CN117914309B - 分子时钟、分子时钟频率控制方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种分子时钟、分子时钟频率控制方法和电子设备，其中，该方法包括：微波输出单元，用于输出谐波信号、检波信号和时钟信号；与所述微波输出单元连接的锁相放大模块，用于基于所述微波输出单元确定的N次所述谐波信号和所述检波信号，确定出N阶导数误差信号，其中，N为正整数；与所述锁相放大模块连接的反馈模块，用于基于所述N阶导数误差信号确定出控制信号，并将所述控制信号传输给所述微波输出单元，以调整所述微波输出单元输出的时钟信号。

Description

分子时钟、分子时钟频率控制方法和电子设备

技术领域

本申请涉及时钟控制技术领域，具体而言，涉及一种分子时钟、分子时钟频率控制方法和电子设备。

背景技术

高精度时钟是一种能够提供精确的、稳定的时间测量的设备，广泛应用于对时间精度要求高的科学研究、全球定位系统（GPS）等导航系统、通信系统、金融交易以及科学实验等等领域。

目前，高精度时钟主要包括原子时钟和分子时钟，原子钟利用了电磁辐射与特定原子的激发态的相互作用来实现时间测量，通过激光穿透玻璃气室产生的吸收峰作为频率参考。而分子时钟利用的是极性气体分子在电磁场作用下量子化的旋转能级跃迁产生的电磁波分子旋转波谱来实现时间测量，分子时钟通过高频电磁波在气室中穿透极性气体的旋转波谱峰作为频率参考。

现有的原子时钟的实现方式是数字处理器和比例积分微分控制，这种实现方式的调制频率较低，此控制模式不适合分子时钟。

发明内容

本申请的目的在于提供一种分子时钟、分子时钟频率控制方法和电子设备，能够提高分子时钟的准确性。

第一方面，本发明提供一种分子时钟，包括：微波输出单元，用于输出谐波信号、检波信号和时钟信号；与所述微波输出单元连接的锁相放大模块，用于基于所述微波输出单元确定的N次所述谐波信号和所述检波信号，确定出N阶导数误差信号，其中，N为正整数；与所述锁相放大模块连接的反馈模块，用于基于所述N阶导数误差信号确定出控制信号，并将所述控制信号传输给所述微波输出单元，以调整所述微波输出单元输出的时钟信号。

通过上述实施方式，微波输出单元可以输出N阶谐波信号，结合N阶谐波信号与检波信号的处理，实现N阶导数的确定，可以实现高阶导数曲线测量，从而可以获得高阶色散误差信号，提高时钟长期频率稳定度。进一步地，通过实现多阶色散误差信号的共同控制，可以实现高信噪比，降低晶振漂移的影响，也就可以提高时钟频率稳定度。

可选的，所述微波输出单元包括发射模块，用于接收所述控制模块的控制，对微波信号的中心频率进行扫描，以输出检波信号。

可选的，所述发射模块包括锁相环电路和第一混频器；所述锁相环电路用于对分子时钟的参考时钟进行处理得到输出信号；所述第一混频器用于对所述锁相环电路的输出信号和中频输入信号进行混频处理，得到所述第一混频器的输出的微波信号，所述微波信号包括所述N次谐波信号，所述中频输入信号为采用指定方式合成的信号。

可选的，所述中频输入信号为频率可调制的信号，所述第一混频器还用于对所述锁相环电路的输出信号分别与N次调制得到的中频输入信号进行混频处理，得到所述第一混频器的输出的N次谐波信号。

可选的，所述微波输出单元包括接收模块，用于对接收到的微波信号进行检波得到检波信号。

可选的，所述接收模块包括：压控振荡器、第二混频器和包络检波器；所述压控振荡器的输出信号作为所述第二混频器的本振输入信号；所述接收模块接收到的微波信号作为所述第二混频器的射频输入信号；所述第二混频器对所述本振输入信号和所述射频输入信号进行混频处理后输出给所述包络检波器；所述包络检波器对接收到的信号进行检波输出，作为检波信号。

可选的，还包括：与所述发射模块连接的晶振系统，用于向所述发射模块输出晶振信号，所述发射模块还用于基于所述晶振信号；连接在所述发射模块与所述接收模块之间的分子气室，用于对所述发射模块的频率信号的特定频率的微波共振吸收，并将处理后的微波信号传输给所述接收模块。

