CN117394832A - 一种铷钟fsk小调制信号生成系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种铷钟FSK小调制信号生成系统及方法，属于电子信息技术领域。本发明包括一个2分频器、一个M分频器、一个基于DDS原理的累加器和一个异或门：实现在10MHz时钟源输入条件下，生成的含有5.3125*MHz FSK小调制信号频谱分量的方波信号，且此频谱分量的中心频率5.3125*MHz可微调。通过本软件的应用实现了FSK小调制信号的全数字过程处理，消减了模拟电路、降低了调试难度，并且大幅降低了FPGA的资源占用和时钟速率。2分频器是将10MHz时钟二分频生成一路5MHz；另一路通过10MHz进行M分频的某一频率作为时钟参考，基于DDS原理生成中心频率可微调的0.3125MHz小调制方波信号；将5MHz信号与0.3125MHzFSK小调制信号进行异或数字混频处理，获得含有5.3125*MHz小调制的频谱分量的方波信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种铷钟FSK小调制信号生成系统及方法，属于电子信息技术领域。
背景技术
铷钟锁频环路内的6.83468*GHz微波FSK小调制信号由单频6.840GHz信号与一路中心频率可微调的5.3125*MHz FSK小调制信号混频获得。因此，本方法目的是生成5.3125*MHz FSK小调制信号。
基于DDS原理生成直接生成的5.3125*MHzFSK小调制信号频谱分量，需要>10MHz的时钟速率，需要配套倍频电路；由于截断误差等多种因素，基于DDS原理生成方波信号含有大量谐杂波，需要进行滤波处理。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种铷钟FSK小调制信号生成系统及方法，降低了对时钟速率的要求，不需要倍频电路，降低了调试难度，节省了硬件资源。
本发明的技术解决方案是：一种铷钟FSK小调制信号生成系统，包括二分频器、M分频器、累加器和数字处理模块；
二分频器，用于将输入的时钟信号二分频生成一路第一频率输出信号并发送至数字处理模块；
多分频器和累加器串联；所述多分频器用于将输入的时钟信号若干路分频，生成若干路输出信号至累加器；所述累加器用于将多分频器的输出信号进行累加，生成中心频率可调的第二频率调制方波信号并发送至数字处理模块；
数字处理模块，用于将第一频率输出信号与第二频率调制方波信号进行异或数字混频处理，获得预设频率调制的频谱分量的方波信号。
进一步地，所述多分频器的分频数量的范围为[1,10]。
进一步地，所述输入的时钟信号的频率为10MHz；所述第一频率为5MHz；所述第二频率为0.3125MHz；所述预设频率为5.3125*MHz。
进一步地，所述累加器基于DDS方法实现。
进一步地，所述多分频器通过接收外部输入的调制方波信号控制两个N位的频率控制字的切换；所述累加器在参考时钟的触发下对切换结果进行累加，取累加结果的最高位输出作为0.3125*MHz的FSK调制方波信号。
进一步地，所述FSK调制方波信号的调制深度为Δω＝(H-L)×fclk/2N；其中，H和L为两个N位的频率控制字，将二进制转换为十进制；fclk为参考时钟的频率。
进一步地，所述FSK调制方波信号的中心频率为其中，H和L为两个N位的频率控制字，将二进制转换为十进制；fclk为参考时钟的频率。
一种铷钟FSK小调制信号生成方法，包括：
将输入的时钟信号二分频生成一路第一频率输出信号；
将输入的时钟信号若干路分频，生成若干路输出信号，然后进行累加，生成中心频率可调的第二频率调制方波信号；
将第一频率输出信号与第二频率调制方波信号进行异或数字混频处理，获得预设频率调制的频谱分量的方波信号。
进一步地，通过接收外部输入的调制方波信号控制两个N位的频率控制字的切换；所述累加器在参考时钟的触发下对切换结果进行累加，取累加结果的最高位输出作为0.3125*MHz的FSK调制方波信号；
