CN111953345A - 一种高稳定低相噪标频处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高稳定低相噪标频处理方法及系统，包括依次连接的原子钟组、数字鉴相器、自适应加权数字滤波器、DAC转换器、低通滤波器、恒温晶振，且所述恒温晶振与数字鉴相器连接，采用噪声净化锁相环和低噪声标频扩展对标频信号进行处理，噪声净化锁相环将时钟和恒温晶振结合，产生标频信号源；低噪声标频扩展对标频信号源进行分配、变频、区放、滤波和匹配处理，实现多路标频信号输出。本发明有效避免了恒温晶振长期稳定度差、铷钟短期稳定度差的缺点，最终实现的频率稳定度性能。
Description
技术领域
本发明涉及专用无线通信行业，是一种用于通信时频设备实现稳定度更高、相位噪声更低标频信号的处理方法，可以让时频设备输出更高指标性能的标频信号。
背景技术
频率稳定度和相位噪声是时频设备标频输出信号的两大重要指标，频率稳定度指标又包括长期频率稳定度和短期频率稳定度，长期频率稳定度指标通过原子钟的高稳定特性实现，短期频率稳定度和相位噪声指标通过恒温晶振低相噪和优短稳性能实现。最终可以输出长短期频率稳定度和远近端相位噪声都较好的标准频率源。
传统的高稳定低相噪标频处理技术，采用恒温晶振通过模拟锁相环跟踪原子钟的方式。目前更先进的实现方案采用数字锁相环跟踪方式，数字锁相环具有数字化、支持多参考输入、参考输入频率范围宽、输出频率可编程、输出相位可编程、环路带宽可编程、可靠性更高等特点，逐步成为锁相环的发展趋势。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高稳定低相噪标频处理方法及系统，将原子频标的长稳特性与恒温晶振的短稳低噪性能相结合，实现稳定度更高、相位噪声更低的标频信号，进一步提高原子频标的指标性能，为用时、用频设备的高性能工作提供更优质的保障。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高稳定低相噪标频处理方法，采用噪声净化锁相环和低噪声标频扩展对标频信号进行处理。噪声净化锁相环将铷钟和恒温晶振的优点相结合，产生高稳定、低相噪的10MHz标频信号源。低噪声标频扩展对高稳定、低相噪的10MHz标频信号源进行分配、变频、区放、滤波和匹配处理，实现多路高稳定、低相噪1MHz、5MHz、10MHz标频信号输出。
一种高稳定低相噪标频处理系统，包括依次连接的原子钟组、数字鉴相器、自适应加权数字滤波器、DAC转换器、低通滤波器、恒温晶振，且所述恒温晶振与数字鉴相器连接，其中：
所述原子钟组用于在无外部时间源对时时，自主时间保持和输出，输出1pps时间信号和10MHz频率信号。
所述数字鉴相器用于将恒温晶振输出的10MHz信号的频率相位与原子钟组输入的10MHz频率信号的相位保持精确同步。
所述自适应加权数字滤波器用于根据输入信号的特性，自动调整滤波器参数，改变滤波器带宽和带外抑制性能，满足不同输入信号的最优滤波处理。
所述DAC转换器用于将数字信号转换成模拟电压信号。
所述低通滤波器用于对DAC转换器转换后的电压信号进行高频噪声抑制，输出稳定、纯净的直流电压信号。
所述恒温晶振利用恒温槽使晶体振荡器工作在恒定温度环境下，输出10MHz信号，并将该10MHz信号反馈给数字鉴相器。
优选的：所述原子钟组为铷原子钟组。
优选的：所述自适应加权数字滤波器包括依次连接的时差测量模块、多铷钟加权模块IIR滤波器及三阶Σ-Δ调制器。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明将铷钟的噪声进行了有效的抑制，输出信号获得了恒温晶振良好的相位噪声特性，有效避免了恒温晶振长期稳定度差、铷钟短期稳定度差的缺点，最终实现的频率稳定度性能。
