CN112564699A - 一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，解决现有方法对原子钟频率稳定度损伤和重复上电本振载波相位不一致的问题。所述卫星双向调制无损时钟产生方法，包含以下步骤：用频率为外部参考频率的正弦波参考信号产生包含多次谐波频率的叠加信号；从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于第一阈值的一个谐波信号，放大后得到系统时钟或本振信号，或者从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号。本发明可实现接近于理论值的无损频率信号产生。

Description

一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法
技术领域
本发明涉及卫星双向时频传递领域，尤其涉及一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法。
背景技术
目前卫星双向时频传递系统的系统时钟和本振产生都依赖于锁相系统，通过分频和鉴相方式将5MHz/10MHz外参考倍频到更高频率。一方面，若要尽可能降低对5MHz/10MHz外参考信号稳定度的损伤，对时钟芯片、锁相环路的压控振荡器(VCO)指标和锁相算法要求非常苛刻，一般很难满足要求；另一方面，目前大多数射频芯片通过锁相环路产生载波本振时会出现重复上电与外部参考输入相位不一致的情况，无法适用于卫星双向时频传递的应用。
发明内容
本发明提供一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，解决现有方法对原子钟频率稳定度损伤和重复上电本振载波相位不一致的问题。
为解决上述问题，本发明是这样实现的：
本发明实施例指出一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，包含以下步骤：用频率为外部参考频率的正弦波参考信号产生包含多次谐波频率的叠加信号；从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于第一阈值的一个谐波信号，放大后得到系统时钟或本振信号，或者从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号。
优选地，所述从叠加信号中提取谐波次数小于等于第一阈值的一个谐波信号，放大后得到系统时钟或本振信号的步骤，进一步包含：若f＝n×fref，且n≤T1，则对所述叠加信号先滤波后放大，得到频率为f的所述系统时钟或本振信号；其中，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，n为时钟系数，T1为所述第一阈值。
优选地，所述从叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频放大后得到所述系统时钟或本振信号的步骤，进一步包含：若f＝n×fref，且T1<n≤2×T1，则从叠加信号中提取谐波次数为i1第一滤波信号和谐波次数为i2第二滤波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号，且i1+i2＝n，i1≤T1，i2≤T1；其中，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，n为时钟系数，T1为所述第一阈值，i1、i2分别为第一、第二谐波系数。
优选地，所述从叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频放大后得到所述系统时钟或本振信号的步骤，进一步包含：若f＝n×fref，且n>2×T1，则从叠加信号中提取谐波次数为i3、i4、……、ia第三、第四、……、第a滤波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号，i3+i4+……+ia＝n，且i3≤T1，i4≤T1，……，ia≤T1；其中，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，n为时钟系数，T1为所述第一阈值，i3、i4、……、ia分别为第三、第四、……第a谐波系数。
优选地，所述用频率为外部参考频率的正弦波参考信号产生包含多次谐波频率的叠加信号的步骤，进一步包含：将所述正弦波参考信号输入给二极管，产生所述叠加信号。
进一步地，所述方法还包含：将所述正弦波参考信号进行k分频后放大，得到频率为1/k×fref的分频信号；将所述一个谐波信号放大，或者对所述多个谐波信号混频后放大，得到倍频信号；对所述倍频信号和分频信号进行混频、滤波和放大，得到的信号为所述系统时钟或本振信号，所述系统时钟或本振信号的频率为f＝m×fref+1/k×fref，其中，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，m为倍频系数，k为分频系数。
进一步地，所述第一阈值小于等于6。
本发明有益效果包括：本发明提供了一种无损的卫星双向时频传递调制信号的系统时钟和载波本振产生方法，利用正弦波具有多次谐波的特点，能够保持外频标的频率稳定度和相位特性，特别适用于高性能氢原子钟和铯原子钟参与的双向时间频率传递系统，可实现接近于理论值的无损频率信号产生。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法流程实施例；
