CN106027046A - 一种基于原子钟的高纯度基准源产生方法及系统 - Google Patents

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刘武广
张文锋
何庆
崔苇波
曹瑞
李玉成
侯照临
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference

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Abstract

本发明涉及频率源技术，本发明公开了一种基于原子钟的高纯度高频基准源产生方法，其具体包括以下的步骤：晶振的输出信号经过N分频后与原子钟信号在鉴相器中进行鉴相，产生的误差电压通过环路滤波器滤波后，产生直流误差信号；直流误差信号控制晶振的调谐端，使晶振输出频率稳定在N倍的原子钟信号。本发明还公开了一种基于原子钟的高纯度高频基准源产生系统。采用本发明产生的基准源，相较于传统的原子钟基准信号，频率提高了5~10倍，基准信号本身相位噪声提高10dB以上；相较于传统的晶振（温补/恒温），频率准确度、长期稳定度等指标提高了三个数量级以上，使频率源产品更准确，生命周期更长。

Description

一种基于原子钟的高纯度基准源产生方法及系统
技术领域
本发明涉及射频频率合成技术，具体是一种基于原子钟的高纯度基准源产生方法及系统，为系统提供精度高、稳定性好的高纯度基准信号。
背景技术
频率合成就是将一个具有低相噪，高精度和高稳定度等综合指标的基准源经过电路上的混频、倍频、分频或锁相环等信号处理进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运算，产生大量具有同样精确度与稳定度的频率源。频率合成的基础是基准源，基准源指标的高低直接决定了频率合成信号指标的高低，几乎所有的高科技应用系统都需要高精度的基准信号作支撑。
频率合成的相位噪声指标遵循20logN恶化理论，倍频次数N越大，相位噪声恶化越大，因此选择频率较高的基准信号，对频率合成有非常大的优势。
晶振（温补/恒温）具有频率高、相位噪声低、成本低等特点，在电子设备中大量使用，该基准具备10MHz-200MHz的频率范围，为了提高频率合成的相噪指标，尽量降低N值，并结合晶振（温补/恒温）自身特性，一般选择50MHz、100MHz作为参考信号，该类基准源的相位噪声指标非常高，可优于 -150dBc/Hz@1kHz，但其频率准确度、温度稳定度较差，一般只能达到10-7量级，而随着时间的推移，晶振（温补/恒温）还存在老化，一般老化率10-6-10-7/年。
如果对频率准确度和稳定度有更高的要求，原子钟是最好的选择，原子钟利用原子或离子内部能级之间跃迁频率作为参考，锁定晶振或者激光器频率，从而输出标准基准频率的装置。原子输出的频率一般为10MHz，频率准确度可以达到10-11以上，温度稳定度优于10-10，长期稳定度达到10-9/10年，相较于晶振（温补/恒温），该类指标均提高三个数量级以上。但是原子钟也存在缺点，相位噪声指标较差，一般为-140dBc/Hz@1kHz，另外输出频率低，进行频率合成时，倍频次数较大，进一步恶化输出信号的相位噪声。
随着现代电子设备的飞速发展，对频率源的长期稳定度和短期稳定度都提出了较高的要求，而传统晶振（温补/恒温）或者原子钟为基准的频率合成各有优劣，均难以同时兼顾；因此高纯度高频基准源的研制可以满足系统对基准源日益提升的高精度、高稳定度的使用需求。
发明内容
针对现有技术中的频率源各有优劣，均难以同时兼顾的技术问题，本发明公开了一种基于原子钟的高纯度基准源产生方法及系统。
本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种基于原子钟的高纯度高频基准源产生方法，其具体包括以下的步骤：晶振的输出信号经过N分频后与原子钟信号在鉴相器中进行鉴相，产生的误差电压通过环路滤波器滤波后，产生直流误差信号；直流误差信号控制晶振的调谐端，使晶振输出频率稳定在N倍的原子钟信号。
更进一步地，上述方法具体为：原子钟信号作为鉴相器的基准参考信号，参考信号输入相位为θ1(t)，晶振输出的信号经过N分频后的相位为θ2(t)，θ1(t)与θ2(t)进入鉴相器进行相位比较，产生误差相位θe(t)，由误差相位产生相应的误差电压Ud(t)，误差电压经过环路滤波器F(p)的过滤得到控制电压UC(t)，控制电压UC(t)加到晶振上使之产生频率偏移，在误差电压Ud(t)的作用下，晶振输出频率的1/N逐渐向基准参考输入频率靠拢。
更进一步地，上述晶振为温补/恒温晶振。
更进一步地，上述环路滤波器的带宽小于几Hz到几时Hz不等。
本发明还公开了一种基于原子钟的高纯度高频基准源产生系统，其具体包括原子钟、鉴相器、环路滤波电路和晶振；所述原子钟、鉴相器、环路滤波电路和晶振依序连接形成闭环控制；所述晶振的输出信号经过N分频后与原子钟信号在鉴相器中进行鉴相；所述原子钟作为鉴相器的参考信号；鉴相器产生的误差电压通过环路滤波器滤波后，产生直流误差信号，控制晶振的调谐端。
通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：本发明利用锁相原理，输出信号环路带宽以外的相位噪声决定于晶振（温补/恒温）的本身，同时输出信号的长期稳定度、温度稳定度都决定于作为参考的原子钟。这样该基准信号既有较好的长期稳定度、温度稳定度又具备了较好的相位噪声。
采用本发明产生的基准源，相较于传统的原子钟基准信号，频率提高了5~10倍，基准信号本身相位噪声提高10dB以上，综合两方面因素，以本发明产生的基准源作为参考的频率合成器的相位噪声提高了15dB以上；相较于传统的晶振（温补/恒温），频率准确度、长期稳定度等指标提高了三个数量级以上，使频率源产品更准确，生命周期更长。
附图说明
图1是基于原子钟的高纯度高频基准源产生方法的电路。
图2是环路滤波器电路的电路结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示的基于原子钟的高纯度高频基准源产生方法的电路图，本发明公开了一种基于原子钟的高纯度高频基准源产生方法，其具体包括以下的步骤：晶振的输出信号经过N分频后与原子钟信号在鉴相器中进行鉴相，产生的误差电压通过环路滤波器滤波后，产生直流误差信号；直流误差信号控制晶振的调谐端，使晶振输出频率稳定在N倍的原子钟信号。
本发明利用了锁相环的工作原理，锁相环为相位负反馈的误差控制系统，以原子钟作为参考信号的基准Fref，参考信号输入相位为θ1(t)，可调晶振输出的信号经过N分频后的相位为θ2(t)，θ1(t)与θ2(t)进入鉴相器进行相位比较，产生误差相位θe(t)，由误差相位产生相应的误差电压Ud(t)，误差电压经过环路滤波器F(p)的过滤得到控制电压UC(t)，控制电压加到压控晶振上使之产生频率偏移，来跟踪输入信号频率。若输入频率固定，在误差电压Ud(t)的作用下，输出频率的1/N逐渐向输入频率靠拢，一旦两者达到相等时，满足一定的条件（该阈值的范围可以根据需要进行灵活的设定），环路就能稳定下来，从而达到环路锁定。此时，晶振的输出频率为N•Fref。
图2是环路滤波器电路的电路结构。沿用了常规环路滤波器的拓扑结构，本发明实现的关键在于环路滤波器参数的设计，常用环路滤波器的带宽一般为几十kHz至几百kHz，本发明中考虑到晶振的相位噪声对输出的贡献，将环路滤波器带宽设计为几Hz，为了实现如此小的环路带宽，电路设计时，采用了多个电容并联的形式，以此获得所需要的大容量电容。
本发明中，环路滤波器的参数大概如下：
R1~R4一般为100~2KΩ；
R5=R6 一般为1K~20KΩ；
R7一般为100~2KΩ；
C1~C5并联的总容值为1~20μF；
C6~C10为C1~C5的平衡端，二者容值一般相同；
C11~C19并联的总容值为10~100μF；
C21~C29为C11~C19的平衡端，二者容值一般相同；
C30、C31一般为10P~200P，二者容值一般相同；
C32一般为1n~10nF。
本发明以高稳定性的原子钟作为参考信号，可调晶振（温补/恒温）作为输出。
例如，采用本发明产生的50MHz的高稳基准源，基于此基准源的频率合成器相较于传统晶振作为参考的实现方式，频率准确度提高了104倍，温度稳定度、长期稳定度均提高了103倍；相较于原子钟基准信号，本项目的频率源合成器的相位噪声提高了17dB左右，较好地满足了工程应用需要。
本发明还公开了一种基于原子钟的高纯度高频基准源产生系统，其具体包括原子钟、鉴相器、环路滤波电路和晶振；所述原子钟、鉴相器、环路滤波电路和晶振依序连接形成闭环控制；所述晶振的输出信号经过N分频后与原子钟信号在鉴相器中进行鉴相；所述原子钟作为鉴相器的参考信号；鉴相器产生的误差电压通过环路滤波器滤波后，产生直流误差信号，控制晶振的调谐端。
上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (4)