可选的，所述锁相放大模块与所述发射模块连接，用于将所述发射模块输出的N次谐波信号作为参考信号，将所述检波信号作为输入信号，以对所述参考信号和所述输入信号进行处理得到N阶导数误差信号，并将所述N阶导数误差信号传输给所述反馈模块。

在上述的分子时钟中，通过将该发射模块设置成具有输出N次谐波信号的模块，可以使得后续的反馈控制和调制控制能够实现多阶信号的处理，从而可以更好地实现N阶导数的确定，进一步地可以实现高阶导数曲线测量，从而可以获得高阶色散误差信号，提高时钟长期频率稳定性。

可选的，所述锁相放大模块包括第三混频器和低通滤波器；所述第三混频器用于对所述参考信号和所述输入信号进行混频处理，得到中频信号；所述低通滤波器用于对所述中频信号进行处理，得到N阶导数误差信号。

可选的，所述锁相放大模块包括：第一放大器、第一滤波器、相敏检波器、第二滤波器、移相器和第二放大器；所述移相器用于对所述参考信号进行移相处理，并输入所述相敏检波器；所述第一放大器用于对所述输入信号进行放大处理，所述第一滤波器用于对所述放大后的输入信号进行滤波处理，并输入所述相敏检波器；所述相敏检波器用于接收所述第一滤波器滤波后的输入信号和所述移相器移相处理后的参考信号进行混频处理，得到中频信号；所述第二滤波器和所述第二放大器用于对所述中频信号进行处理，得到N阶导数误差信号。

可选的，所述第一滤波器为带通滤波器，用于对放大后的输入信号对除指定频段的信号之外的信号进行滤波处理，以输出所述指定频段的信号，并输入所述相敏检波器。

可选的，所述第二滤波器为低通滤波器，用于对所述中频信号进行滤波，以对高于指定截止频率的信号进行过滤，并将过滤后的信号输入所述第二放大器。

可选的，所述导数误差信号包括一阶色散误差信号和多阶色散误差信号；所述反馈模块包括：积分器、比例放大器和加法器；所述积分器用于对所述多阶色散误差信号进行积分计算；所述比例放大器用于对所述一阶色散误差信号进行放大处理；所述加法器用于基于所述多阶色散误差信号的处理结果和所述一阶色散误差信号的处理结果，得到控制信号。

在上述的分子时钟中，结合一阶色散误差信号的确定以及多阶色散误差信号的确定，可以实现短期频率稳定度由一阶色散误差信号决定，长期频率稳定度由三阶色散误差信号决定，从而可以更好地平衡分子时钟的时钟信号的长期频率和短期频率稳定的需求，也就可以进一步地提高时钟频率稳定度。

可选的，所述比例放大器配置有指定放大比例，所述比例放大器用于对所述一阶色散误差信号按照所述指定放大比例对所述一阶色散误差信号进行放大处理。

可选的，所述积分器被配置有指定积分参数，所述积分器用于基于所述指定积分参数对所述多阶色散误差信号进行积分处理。

可选的，所述加法器包括反相加法器和第二加法器；所述反相加法器基于所述多阶色散误差信号的处理结果和所述一阶色散误差信号的处理结果，得到中间信号；所述第二加法器用于基于一路直流偏置信号和所述中间信号，得到控制信号。

第二方面，本发明提供一种分子时钟频率控制方法，包括：通过微波输出单元输出检波信号和N次谐波信号；通过锁相放大模块对所述N次所述谐波信号和所述检波信号，确定出N阶导数误差信号，其中，N为正整数；通过反馈模块基于所述N阶导数误差信号确定出控制信号，并将所述控制信号传输给所述微波输出单元，以调整所述微波输出单元输出的时钟信号。

可选的，所述通过微波输出单元输出检波信号和N次谐波信号，包括：通过微波输出单元的发射模块输出N次谐波信号；通过所述微波输出单元的接收模块输出检波信号。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：包括前述任意一项所述的分子时钟。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的分子时钟的第一实施例的方框示意图；

