CN104363017B - 提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法。使用本发明能够降低调频闪烁噪声、并减小等效噪声带宽，提高铯原子频标查询信号信噪比，从而提高铯原子频标稳定度。本发明利用锁定放大器中的低通滤波环节将查询信号从背景噪声中提取出来，提高查询信号的信噪比，通过正交矢量锁定放大器的幅值计算，可以精确地获得多点调频时的幅度误差，提高计算精度，有利于提高铯原子钟输出频率的准确性。同时，采用前置放大电路一方面将查询信号的电流信号转化成电压信号利于锁定放大器计算，另一方面也可以避免现有技术中前置放大器硬件装置复杂、使用不便的缺陷。

Description

提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法

技术领域

本发明涉及铯原子频标技术领域，具体涉及一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法。

背景技术

商品型铯原子频标的稳定度是其关键指标之一，稳定度又取决于其物理部分即铯束管输出的查询信号信噪比，因此降低查询信号噪声是国内开展这类铯原子频标(包括双束磁选态铯原子频标、单束磁选态铯原子频标和激光抽云铯原子频标)研制非常关注的一个问题。国外商品型磁选态铯原子频标通常为1000～3000(1Hz带宽)，提高商品型铯原子频标稳定度必须要提高查询方波信号的幅度检测信噪比，信噪比越高，稳定度越好。国外先进商品型铯原子频标锁定频率时对Ramsey扫频花样的中央峰采用方波调制，即输入铯束管的微波频率在中央峰f₀两侧对称的频率点f₀-F_p1、f₀+F_p1上交替切换，输出的查询信号也为方波信号，将查询信号经前置放大器输出至单片机，由单片机计算调频时的幅度误差，获得误差信号，再将误差信号输出至压控晶振，调节压控晶振的频率，获得准确的铯原子钟输出频率，当铯原子频标锁定时两个频率点上的信号幅度相等，未锁定时由两信号幅度之差确定频率锁定到中央峰频率时所需的控制量。惠普公司1992年进一步提出了一种4个频率点(f₀-F_p2、f₀-F_p1、f₀+F_p1和f₀+F_p2)调制方法(专利US005146184A)来消除Rabi牵引。查询信号叠加了铯离子束流的散粒噪声、电子倍增器的暗电流噪声和电路放大带来的噪声，当查询信号信噪比比较高时，单片机能够很方便地计算出频率幅度，进而计算出幅度误差对压控晶振进行调控，而当查询信号很小导致信噪比不高时，由单片机获得的幅度值误差较大，不能很好地对铯原子频标进行稳定。铯原子频标的噪声类型主要包括调频白噪声(f⁰)、调频闪烁噪声(f^-1)和调频随机游走噪声(f^-2)，其中调频闪烁噪声决定了10万秒以内稳定度指标，是铯原子频标稳定度提高首先需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，能够降低调频闪烁噪声、并减小等效噪声带宽，提高铯原子频标查询信号信噪比，从而提高铯原子频标稳定度。

本发明的提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，将铯束管的查询信号输出至前置放大电路，前置放大电路将查询信号的电流信号转化为电压信号，并将电压信号进行放大，将放大后的电压信号进行数字采样、去除直流分量处理后，作为被测信号x(t)输出至正交矢量锁定放大器，再利用参考信号r(t)正交矢量锁定放大器计算出被测信号x(t)的幅值，获得幅值误差信号E，然后将幅值误差信号E输出至压控晶振，用于调节压控晶振的频率；

其中，正交矢量锁定放大器的参考信号r(t)与铯束管的调制信号的频率和持续周期数相同，参考信号r(t)的幅值为1，相位为0，正交矢量锁定放大器中的低通滤波器为积分器，则低通滤波器LPF1的输出为低通滤波器LPF2的输出为其中，积分时间T为调制信号在2个频点间切换时的持续时间，根据低通滤波器LPF1与LPF2的输出，即可获得幅值误差信号E。

进一步地，对于采用2个频率点f₀-F_p1和f₀+F_p1方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的幅值误差信号E为

E＝i₂-i₁＝2(u_0y-u_0x)