所述FSK调制方波信号的调制深度为Δω＝(H-L)×fclk/2N；
所述FSK调制方波信号的中心频率为
其中，H和L为两个N位的频率控制字，将二进制转换为十进制；fclk为参考时钟的频率。
进一步地，所述若干路的范围为[1,10]；
输入的时钟信号的频率为10MHz；所述第一频率为5MHz；所述第二频率为0.3125MHz；所述预设频率为5.3125*MHz；
所述累加基于DDS方法实现。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)采用10MHz做参考时钟，不经过倍频处理，生成5.3125*MHz FSK小调制信号；
(2)采用全数字处理方式，可仅使用FPGA来实现，节省硬件资源。
(3)通过调整0.3125*MHz FSK小调制信号中心频率，可调整铷钟输出10MHz频率准确度，且调整精度相对现有方法提升17倍。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1铷钟FSK小调制信号生成原理框图；
图2FSK小调制方波信号0.3125*MHz生成原理框图；
图3FSK小调制方波信号0.3125*MHz频谱分布图；
图4FSK小调制方波信号5.3125*MHz的LVTTL电平波形图；
图5FSK小调制方波信号5.3125*MHz频谱分布图；
图6在跃迁谱线作用下微波小调制信号频率变化引起的光强信号变化。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种铷钟FSK小调制信号生成系统及方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：将晶振输出的10MHz信号二分频，获得一路5MHz方波信号；另一路通过由10MHz或基于10MHz进行M分频的某一频率作为时钟参考(M为整数，1≤M≤10)，基于DDS原理生成中心频率可微调的0.3125MHz小调制方波信号；将5MHz信号与0.3125MHzFSK小调制信号进行异或数字混频处理，获得含有5.3125*MHz小调制的频谱分量的方波信号。
此方波信号含有较多的杂散，与6.840GHz单频微波信号下混频后获得6.83468*MHzFSK小调制信号频谱分量，同时也将杂散搬运到此频谱分量附近。铷钟物理部分跃迁谱线在6.83468*GHz频率下的带宽仅几百Hz(相当于Q值高达一千多万的带通滤波器)，大幅消弱这些杂散对频率稳定度的影响。
在本申请实施例所提供的方案中，包括：
1)基于DDS原理的0.3125MHzFSK小调制方波信号与5MHz单频方波信号的生成
如图2所示生成0.3125MHzFSK小调制方波信号：参考时钟fclk可以是晶振的10MHz也可以对10MHz进行数字整数分频。输入的调制方波信号(Modulating signal)控制两个N位的频率控制字(Frequency control word H or Frequency control word L)的切换(Frequency switching)。在fclk的触发下，累加器对切换结果进行累加，N位累加结果的溢出不用处理。取累加结果的最高位输出作为0.3125*MHzFSK小调制方波信号。
FSK小调制方波信号的调制频率Ω等于图2中调制方波信号(Modulating signal)频率。
FSK小调制方波信号的调制深度取决于图2两个N位的频率控制字之差和参考时钟fclk，通过公式(1)计算获得：
Δω＝(H-L)×fclk/2N (公式1)
式中：
Δω为0.3125MHzFSK小调制方波信号的调制深度；
H为Frequency control word H，将二进制转换为十进制；
L为Frequency control word L，将二进制转换为十进制；
fclk为参考时钟频率；
N为频率控制字位数。
FSK小调制方波信号的中心频率通过公式(2)计算获得：
式中：
f为0.3125MHzFSK小调制方波信号的中心频率；