图2为一种包含分频的卫星双向调制无损时钟及本振产生方法流程实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
卫星双向时频传递是目前国际公认的最高精度的时频传递方法，广泛应用于国际高精度时间频率量值远程比对，在时间频率量传和溯源方法中的地位无可替代。双向时频传递利用信号扩频调制技术对定时信号的相关信息进行高精度的扩频调制发射，通过卫星、微波或光纤链路对信号进行传输，远程比对站对比对信号进行快速捕获、精密跟踪和精确解算，得到信号传播时延，通过交换传播时延数据便可以精确的获得比对站间的时间差信息，可以获得纳秒量级时间同步水平。双向法广泛应用于卫星导航、深空探测和无人机编队等等多个领域。
卫星双向时频传递系统的应用要求系统工作时钟和本振频率及相位都与外部参考5MHz/10MHz的频率及相位严格相参，并且要求尽可能引入小的误差，而外部参考都来源于氢原子钟或铯原子钟，只有这样才能保证发射调制的信号能够实时反映外部参考频率和相位变化，远端才能通过接收测量而精确获得此变化。
本发明创新点如下：利用正弦波具有多次谐波的特点，通过滤波器选取单个或多个所需谐波频率后，利用分频器、混频器等器件实现最终频率信号的合成产生，此种方式能够解决传统锁相模式下对原子钟频率稳定度损伤和重复上电本振载波相位不一致的问题，保持外频标的频率稳定度和相位特性。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1为一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法流程实施例，作为本发明实施例，系统时钟或本振信号的频率为正弦波参考信号的整数倍，一种卫星双向调制无损时钟产生方法，具体包含以下步骤101～102：
步骤101，用频率为外部参考频率的正弦波参考信号产生包含多次谐波频率的叠加信号。
在步骤101中，可以将所述正弦波参考信号输入给二极管，产生所述叠加信号，所述叠加信号包含所述正弦波参考信号的多次谐波(大于等于2次谐波)。
需要说明的是，也可以采用其他方式产生所述叠加信号，不限于本发明实施例中的通过二极管产生。
步骤102，从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于第一阈值的一个谐波信号，放大后得到系统时钟或本振信号，或者从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号。
在步骤102中，所述系统时钟的频率为所述外部参考频率的整数倍，即f＝n×fref，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，n为时钟系数，n≥2。
在步骤102中，进一步包含步骤102A～102C：
步骤102A，若n≤T1，则对所述叠加信号先滤波后放大，得到频率为f的所述系统时钟或本振信号，T1为所述第一阈值。
在步骤102A中，直接通过中心频率为f的带通滤波器提取滤出所需的频率f＝n×fref正弦波信号，经过放大电路后得到所述系统时钟或本振信号，提供给系统使用。
步骤102B，若T1<n≤2×T1，则从叠加信号中提取谐波次数为i1第一滤波信号和谐波次数为i2第二滤波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号，且i1+i2＝n，i1≤T1，i2≤T1。
其中，i1、i2分别为第一、第二谐波系数。
在步骤102B中，一定存在n＝i1+i2，i1和i2都是正整数，当i1≤T1，i2≤T1时，则通过中心频率为i1×fref的带通滤波器和中心频率为i2×fref的带通滤波器滤出频率为i1×fref的第一滤波信号和频率为i2×fref的第二滤波信号，经过混频滤波再经过放大电路进行放大，得到所述系统时钟或本振信号。
步骤102C，若n>2×T1，则从叠加信号中提取谐波次数为i3、i4、……、ia第三、第四、……、第a滤波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号，i3+i4+……+ia＝n，且i3≤T1，i4≤T1，……，ia≤T1。
其中，i3、i4、……、ia分别为第三、第四、……第a谐波系数。
在步骤102C中，重复步骤102A～102B，所述第三～第a滤波信号的频率可相同或不同。
需要说明的是，步骤102C可以看作是步骤102A和步骤102B的结合，将所述系统时钟或本振信号的频率进行分解，直到分解成的信号为谐波次数小于等于第一阈值的谐波信号。
在步骤102中，所述第一阈值小于等于6且大于等于2，即分解成的信号为6次谐波及其以下次数谐波信号(大于等于2次谐波)。
需要说明的是，在使用本发明方法生成系统时钟和本振时，虽然理论上正弦波有无数次谐波，但其能量是逐级减小的，一般到6次以上谐波幅度会很小，噪声会凸显出来，产生的信号质量会下降，因此应该避免使用高次谐波信号进行信号的混频操作，否则该方法将恶化参考输入的氢原子钟和铯原子钟频率稳定度指标。
还需说明的是，对所述第一阈值的具体数值不做特别限定，可以是本发明实施例中的小于等于6大于等于2的整数，也可以是大于6的整数。
需要说明的是，本发明中所述系统时钟或本振信号包含系统时钟和或本振信号，即所述系统时钟或本振信号可用于卫星双向时频系统的系统时钟信号，还可用于卫星双向时频系统的载波本振信号，还可用于卫星双向时频系统的载波本振信号和系统时钟信号。
本发明实施例提供了一种无损的卫星双向时频传递调制信号的系统时钟和载波本振产生方法，解决传统锁相模式下对原子钟频率稳定度损伤和重复上电本振载波相位不一致的问题。
图2为一种包含分频的卫星双向调制无损时钟及本振产生方法流程实施例，系统时钟或本振信号的频率不是正弦波参考信号的频率的整数倍，作为本发明实施例，一种卫星双向调制无损时钟产生方法，具体包含以下步骤201～204：
