CN103338036B - 基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法，该控制方法分两路闭环控制完成：第一路为内环闭环控制，用于铯原子钟中9192631770Hz激励信号的产生并使晶体振荡器输出稳定和准确的信号；第二路为外环闭环控制，利用10MHz信号的分频输出与14.591479MHz高稳晶振的信号进行群相位同步和连续的处理实现最终的高精度10MHz振荡器信号输出。该控制方法不但具有很好的准确度指标而且频标输出信号的短期稳定度和相位噪声指标也完全保留了10MHz高稳定度晶体振荡器的高指标。

Description

基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法

技术领域

本发明属于频率信号链接技术领域，尤其涉及一种基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法。

背景技术

频率链接主要研究的是差异很大的频率信号之间实现相位或频率的准确和稳定的传递，所体现出的是利用相位群同步现象和相位群连续的特点，通过相位群处理实现频率信号之间的精密链接。目前这种频率链接已经在原子钟性能改进中得到了实现。能通过广义相位处理的频率链接方法来改造钟的系统结构并且改善其性能指标。目前，无论是主动型原子钟还是被动型原子钟，都是在频率处理的基础上，采用频率归一化进行处理的。

现有技术复杂的频率变换导致了噪声的增加，无法既保留原子钟本身的高稳定度指标，又充分发挥晶振的优良指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法，旨在解决现有技术因频率变换复杂而导致的噪声增加和某些指标下降的问题。

本发明是这样实现的，一种基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法，分两路闭环控制完成：

第一路为内环闭环控制，用于铯原子钟中激励信号的产生并使晶体振荡器输出准确和稳定的信号；

第二路为外环闭环控制，利用信号的分频输出与高稳晶振的信号进行群相位同步和连续的处理实现最终的振荡器信号输出。

进一步，第一路为内环闭环控制，用于铯原子钟中9192631770Hz激励信号的产生并使晶体振荡器输出稳定的信号；

第二路为外环闭环控制，用于实现最终的高精度10MHz振荡器信号输出。

进一步，第一路内环闭环控制的实现方法如下：

14.591479MHz压控晶体振荡器（14.591479MHzVCOCXO）输出信号经过630倍倍频和调相后得到铯原子的特定的能级跃迁频率的激励信号，即9192631770Hz的激励信号；

在9192631770Hz的激励信号激励下，铯束管内的铯原子产生相应的能级跃迁，该跃迁信号的频率与激励信号的频率完全相等时有最大输出信号。否则，在探测器收到的跃迁信号偏离最大值时，会有一个误差电压输出给14.591479MHz压控晶体振荡器，调节其振荡频率至出现跃迁信号的最大值，使14.591479MHz晶体振荡器输出一个稳定的频率。

进一步，第二路外环闭环控制的实现方法如下：

10MHz压控晶体振荡器（10MHzVCOCXO）经过1/10000分频的信号与14.591479MHz的晶体振荡器输出进行相位群同步，实现了异频检相。这两个信号间的最小公倍数周期Tminc为1秒，在这一秒内测量1000次的相位信息，将这个信息被送入CPU；

CPU计算出对10MHz压控晶体振荡器的压控电压，达到对其调整和锁定的目的，具体实施方法为：

在1秒内有1000次对信号间的相位差进行测量，每次测量和1秒后的那一次测量间的间隔为一个最小公倍数周期，即1秒。这1000个成组的数据中有一些数据可能超出时间测量模块的测量范围，按照每一个Tminc根据相位差采集的结果用公式算出10MHz压控晶体振荡器相对于其标称值的相对平均频率变化偏差为Δf/f=ΔT/T，其中ΔT是每组对应数据间隔T的相位差的变化值，T是Tminc或者其倍数值。在所有的测量结果中剔除那些超出可测范围的、测量过程出现局部满周期交替的情况、以及噪声引起的起伏数值太大的情况等。将其他有效的测量数据先按照式Δf/f=ΔT/T分别计算出各个相对频差，然后按照需要的平均时间值求得对应的频差。从这个频差值和10MHzVCOCXO的压控灵敏度等，计算出对该振荡器的压控电压，达到对其调整和锁定的目的。

CPU的输出进行D/A转换，成为电压信号以调节10MHz压控晶体振荡器的输出。

进一步，内环采用了对14.591479MHz高稳定度晶体振荡器的锁定环路，对其输出信号进行630倍频输出9192.631770MHz的信号；它用作为铯束管的激励信号，产生的检测信号控制14.591479MHz高稳定度晶体振荡器的输出，将其锁定在铯原子能级跃迁对应信号的高稳定度和准确度上；