图2为本申请实施例提供的分子时钟的第二实施例的方框示意图；

图3为本申请实施例提供的分子时钟的锁相放大模块的方框示意图；

图4为本申请实施例提供的分子时钟的反馈模块的方框示意图；

图5为本申请实施例提供的分子时钟频率控制方法的流程图。

图标：110-微波输出单元；111-晶振系统；112-发射模块；113-分子气室；114-接收模块；120-锁相放大模块；121-第一放大器；122-第一滤波器；123-相敏检波器；124-第二滤波器；125-移相器；126-第二放大器；130-反馈模块；131-积分器；132-比例放大器；133-反相加法器；134-第二加法器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

时钟是一种精密仪器，当前常见的时钟包括原子钟，通过激光和微波来实现计时。而分子时钟仅需要微波的作用下实现计时，相对于原子钟来说，分子时钟的结构相对更加简单，但也能够实现较为准确的计时。但是目前的原子钟的实现中通常使用数字处理器以及PID（比例-积分-微分）控制的方式实现，但是该原子钟的实现方式的调制频率低不适合分子时钟的使用。

基于此，本申请提供的一种分子时钟、分子时钟频率控制方法以及包含该分子时钟的电子设备，可以通过模拟控制的方式，实现调制频率更高，满足分子时钟的时钟输出需求。下面结合实施例来描述本申请提供的分子时钟。

如图1所示，本申请实施例提供的一种分子时钟，可以包括： 微波输出单元110、锁相放大模块120和反馈模块130。

该微波输出单元110与锁相放大模块120和反馈模块130均存在连接关系。该微波输出单元110可以向该锁相放大模块120输出微波信号和N次谐波信号。该反馈模块130可以与该锁相放大模块120存在连接，用于获取该锁相放大模块120输出的信号。

本实施例中，锁相放大模块120用于基于所述微波输出单元110确定的N次所述谐波信号和所述检波信号，确定出N阶导数误差信号。

可选地，若需要输出确定多项不同阶数的导数误差信号，可以使用多个锁相放大模块120同步运行，以得到多项不同阶数的导数误差信号。

其中，N为正整数。

在一个实例中，在时钟控制时需要一阶导数误差信号和三阶导数误差信号来实现，则可以设置两个锁相放大模块120，其中一个锁相放大模块120用于得到一阶导数误差信号，另一个锁相放大模块用于得到三阶导数误差信号。

可选地，该锁相放大模块120可以将N次谐波信号作为参考信号，将检波信号作为输入信号，可以处理得到N阶导数误差信号。

示例性地，该锁相放大模块120可以包括混频功能模块和滤波功能模块。

该混频功能模块可以对调制频率信号的N次谐波信号作为参考信号，对检波信号进行混频处理，得到/>次谐波I、Q信号/>：

；

；

其中，表示/>次谐波解调相位；/>表示预设调制频率；/>表示检波信号序列中的第i项检波信号。

然后可以通过滤波功能模块实现低通滤波滤除交流成分，得到低通滤波后的I、Q信号，示例性地，低通滤波所使用的滤波器可以为级联积分梳状（CIC）滤波器，例如，该级联积分梳状滤波器可以为级数为1，抽取数为D，差分延时为1的级联积分梳状滤波器，低通滤波后的I、Q信号/>可以通过以下计算公式确定：

；

。

其中，计算得到的低通滤波后的Q信号可以作为N阶导数误差信号。可以表示第/>项Q信号/>至第/>项Q信号/>的平均值。

本实施例中，反馈模块130用于基于所述N阶导数误差信号确定出控制信号，并将所述控制信号传输给所述微波输出单元110，以调整所述微波输出单元110输出的时钟信号。

可选地，反馈模块130可以对不同阶的导数误差信号采用不同的处理方式，然后对不同阶的导数误差信号的处理结果进行汇总处理，得到控制信号。

示例性地，不同的处理方式可以包括积分处理、放大处理等处理方式。汇总处理可以包括将多路处理结果进行相加。

示例性地，基于所需的处理方式不同，该反馈模块130可以设置不同的模块。例如，需要积分处理则该反馈模块130可以设置有积分器，通过该积分器来实现对导数误差信号的积分处理。例如，需要放大处理则该反馈模块130可以设置有比例放大器，通过该比例放大器来实现对导数误差信号的放大处理。