步骤201，用频率为外部参考频率的正弦波参考信号产生包含多次谐波频率的叠加信号。
步骤201与步骤101相同，这里不重复撰写。
步骤202，从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于第一阈值的一个谐波信号，放大后得到倍频信号，或者从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频滤波放大后得到所述倍频信号。
在步骤202中，所述倍频信号的频率是正弦波参考信号频率的整数倍，即m×fref，其中，m为倍频系数，m大于等于2。
需要说明的是，产生所述倍频信号的方法在步骤102中已经详细论述，这里不具体说明。
步骤203，将所述正弦波参考信号进行k分频后放大，得到频率为1/k×fref的分频信号。
在步骤203中，将正弦波参考信号输入给分频器，设置分频器分频系数k，分频器输出频率为1/k×fref的正弦波信号，经过放大电路对分频信号进行放大，得到所述分频信号。
其中，k＝2,3,4,5……+∞。
步骤204，对所述倍频信号和分频信号进行混频、滤波和放大，得到的信号为所述系统时钟或本振信号。
在步骤204中，所述系统时钟或本振信号的频率为f＝m×fref+1/k×fref，其中，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，m为倍频系数，m＝2,3,4,5……+∞，k为分频系数。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，其特征在于，包含以下步骤：
用频率为外部参考频率的正弦波参考信号产生包含多次谐波频率的叠加信号；
从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于第一阈值的一个谐波信号，放大后得到系统时钟或本振信号，或者从所述叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号。
2.如权利要求1所述的卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，其特征在于，所述从叠加信号中提取谐波次数小于等于第一阈值的一个谐波信号，放大后得到系统时钟或本振信号的步骤，进一步包含：
若f＝n×fref，且n≤T1，则对所述叠加信号先滤波后放大，得到频率为f的所述系统时钟或本振信号；
其中，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，n为时钟系数，T1为所述第一阈值。
3.如权利要求1所述的卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，其特征在于，所述从叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频放大后得到所述系统时钟或本振信号的步骤，进一步包含：
若f＝n×fref，且T1<n≤2×T1，则从叠加信号中提取谐波次数为i1第一滤波信号和谐波次数为i2第二滤波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟或本振信号，且i1+i2＝n，i1≤T1，i2≤T1；
其中，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，n为时钟系数，T1为所述第一阈值，i1、i2分别为第一、第二谐波系数。
4.如权利要求1所述的卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，其特征在于，所述从叠加信号中提取谐波次数小于等于所述第一阈值的多个谐波信号，混频放大后得到所述系统时钟或本振信号的步骤，进一步包含：
若f＝n×fref，且n>2×T1，则从叠加信号中提取谐波次数为i3、i4、……、ia第三、第四、……、第a滤波信号，混频滤波放大后得到所述系统时钟信号，i3+i4+……+ia＝n，且i3≤T1，i4≤T1，……，ia≤T1；
其中，f为所述系统时钟或本振信号的频率，fref为所述外部参考频率，n为时钟系数，T1为所述第一阈值，i3、i4、……、ia分别为第三、第四、……第a谐波系数。
5.如权利要求1所述的卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，其特征在于，所述用频率为外部参考频率的正弦波参考信号产生包含多次谐波频率的叠加信号的步骤，进一步包含：
将所述正弦波参考信号输入给二极管，产生所述叠加信号。
6.如权利要求1～5任一项所述的卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，其特征在于，所述方法还包含：
将所述正弦波参考信号进行k分频后放大，得到频率为1/k×fref的分频信号；
将所述一个谐波信号放大，或者对所述多个谐波信号混频后放大，得到倍频信号；
对所述倍频信号和分频信号进行混频、滤波和放大，得到的信号为所述系统时钟或本振信号，所述系统时钟或本振信号的频率为f＝m×fref+1/k×fref，其中，f为所述系统时钟信号的频率，fref为所述外部参考频率，m为倍频系数，k为分频系数。
7.如权利要求1～5任一项所述的卫星双向调制无损时钟及本振产生方法，其特征在于，所述第一阈值小于等于6且大于等于2。
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