H为Frequency control word H，将二进制转换为十进制；
L为Frequency control word L，将二进制转换为十进制；
fclk为参考时钟频率；
N为频率控制字位数。
通过参数设置，可对FSK小调制方波信号的中心频率、调制频率及调制深度三个参数在一定范围内进行调节。
由图2可知，为节省FPGA的资源，采用简略设计，省去了DDS的查找表和加扰等措施，高截断误差会产生大量的杂散。以FSK小调制方波信号的典型参数设置：中心频率0.3125MHz、调制频率82Hz、调制深度220Hz、方波为LVTTL3.3V电平为例，用matlab进行了仿真，仿真结果如图3所示。
图3中，上图为0.3125MHz的远端频谱；下图为0.3125MHz的近端频谱。频谱图中存在关键信号0.3125MHz的频率分量；近端在0.4368MHz处存在-5.046dBm的杂散(Δf≈125KHz、ΔP≈5dBc)和0.1884MHz处存在-5.551dBm的杂散(Δf≈125KHz、ΔP≈5dBc)。近端杂散的特点是呈对称分布。
用FPGA对晶振10MHz二分频获得5MHz方波信号。
2)数字异或混频生成5.3125*MHz方波FSK信号及频谱仿真
混频方法一般采用乘法器，0.3125*MHzFSK小调制方波信号与5MHz方波信号采用异或逻辑门替代乘法，其原理如表1所示。
表1乘法器运算结果与异或逻辑处理结果比较
从表1可见，若将乘法运算的值’-1’定义为逻辑运算中的逻辑电平’0’，乘法运算的值’1’定义为逻辑运算中的逻辑电平’1’，则乘法器的运算结果与异或逻辑处理结果完全一致。即异或逻辑门电路可替代乘法器用于数字信号混频。
混频后5.3125*MHz方波FSK信号LVTTL电平波形如图4所示，上图为5MHz方波信号波形，中图为基于DDS原理生成的0.3125MHz波形，下图为两信号异或后的波形。
对图4中异或混频后的5.3125*MHz方波FSK信号LVTTL电平波形进行频谱分析，如图5所示。图5中上图为远端频谱分布，图3混频后的信号波形是以5.3125*MHz为主峰的含有丰富杂散的信号。下图为主峰5.3125*MHz方波信号近端的频谱分析，最近的杂散为5.437MHz(Δf≈125KHz、ΔP≈6dBc)与5.188MHz(Δf≈125KHz、ΔP≈8dBc)。
3)杂散对铷钟频率稳定度影响量级的评估与整机短期频率稳定度测试结果
馈入到铷钟物理部分的6.8346875*GHz微波信号是由6.840GHz与5.3125*MHz方波FSK信号下混频获得。因此图5中的5.3125*MHz方波FSK信号中存在的杂散经过频谱搬运进入到微波信号附近。物理部分的跃迁谱线如图6所示。
主坐标中，横坐标轴ω为频率值，纵坐标轴I为光强大小。当如图6中下方小调制信号处于跃迁谱线中心频率ω0附近时，产生相应的光强变化，如图右侧小坐标图I-t所示。若微波杂散的频率远离跃迁谱线中心频率，对铷钟性能的影响非常小，评估如下：
原子的平均跃迁几率与微波频率和功率的关系可通过公式3来计算。
式中：
ω为微波小调制信号的频率；
ω0为跃迁谱线中心频率；
b的取值与微波功率成正比；
τ为微波激活原子的平均寿命
Pe为平均原子跃迁几率。
从公式3可知，平均跃迁几率与微波杂散的频率和功率有关，当正常小调制频率偏离跃迁谱线中心频率为(100～200)Hz，在跃迁谱线带宽以内。在图5中最近杂散的频率偏离100KHz，是主峰的1/1000；最近杂散功率值约为主峰的1/4；即获得Pe(杂±1)/Pe(主)≤1E-7。同理，可获得Pe(杂±2)/Pe(主)≤1E-8等依次递减，在工程上可忽略其影响。若跃迁谱线宽为500Hz，可通过由杂散引起的信噪比恶化(≤3E-7)转换为频率稳定度约为1E-14。即使未获得杂散引起的噪声类型，也可进行保守估计铷钟由此带来的频率稳定度flickfloor优于1E-14。
频率稳定度为2.96E-12/1s、6.3E-13/10s，2.4E-13/100s；与使用其他调制信号生成方法的测试数据比对并未见明显恶化。本方法满足数字星载铷钟和小型化铷钟的稳定度需求。