示例性地，该反馈模块130可以包括加法器，通过加法器来实现对不同阶的导数误差信号的处理结果进行相加。

通过上述处理方式，可以实现多阶误差信号的共同控制，可以实现较高信噪比，降低晶振漂移的影响，从而提高时钟的短期和长期频率稳定度。

本实施例中，如图2所示，微波输出单元110包括发射模块112，用于检波信号。

发射模块112可以作为频率综合系统。该发射模块112将参考时钟信号经频率综合，输出与分子共振频率接近的微波信号到分子气室113。

示例性地，该发射模块112可以包括锁相环电路和第一混频器。

其中该锁相环电路可以接收分子时钟的参考时钟，将其作为锁相环电路输入信号。该锁相环电路的输出信号可以作为第一混频器的本振输入信号，该第一混频器对该本振输入信号和中频输入信号进行混频处理，可以得到该第一混频器的输出信号，该输出信号可以作为该发射模块112输出的微波信号。

以微波输出单元110中包含晶振系统111为例，该晶振系统111可以输出参考时钟，该参考时钟可以输入锁相环电路，作为该锁相环电路的输入信号。

本实施例中，输入第一混频器的中频输入信号可以是具有频率调制功能的低频信号。该第一混频器还用于对锁相环电路的输出信号分别与N次调制得到的中频输入信号进行混频处理，得到第一混频器的输出的N次谐波信号。

示例性地，该中频输入信号可以由数字式频率合成器（Direct DigitalSynthesizer，简称：DDS）产生。

本实施例中，该发射模块112还可以对微波信号进行频率调制，以输出相位可调的调制频率的多次谐波信号。示例性地，发射模块112可以通过对该中频输入信号的频率进行调制，本振输入信号和通过将调制后的中频输入信号进行混频处理，可以得到该第一混频器的输出信号，以输出N次谐波信号。

可选地，发射模块112所使用的频率调制可以为正弦频率调制。在启动该频率调制的情况下，可以预设调制频率以及预设最大频率偏移进行正弦频率调制，得到调制频率信号。

该预设调制频率可以表示为；最大频率偏移可以表示为/>，频率调制输出频率值可以表示为：/>；其中/>表示调制控制信号的初相位。

本实施例中，在频率调制未被启动时，频率调制输出频率可以表示为：。

通过上述实施方式，该发射模块可以实现可调制的微波信号的输出，从而可以输出多次谐波信号，以为后续实现多阶导数误差信号的确定得到数据基础，提高波谱基线漂移抑制，提高时钟长期频率稳定度。

本实施例中，如图2所示，微波输出单元110可以包括接收模块114，用于对扫描得到的微波信号进行检波得到检波信号。

该接收模块114可以作为检波系统。该接收模块114接收微波输出单元110的分子气室113输出的微波频率信号，通过检波得到频率正相关于接收信号的功率的检波信号。

示例性地，该接收模块114包括压控振荡器、第二混频器和包络检波器。

压控振荡器的输出信号作为第二混频器的本振输入信号；接收模块114接收到的微波信号作为第二混频器的射频输入信号；第二混频器对本振输入信号和射频输入信号进行混频处理后输出给包络检波器；包络检波器对接收到的信号进行检波输出，作为检波信号。

可选地，该压控振荡器的输出信号也可以再经过倍频处理后作为该第二混频器的本振输入信号。

可选地，该第二混频器可以将本振输入信号射频输入信号进行混频处理后传输给包络检波器。

可选地，该包络检波器可以用于检波得到正相关于接收信号的功率的信号。

通过上述接收模块114的实现，通过包络检波器提供的检波处理，可以实现对微波信号的检波，实现输出信号与输入信号的峰值成正比。

本实施例中，如图2所示，微波输出单元110还可以包括晶振系统111和分子气室113。

该晶振系统111可以与发射模块112连接，用于向发射模块112输出晶振信号，发射模块112还用于基于晶振信号输出频率信号。示例性地，该晶振系统111输出的晶振信号可以作为参考时钟，输入发射模块112，该发射模块112将其作为参考信号进行处理。

可选地，该晶振系统111可以包含晶振和频率综合系统。该晶振系统111用于输出频率信号。频率综合系统可以将晶振输出的频率信号转换为合适的频率，作为时钟信号输出和参考时钟输出。