附图说明
图1为高温低噪实现方案原理框图。
图2为噪声净化锁相环原理框图。
图3为噪声净化锁相环具体实现框图。
图4为数字鉴相及滤波实现原理框图
图5为锁相环噪声模型图。
图6为净化锁相环相位噪声特性图。
图7为净化锁相环稳定度特性图。
图8为低噪声标频扩展原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种高稳定低相噪标频处理方法，采用噪声净化锁相环和低噪声标频扩展对标频信号进行处理。噪声净化锁相环将铷钟(准确度、长期稳定度优)和恒温晶振(相位噪声、短期稳定度优)的优点相结合，产生高稳定、低相噪的10MHz标频信号源。低噪声标频扩展对高稳定、低相噪的10MHz标频信号源进行分配、变频、区放、滤波和匹配处理，实现多路高稳定、低相噪1MHz、5MHz、10MHz标频信号输出。
如图1所示，多个原子钟形成钟组，分别输出给鉴相矩阵电路，实现多参考和本振的时差测量，再将时差测量信息给运算处理单元，计算出多参考原子钟之间的时差和频差，根据测量结果分析每一个原子钟的质量等级，依据质量等级再进行权重分配，实现多参考源的综合处理，然后根据综合处理结果控制恒温晶振，输出更稳定的低相噪频率源，由于多个原子钟之间采用软件进行切换，所以还能够实现多钟源无损切换处理。
一种高稳定低相噪标频处理系统，包括依次连接的原子钟组1、数字鉴相器3、自适应加权数字滤波器4、DAC转换器5、低通滤波器6、恒温晶振7，且所述恒温晶振7与数字鉴相器3连接，其中：
所述原子钟组1为铷原子钟组，该原子钟组具有高精度、高可靠特点，用于在无外部时间源对时时，自主时间保持和输出，通常铷钟输出1pps时间信号和10MHz频率信号。铷钟输出的10MHz频率信号2，该信号具有精确、稳定的特点，可以作为高精确参考基准源.
所述数字鉴相器3用于将恒温晶振7输出的10MHz信号的频率相位与原子钟组1输入的10MHz频率信号的相位保持精确同步。
所述自适应加权数字滤波器4可以根据输入信号的特性，自动调整滤波器参数，改变滤波器带宽和带外抑制性能，满足不同输入信号的最优滤波处理。
所述DAC转换器5将数字信号转换成模拟电压信号，用电压控制恒温晶振，改变恒温晶振输出频率和相位。
所述低通滤波器6用于对DAC转换后的电压信号进行高频噪声抑制，输出稳定、纯净的直流电压信号，从而改善恒温晶振输出10MHz频率信号的相噪和稳定性。
所述恒温晶振7利用恒温槽使晶体振荡器工作在恒定温度环境下，输出10MHz信号，并将该10MHz信号反馈给数字鉴相器3，极大的提高输出频率的稳定性和环境温度适应性。
输出的10MHz信号8，该信号具有高稳定性和低相位噪声特点。反馈的10MHz信号9，该信号给数字鉴相器，用于与铷钟输出的10MHz信号进行数字鉴相参考，最终形成闭环系统
如图3所示，多个铷原子钟组成的钟组10，多个铷原子钟通过组合、测量分析比较，减小单台原子钟不确定因素的影响，从而获得稳定、可靠、准确的时间频率信号。
FPGA+CPU处理平台11，自适应加权数字滤波和数字鉴相都是在该平台内完成，其中自适应加权数字滤波采用多铷钟加权方式，结合IIR滤波器及三阶Σ-Δ调制器，实现多参考铷钟对恒温晶振的综合驯服、数字鉴相及滤波，实现原理如图4所示。
DAC转化器12，采用普通采用频率和精度的数模转换芯片，实现数字信号转换成模拟电压。
三阶RC滤波器13，RC滤波器用于抑制低频交流信号，其电路简单、抗干扰能力强、低频滤波性能好。