1.一种基于原子钟的高纯度高频基准源产生方法，其具体包括以下的步骤：晶振的输出信号经过N分频后与原子钟信号在鉴相器中进行鉴相，产生的误差电压通过环路滤波器滤波后，产生直流误差信号；直流误差信号控制晶振的调谐端，使晶振输出频率稳定在N倍的原子钟信号。
2.如权利要求1所述的基于原子钟的高纯度高频基准源产生方法，其特征在于所述方法具体为：原子钟信号作为鉴相器的基准参考信号，参考信号输入相位为θ1(t)，晶振输出的信号经过N分频后的相位为θ2(t)，θ1(t)与θ2(t)进入鉴相器进行相位比较，产生误差相位θe(t)，由误差相位产生相应的误差电压Ud(t)，误差电压经过环路滤波器F(p)的过滤得到控制电压UC(t)，控制电压UC(t)加到晶振上使之产生频率偏移，在误差电压Ud(t)的作用下，晶振输出频率的1/N逐渐向基准参考输入频率靠拢。
3.如权利要求1所述的基于原子钟的高纯度高频基准源产生方法，其特征在于所述晶振为温补或者恒温晶振。
4.一种基于原子钟的高纯度高频基准源产生系统，其特征在于具体包括原子钟、鉴相器、环路滤波电路和晶振；所述原子钟、鉴相器、环路滤波电路和晶振依序连接形成闭环控制；所述晶振的输出信号经过N分频后与原子钟信号在鉴相器中进行鉴相；所述原子钟作为鉴相器的参考信号；鉴相器产生的误差电压通过环路滤波器滤波后，产生直流误差信号，控制晶振的调谐端。
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