外环则是用被铯原子跃迁信号准确度和稳定度锁定的14.591479MHz振荡器信号来锁定10MHz振荡器信号，10MHz信号经1/10000分频后的1ms信号与14.591479MHz进行比对，测量其群相位差的变化，每秒测量1000次，在10MHz信号1/10000乘以1/1000分频之后，得到1s信号，以此1s信号作为时间标记控制CPU对其内的1000个相位差测量数据进行处理；

按照每一个Tminc内相位差的出现规律用公式算出压控晶体振荡器相对于其标称值的相对平均频率变化偏差为Δf/f=ΔT/T；其中ΔT是每组对应数据间隔T的相位差的变化值，T是Tminc或者其倍数值；其中在测量结果中剔除那些超出时间测量模块可测范围的、局部满周期交替的情况以及噪声引起的起伏数值太大的情况；将其他有效的测量数据先按照式Δf/f=ΔT/T分别计算出各个相对频差，然后按照需要的平均时间值求得对应的频差；从频差值和10MHzVCOCXO的压控灵敏度，计算出对该振荡器的压控电压，达到对其调整和锁定的结果；其中，Tminc为最小公倍数周期，若fx=Afmacx，fref=Bfmacx，则，Tminc=1/fmacx.将Tminc定义为一个群周期，在Tminc内包含多个比对的相位差。

本发明通过第一路内环闭环控制，铯原子能级跃迁的高稳定度传递到14.591479MHz压控晶体振荡器输出信号；通过第二路外环闭环控制，使得输出信号的短期稳定度和相位噪声指标也完全保留了10MHz高稳定度晶体振荡器的高指标。

附图说明

图1是本发明提供的基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法原理实现框图；

图2是本发明提供的基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法的鉴相结果示意图。

具体实施方式

本发明是这样实现的，一种基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法，分两路闭环控制完成，如图1所示：

第一路为内环闭环控制，用于铯原子钟中9192631770Hz激励信号的产生并使14.591479MHz晶体振荡器输出稳定的信号；

第二路为外环闭环控制，用于实现最终的高精度10MHz振荡器信号输出。

进一步，第一路内环闭环控制的实现方法如下：

14.591479MHz压控晶体振荡器（14.591479MHzVCOCXO）输出信号经过630倍倍频和调相后得到铯原子的特定的能级跃迁频率的激励信号，即9192631770Hz的激励信号；

在9192631770Hz的激励信号的激励下，铯束管内的铯原子产生相应的能级跃迁，该跃迁信号的频率与激励信号的频率完全相等时有最大输出信号。否则，在探测器收到的跃迁信号偏离最大值时，会有一个误差电压输出给14.591479MHz压控晶体振荡器，调节其振荡频率至出现跃迁信号的最大值，使14.591479MHz晶体振荡器输出一个稳定的频率。

进一步，第二路外环闭环控制的实现方法如下：10MHz压控晶体振荡器（10MHzVCOCXO）经过1/10000分频后的信号与14.591479MHz的晶体振荡器输出进行相位群同步，实现了异频检相。这两个信号间的最小公倍数周期Tminc为1秒，在这一秒内测量1000次相位信息，将这个信息送入CPU；

CPU计算出对10MHz压控晶体振荡器的压控电压，达到对其调整和锁定的目的，具体实施方法为：在1秒内有1000次对信号间的相位差进行测量，每次测量和1秒后的那一次测量间的间隔为一个最小公倍数周期，即1秒。这1000个成组的数据中有一些数据可能超出时间测量模块的测量范围，按照每一个Tminc根据相位差采集的结果用公式算出10MHz压控晶体振荡器相对于其标称值的相对平均频率变化偏差为Δf/f=ΔT/T，其中ΔT是每组对应数据间隔T的相位差的变化值，T是Tminc或者其倍数值。在所有的测量结果中剔除那些超出可测范围的、测量过程出现局部满周期交替的情况、以及噪声引起的起伏数值太大的情况等。将其他有效的测量数据先按照式Δf/f=ΔT/T分别计算出各个相对频差，然后按照需要的平均时间值求得对应的频差。从这个频差值和10MHzVCOCXO的压控灵敏度等，计算出对该振荡器的压控电压，达到对其调整和锁定的结果。