其中，i₁为频率点f₀-F_p1对应的信号幅度，i₂为频率点f₀+F_p1对应的信号幅度，u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀-F_p1和f₀+F_p1之间切换时的持续时间。

进一步地，对于采用4个频率点f₀-F_p2、f₀-F_p1、f₀+F_p1和f₀+F_p2方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的误差信号E为

其中，i₁为频率点f₀-F_p1对应的信号幅度；i₂为频率点f₀+F_p1对应的信号幅度；i₃为频率点f₀-F_p2对应的信号幅度；i₄为频率点f₀+F_p2对应的信号幅度；其中，i₃-i₄＝2(u_0x-u_0y)，此时u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀-F_p2和f₀+F_p2之间切换时的持续时间；i₂-i₁＝2(u_0y-u_0x)，此时u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀-F_p1和f₀+F_p1之间切换时的持续时间。

进一步地，对于采用3个频率点f₀-F_p1、f₀和f₀+F_p1方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的误差信号E为

E＝(i₃-i₁)-(i₃-i₂)

其中，i₁为频率点f₀-F_p1对应的信号幅度；i₂为频率点f₀+F_p1对应的信号幅度；i₃为频率点f₀对应的信号幅度；i₃-i₁＝2(u_0y-u_0x)，此时u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀-F_p1和f₀之间切换时的持续时间；i₃-i₂＝2(u_0y-u_0x)，此时u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀+F_p1和f₀之间切换时的持续时间。

有益效果：

本发明利用锁定放大器中的低通滤波环节将查询信号从背景噪声中提取出来，提高查询信号的信噪比，通过正交矢量锁定放大器的幅值计算，可以精确地获得多点调频时的幅度误差，提高计算精度，有利于提高铯原子钟输出频率的准确性。同时，采用前置放大电路一方面将查询信号的电流信号转化成电压信号利于锁定放大器计算，另一方面也可以避免现有技术中前置放大器硬件装置复杂、使用不便的缺陷。

附图说明

图1为采用锁定放大方波调制的铯原子钟结构示意图。

图2为正交矢量锁定放大器结构示意图。

图3为2个调制频率点在Ramsey花样上分布图。

图4为2点调制频率方式图。

图5为2个调制频率点时未锁频时的查询信号示意图。

图6为4个调制频率点在Ramsey花样上分布。

图7为4个调制频率点时采用锁定放大的微波调频方式。

图8为4个调制频率点时未锁频时的查询信号示意图。

图9为3个调制频率点在Ramsey花样上分布。

图10为3个调制频率点时采用锁定放大的微波调频方式。

图11为3个调制频率点时未锁频时的查询信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，采用正交矢量锁定放大器将查询信号从背景噪声中提取出来，提高信噪比，同时，将现有技术中单片机直接计算信号幅度误差差值转化为求取锁定放大器中低通滤波器的幅度误差，利用锁定放大器中的低通滤波器降低了铯束管查询信号的调频闪烁噪声，并减小等效噪声带宽，提高查询信号信噪比，同时，为配合锁定放大器的使用，将现有技术中的前置放大器换成前置放大电路，前置放大电路将铯束管输出的查询信号电流信号转变为电压信号，并将电压信号进行放大，使得电压信号和背景噪声清晰，便于锁定放大器的幅值计算，且前置放大电路结构简单、易实现。

本发明的采用锁定放大方波调制锁频的铯原子钟原理如图1所示。压控晶振输出的信号，一般是10MHz，经过倍频综合后变换为9192.6MHz微波信号，微波信号经过方波调制后输入铯束管，铯束管输出的查询信号经过前置放大电路放大后进入锁定放大器，锁定放大器利用查询信号幅度信息获得误差信号后再调节压控晶振输出。