综上所述，基于DDS原理生成的0.3125*MHz信号不需要更改硬件参数，仅通过调整软件中的频率控制字可实现各种参数的FSK调制。与5MHz信号进行数字异或后生成含有5.3125*MHzFSK小调制信号频谱分量，并具有丰富的谐杂波。本方法中，识别到这些杂散经过频谱搬运到6.8346875GHz频率附近，但却被铷钟物理部分跃迁谱线带宽限制，对铷钟整机的频率稳定度影响有限，因此本方法可应用于铷钟产品。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物品或者设备所固有的要素。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种铷钟FSK小调制信号生成系统，其特征在于，包括二分频器、M分频器、累加器和数字处理模块；
二分频器，用于将输入的时钟信号二分频生成一路第一频率输出信号并发送至数字处理模块；
多分频器和累加器串联；所述多分频器用于将输入的时钟信号进行若干路分频，生成若干路输出信号至累加器；所述累加器用于将多分频器的输出信号进行累加，生成中心频率可调的第二频率调制方波信号并发送至数字处理模块；
数字处理模块，用于将第一频率输出信号与第二频率调制方波信号进行异或数字混频处理，获得预设频率调制的频谱分量的方波信号。
2.根据权利要求1所述的一种铷钟FSK小调制信号生成系统，其特征在于，所述多分频器的分频数量的范围为[1,10]。
3.根据权利要求1所述的一种铷钟FSK小调制信号生成系统，其特征在于，所述输入的时钟信号的频率为10MHz；所述第一频率为5MHz；所述第二频率为0.3125MHz；所述预设频率为5.3125*MHz。
4.根据权利要求1所述的一种铷钟FSK小调制信号生成系统，其特征在于，所述累加器基于DDS方法实现。
5.根据权利要求1所述的一种铷钟FSK小调制信号生成系统，其特征在于，所述多分频器通过接收外部输入的调制方波信号控制两个N位的频率控制字的切换；所述累加器在参考时钟的触发下对切换结果进行累加，取累加结果的最高位输出作为0.3125*MHz的FSK调制方波信号。
6.根据权利要求5所述的一种铷钟FSK小调制信号生成系统，其特征在于，所述FSK调制方波信号的调制深度为Δω＝(H-L)×fclk/2N；其中，H和L为两个N位的频率控制字，将二进制转换为十进制；fclk为时钟信号的频率。
7.根据权利要求5所述的一种铷钟FSK小调制信号生成系统，其特征在于，所述FSK调制方波信号的中心频率为其中，H和L为两个N位的频率控制字，将二进制转换为十进制；fclk为时钟信号的频率。
8.一种铷钟FSK小调制信号生成方法，其特征在于，包括：
将输入的时钟信号二分频生成一路第一频率输出信号；
将输入的时钟信号进行若干路分频，生成若干路输出信号，然后进行累加，生成中心频率可调的第二频率调制方波信号；
将第一频率输出信号与第二频率调制方波信号进行异或数字混频处理，获得预设频率调制的频谱分量的方波信号。
9.根据权利要求8所述的一种铷钟FSK小调制信号生成方法，其特征在于，通过接收外部输入的调制方波信号控制两个N位的频率控制字的切换；所述累加器在参考时钟的触发下对切换结果进行累加，取累加结果的最高位输出作为0.3125*MHz的FSK调制方波信号；
所述FSK调制方波信号的调制深度为Δω＝(H-L)×fclk/2N；
所述FSK调制方波信号的中心频率为
其中，H和L为两个N位的频率控制字，将二进制转换为十进制；fclk为参考时钟的频率。
10.根据权利要求8所述的一种铷钟FSK小调制信号生成方法，其特征在于，所述若干路的范围为[1,10]；
输入的时钟信号的频率为10MHz；所述第一频率为5MHz；所述第二频率为0.3125MHz；所述预设频率为5.3125*MHz；
所述累加基于DDS方法实现。
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