恒温晶振14是同图2中的恒温晶振9，为恒温晶振，该恒温晶振的1s、10s频率稳定度和相噪指标均需优于技术要求。
如图5所示，锁相环输出的噪声根据环路带宽可分为带内和带外噪声，带内噪声主要是参考源、分频器、鉴相器的噪声之和，带外噪声主要取决于恒温晶振的噪声。因此，通过对数字滤波器和低通滤波器优化配置，可有效抑制铷钟参考的噪声，提高10MHz频率输出的相位噪声性能，同时也可以获取铷钟的准确度及长期稳定度特性。
通过噪声净化锁相环处理后的标频信号的相位噪声特性如图6所示，由图可知，净化锁相环将铷钟的噪声进行了有效的抑制，输出信号获得了恒温晶振良好的相位噪声特性。
通过噪声净化锁相环处理后的标频信号的频率稳定度特性如图7所示，由图可知，输出信号获取了恒温晶振1s频率稳定度的指标和铷钟长期稳定度指标，有效避免了恒温晶振长期稳定度差、铷钟短期稳定度差的缺点，最终实现的频率稳定度性能，明显优于技术指标的要求。
低噪声标频扩展方法
图8是低噪声标频扩展原理框图，输入的10MHz标频信号，先经过低噪声放大器进行幅度放大，满足后级电路的幅度要求，同时放大器的低噪声性能可以将噪声控制在指标要求以内，功分器将一路10MHz标频信号分配输出三路，第一路经过隔离、滤波后输出10MHz标频信号。第二路经过隔离、2分频、滤波后输出5MHz标频信号。第三路经过隔离、10分频、滤波后输出1MHz标频信号。
同时，需要优化电源电路的设计，通过合理布局和地分割，隔离外部电源噪声，提高DC/DC电源电路开关工作频率，增强电源滤波处理，进一步抑制开关电源的噪声，电源处理末端采用低噪声LDO线性电源降压和滤波，每个频率处理通道设计独立的LDO线性降压和滤波电路，提高放大、驱动等有源芯片电源供给质量的同时，增加通道间的电源隔离，避免通道间的噪声耦合和干扰。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种高稳定低相噪标频处理方法，其特征在于：采用噪声净化锁相环和低噪声标频扩展对标频信号进行处理，噪声净化锁相环将时钟和恒温晶振结合，产生标频信号源；低噪声标频扩展对标频信号源进行分配、变频、区放、滤波和匹配处理，实现多路标频信号输出。
2.一种高稳定低相噪标频处理系统，其特征在于：包括依次连接的原子钟组(1)、数字鉴相器(3)、自适应加权数字滤波器(4)、DAC转换器(5)、低通滤波器(6)、恒温晶振(7)，且所述恒温晶振(7)与数字鉴相器(3)连接，其中：
所述原子钟组(1)用于在无外部时间源对时时，自主时间保持和输出，输出1pps时间信号和10MHz频率信号；
所述数字鉴相器(3)用于将恒温晶振(7)输出的10MHz信号的频率相位与原子钟组(1)输入的10MHz频率信号的相位保持精确同步；
所述自适应加权数字滤波器(4)用于根据输入信号的特性，自动调整滤波器参数，改变滤波器带宽和带外抑制性能，满足不同输入信号的最优滤波处理；
所述DAC转换器(5)用于将数字信号转换成模拟电压信号；
所述低通滤波器(6)用于对DAC转换器(5)转换后的电压信号进行高频噪声抑制，输出稳定、纯净的直流电压信号；
所述恒温晶振(7)利用恒温槽使晶体振荡器工作在恒定温度环境下，输出10MHz信号，并将该10MHz信号反馈给数字鉴相器(3)。
3.根据权利要求1所述高稳定低相噪标频处理系统，其特征在于：所述原子钟组(1)为铷原子钟组。
4.根据权利要求1所述高稳定低相噪标频处理系统，其特征在于：所述自适应加权数字滤波器(4)包括依次连接的时差测量模块、多铷钟加权模块IIR滤波器及三阶Σ-Δ调制器。
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