采用常规的正交矢量锁定放大器，正交矢量锁定放大器结构示意如图2所示，包括带通滤波器、参考通道、相敏检波器PSD1、相敏检波器PSD2、低通滤波器LPF1、低通滤波器LPF2和幅度计算模块，其中，带通滤波器、相敏检波器PSD1、低通滤波器LPF2依次连接，参考通道、相敏检波器PSD2、低通滤波器LPF2依次连接，参考通道还与相敏检波器PSD1连接，幅度计算模块与低通滤波器LPF1、LPF2连接。由于锁定放大器中有低通滤波环节，得到查询信号幅度所需的时间显著增加(超过100ms)，如果采用目前商品型铯原子钟的2点或4点频率调制方式将无法在一个方波调制周期内(例如25.8ms或52.6ms)获得对应的幅度信息，因此需要相应地调整调频方式。本专利采用对每个或每对频率点进行多个周期方波频率调制的方式获得查询信号，经过前置放大后输入锁定放大器中计算查询信号幅度进而获得误差信号。

针对输入的铯原子钟查询信号，由于每个或每对频率点方波调制频率和持续周期数是已知的，这里锁定放大器的参考信号与方波调制的频率和持续周期数相同。低通滤波器采用积分器，积分时间为全部方波调制持续周期。根据积分器输出，计算出每个或每对频率点的幅度误差信号，据此调节压控晶振。通过锁定放大器对被测查询信号进行处理，使幅度误差测量的噪声降低，信噪比提高。

下面给出具体的正交矢量锁定放大器调频方式：

实施例1：2个频率点方波调制的查询信号正交矢量数字锁定放大

(1)2点频率调制铯原子钟的Ramsey跃迁花样如图3所示。取铯束管的谐振频率，即中央峰值对应的频率为f₀，采用2点频率调制方式时的2个频率点分别为f₀-F_p1和f₀+F_p1，对应的信号幅度为i₁和i₂。其中，F_p1为指定的一个频率偏移量，根据具体的铯原子钟参数确定，这里取中央峰频率宽度的一半。

(2)输入铯束管的调制方波信号如图4所示，频率在f₀-F_p1和f₀+F_p1之间切换。这里取每个频率点12.9ms，每个周期25.8ms，持续4个周期。

(3)相应的铯束管输出查询信号如图5所示，铯束管输出在频率切换时有(2～3)ms的响应时间，然后达到稳定值。实际测量时该信号中带有大量的噪声，直接采用单片机测量的信噪比不高，计算结果不准确。

(4)对图5所示的模拟查询信号进行数字采样，去除直流分量，然后作为图2中锁定放大器的被测信号x(t)。锁定放大器由软件编程实现，参考信号r(t)为同频率的方波信号，幅值为1，相位为0，低通滤波器为积分器。设低通滤波器LPF1的输出为u_0x，LPF2的输出为u_0y，则有：

经过推导计算，幅度即误差信号与相敏检测器输出信号的关系为：

E＝i₂-i₁＝2(u_0y-u_0x) (3)

实施例2：4个频率点方波调制的查询信号正交矢量数字锁定放大

(1)4点频率调制铯原子钟的Ramsey跃迁花样如图6所示。取中央峰值对应的频率为f₀，采用4点频率调制方式时的4个频率点分别为f₀-F_p2、f₀-F_p1、f₀+F_p1和f₀+F_p2，对应的信号幅度为i₃、i₁、i₂和i₄。其中，F_p1、F_p2为指定的频率偏移量，根据具体的铯原子钟参数确定，这里，F_p1取中央峰频率宽度的一半，F_p2取中央峰频率宽度。

(2)输入铯束管的调制方波信号如图7所示，频率首先在f₀-F_p2和f₀+F_p2之间切换，每个频率点12.9ms，每个周期25.8ms，持续4个周期；然后在f₀-F_p1和f₀+F_p1之间切换，每个频率点12.9ms，每个周期25.8ms，持续4个周期。

(3)相应的铯束管输出查询信号如图8所示，铯束管输出在频率切换时有(2～3)ms的响应时间，然后达到稳定值。实际测量时该信号中带有大量的噪声，直接测量的信噪比不高。

(4)对图8所示的模拟查询信号分段进行处理，前4个周期获得(i₃-i₄)，计算公式如式(4)，后4个周期获得(i₂-i₁)，具体方法参考实施例1第(4)步计算方法，幅度计算公式见式(3)。

i₃-i₄＝2(u_0x-u_0y) (4)

误差信号可采用公式(5)计算，即：

E＝(i₂-i₁)-(i₃-i₄)/3 (5)