CPU的输出进行D/A转换，成为电压信号以调节10MHz压控晶体振荡器的输出。

14.591479MHz压控晶体振荡器（14.591479MHzVCOCXO）输出信号经过630倍倍频和调相后得到铯原子的特定的能级跃迁频率的激励信号，即9192631770Hz的激励信号；在9192631770Hz的激励信号电磁波激励下，铯束管内的铯原子产生相应的能级跃迁，该跃迁信号的频率与激励信号的频率完全相等时有最大输出信号。否则，在探测器收到的跃迁信号偏离最大值时，会有一个误差电压输出给14.591479MHz压控晶体振荡器，调节其振荡频率至出现跃迁信号的最大值，使14.591479MHz晶体振荡器输出一个稳定的频率。10MHz压控晶体振荡器（10MHzVCOCXO）依次经过1/10000分频后的1ms信号与14.591479MHz的晶体振荡器输出进行相位群同步，也就是实现了异频检相，并以相关的1s信号做做测量时间，这两个信号间的最小公倍数周期Tminc为1秒，这个信息被送入CPU；在1秒内有1000次对信号间的相位差进行测量，每次测量和1秒后的那一次测量间的间隔为一个最小公倍数周期，即1秒。这1000个成组的数据中有一些数据可能超出时间测量模块的测量范围，按照每一个Tminc根据相位差采集的结果用公式算出10MHz压控晶体振荡器相对于其标称值的相对平均频率变化偏差为Δf/f=ΔT/T，其中ΔT是每组对应数据间隔T的相位差的变化值，T是Tminc或者其倍数值。在所有的测量结果中剔除那些超出可测范围的、测量过程出现局部满周期交替的情况、以及噪声引起的起伏数值太大的情况等。将其他有效的测量数据先按照式Δf/f=ΔT/T分别计算出各个相对频差，然后按照需要的平均时间值求得对应的频差。从这个频差值和10MHzVCOCXO的压控灵敏度等，计算出对该振荡器的压控电压，即CPU的输出，达到对其调整和锁定的结果。CPU的输出进行D/A转换，成为电压信号以调节10MHz压控晶体振荡器的输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法，其特征在于，所述基于相位群处理的原子钟频率信号链接控制方法，分两路闭环控制完成：

第一路为内环闭环控制，用于铯原子钟中9192631770Hz激励信号的产生并使14.591479MHz压控晶体振荡器输出准确和稳定的信号；

第二路为外环闭环控制，利用10MHz信号的分频输出与14.591479MHz压控晶体振荡器的信号进行群相位同步和连续的处理实现最终的10MHz压控晶体振荡器信号输出；

铯原子钟物理部分的激励信号的产生，只是直接倍频；所以引起的附加噪声很小；所述第一路内环闭环控制的实现方法如下：

14.591479MHz压控晶体振荡器输出信号经过630倍倍频和调相后得到铯原子的特定的能级跃迁频率的激励信号，即9192631770Hz

的激励信号；

在9192631770Hz的激励信号激励下，铯束管内的铯原子产生相应的能级跃迁，跃迁信号的频率与激励信号的频率完全相等时有最大输出信号；否则，在探测器收到的跃迁信号偏离最大值时，会有一个误差电压输出给14.591479MHz压控晶体振荡器，调节其振荡频率至

出现跃迁信号的最大值，使14.591479MHz压控晶体振荡器输出一个稳定的频率；

14.591479MHz压控晶体振荡器输出信号与10MHz压控晶体振荡器信号之间的锁相控制采用的是不同频率信号之间的不经过复杂频率变换的直接锁相控制；所述第二路外环闭环控制的实现方法如下：

10MHz压控晶体振荡器经过1/10000分频后作为开门信号与14.591479MHz压控晶体振荡器输出关门信号进行相位群同步，实现了异频检相；这两个信号间的最小公倍数周期Tminc为1s，并以相关的1s信号作为测量时间标记,最后测量信息被送入CPU；

CPU计算出对10MHz压控晶体振荡器的压控电压，达到对其调整和锁定的结果，具体实施方法为：

在1秒内有1000次对信号间的相位差进行测量，每次测量和1秒后的那一次测量间的间隔为1秒；这1000个成组的数据中有一些数据可能超出时间测量模块的测量范围，按照每一个Tminc根据相位差采集的结果用公式算出10MHz压控晶体振荡器相对于其标称值的相对平均频率变化偏差为Δf/f=ΔT/T，其中ΔT是每组对应数据间隔τ的相位差的变化值，T是Tminc或者其倍数值；在测量结果中剔除那些超出可测范围的、测量过程出现局部满周期交替的情况、以及噪声引起的起伏数值太大的情况；将其它有效的测量数据先按照式Δf/f=ΔT/T分别计算出各个相对频差，然后按照需要的平均时间值求得对应的频差；从这个频差值和10MHz压控晶体振荡器的压控灵敏度，计算出对10MHz压控晶体振荡器的压控电压，达到对其调整和锁定的结果；

对CPU的输出进行D/A转换，成为电压信号以调节10MHz压控晶体振荡器的输出。