角变化，直至铷钟工作状态遥测信号变为锁定状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述DDS频率综合电路包括逻辑判断与控制单元、频率控制字K1寄存器、频率控制字K2寄存器、频率控制字二选一单元、N位同步、N位相位累加器、相位-幅度查找表、D/A转换器和低通滤波器；由逻辑判断与控制单元对铷钟工作状态遥测信号电平进行判读，根据铷钟工作状态遥测信号的电平输出频率控制字K1和频率控制字K2并寄存至相应的寄存器，通过频率控制字二选一单元选择输出的频率控制字。