实施例3：3个频率点方波调制的查询信号正交矢量数字锁定放大

(1)利用中央峰频率点的3点方波调制铯原子钟的Ramsey跃迁花样如图9所示。取中央峰值对应的频率为f₀，那么3个频率点分别为f₀-F_p1、f₀、f₀+F_p1，对应的信号幅度为i₁、i₃和i₂。其中，F_p1取中央峰频率宽度的一半。

(2)输入铯束管的调制方波信号如图10所示，频率首先在f₀-F_p1和f₀之间切换，每个频率点12.9ms，每个周期25.8ms，持续4个周期；然后在f₀+F_p1和f₀之间切换，每个频率点12.9ms，每个周期25.8ms，持续4个周期。

(3)相应的铯束管输出查询信号如图11所示，铯束管输出在频率切换时有(2～3)ms的响应时间，然后达到稳定值。实际测量时该信号中带有大量的噪声，直接测量的信噪比不高。

(4)对图11所示的模拟查询信号分段进行处理，前4个周期获得(i₃-i₁)，后4个周期获得(i₃-i₂)，具体方法参考实施例1第(4)步计算方法，幅度计算公式见式(6)和式(7)。

i₃-i₁＝2(u_0y-u_0x) (6)

i₃-i₂＝2(u_0y-u_0x) (7)

误差信号可采用公式(8)计算，即：

E＝(i₃-i₁)-(i₃-i₂) (8)

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，其特征在于，将铯束管的查询信号输出至前置放大电路，前置放大电路将查询信号的电流信号转化为电压信号，并将电压信号进行放大，将放大后的电压信号进行数字采样、去除直流分量处理后，作为被测信号x(t)输出至正交矢量锁定放大器，再利用正交矢量锁定放大器的参考信号r(t)计算出被测信号x(t)的幅值，获得幅值误差信号E，然后将幅值误差信号E输出至压控晶振，用于调节压控晶振的频率；

其中，正交矢量锁定放大器的参考信号r(t)与铯束管的调制信号的频率和持续周期数相同，参考信号r(t)的幅值为1，相位为0，正交矢量锁定放大器中的低通滤波器为积分器，则低通滤波器LPF1的输出为低通滤波器LPF2的输出为其中，积分时间T为调制信号在2个频点间切换时的持续时间，根据低通滤波器LPF1与LPF2的输出，即可获得幅值误差信号E。

2.如权利要求1所述的提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，其特征在于，对于采用2个频率点f₀-F_p1和f₀+F_p1方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的幅值误差信号E为

E＝i₂-i₁＝2(u_0y-u_0x)

其中，i₁为频率点f₀-F_p1对应的信号幅度，i₂为频率点f₀+F_p1对应的信号幅度，u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀-F_p1和f₀+F_p1之间切换时的持续时间。

3.如权利要求1所述的提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，其特征在于，对于采用4个频率点f₀-F_p2、f₀-F_p1、f₀+F_p1和f₀+F_p2方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的误差信号E为

<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>3</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>i</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，i₁为频率点f₀-F_p1对应的信号幅度；i₂为频率点f₀+F_p1对应的信号幅度；i₃为频率点f₀-F_p2对应的信号幅度；i₄为频率点f₀+F_p2对应的信号幅度；其中，i₃-i₄＝2(u_0x-u_0y)，此时u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀-F_p2和f₀+F_p2之间切换时的持续时间；i₂-i₁＝2(u_0y-u_0x)，此时u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀-F_p1和f₀+F_p1之间切换时的持续时间。

4.如权利要求1所述的提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，其特征在于，对于采用3个频率点f₀-F_p1、f₀和f₀+F_p1方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的误差信号E为

E＝(i₃-i₁)-(i₃-i₂)

其中，i₁为频率点f₀-F_p1对应的信号幅度；i₂为频率点f₀+F_p1对应的信号幅度；i₃为频率点f₀对应的信号幅度；i₃-i₁＝2(u_0y-u_0x)，此时u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀-F_p1和f₀之间切换时的持续时间；i₃-i₂＝2(u_0y-u_0x)，此时u_0x、u_0y的积分时间T为调制信号频率在f₀+F_p1和f₀之间切换时的持续时间。