分子气室113连接在发射模块112与接收模块114之间，用于对发射模块112的频率信号的特定频率的微波共振吸收，并将处理后的微波信号传输给接收模块114。

可选地，该分子气室113可以是带有微波耦合窗口、窗口间由微波波导连接的密封腔体。示例性地，该分子气室113可以包括两个微波耦合窗口。其中，一个微波耦合窗口可以作为接收窗口，一个作为发射窗口。示例性地，该分子气室113也可以仅包括一个窗口，该窗口可以实现发射和接收信号的共用窗口。

示例性地，该特定频率可以表示分子共振频率。

示例性地，该分子气室113充入一定压强的分子气体。分子的旋转能级间的跃迁导致分子会对频率接近分子共振频率的微波产生共振吸收。

本实施例中，锁相放大模块120与发射模块112连接，用于将发射模块112输出的N次谐波信号作为参考信号，将检波信号作为输入信号，以对参考信号和输入信号进行处理得到N阶导数误差信号，并将N阶导数误差信号传输给反馈模块130。

可选地，若需要得到多项不同阶数的导数误差信号，可以通过多个锁相放大模块120与发射模块112连接，每个锁相放大模块120均可以接收该发射模块112的不同次的谐波信号，通过对该不同次的谐波信号的计算处理，输出不同阶数的导数误差信号。

本实施例中的锁相放大模块120可以用于实现模拟方式实现信号的解调，在上述实施方式中，在该锁相放大模块120实现低阶的导数误差信号的确定，基于低阶的导数误差信号的处理，可以具有相对较少的噪声信号，也就可以具有高信噪比高的优势。通过该锁相放大模块实现解调，考虑短期频率的稳定度受到谱线基线的影响较小，通过低阶的导数误差信号的处理也可以实现较好的短期频率的稳定度。

在一实施方式中，锁相放大模块120包括第三混频器和低通滤波器。

第三混频器用于将参考信号和输入信号进行处理，得到中频信号。低通滤波器用于将中频信号进行滤波处理，得到N阶导数误差信号。

示例性地，该锁相放大器的第三混频器可以用于基于参考信号和输入信号进行频率的混合，以输出中频信号。

发射模块112产生的频率调制控制信号的N次谐波信号，输出到锁相放大模块120作为参考信号。接收模块114输出的检波信号作为输入信号。参考信号经过移相后和输入信号输入到锁相放大模块120中的第三混频器，第三混频器的输出的信号再经过低通滤波器，得到的信号作为N阶导数误差信号 。

示例性地，该第三混频器可以将该移相后的参考信号与输入信号进行组合计算以实现混频处理。

示例性地， 组合计算可以包括通过对移相后的参考信号与输入信号进行计算得到次谐波I、Q信号/>：

；

；

其中，表示/>次谐波解调相位；/>表示预设调制频率；/>表示检波信号。

该低通滤波器可以对次谐波I、Q信号/>进行滤波处理，以滤除其中的交流部分，其中，将滤除其中的交流部分的Q信号作为N阶导数误差信号。

在另一实施方式中，如图3所示，锁相放大模块120包括：第一放大器121、第一滤波器122、相敏检波器123、第二滤波器124、移相器125和第二放大器126。

移相器125用于对参考信号进行移相处理，并输入相敏检波器123。

第一放大器121用于对输入信号进行放大处理，第一滤波器122用于对放大后的输入信号进行滤波处理，并输入相敏检波器123。

相敏检波器123用于接收第一滤波器122滤波后的输入信号和移相器125移相处理后的参考信号进行混频处理，得到中频信号。

第二滤波器124和第二放大器126用于对中频信号进行处理，得到N阶导数误差信号。

可选地，第一滤波器122可以为带通滤波器，用于对放大后的输入信号对除指定频段的信号之外的信号进行滤波处理，以输出指定频段的信号，并输入相敏检波器123。

示例性地，该指定频段可以是预先配置给该第一滤波器122。

可选地，第二滤波器124为低通滤波器，用于对中频信号进行滤波，以对高于指定截止频率的信号进行过滤，并将过滤后的信号输入第二放大器126。

示例性地，该指定截止频率可以预先配置给该第二滤波器124。通过该第二滤波器124的作用可以滤掉高频噪声和杂散信号。例如，该第二滤波器124可以滤除信号中的交流分量。

可选地，该移相器125的相移可以设置为使N阶导数误差信号的幅度最大的最优相移/>。

可选地，该第二滤波器124可以为高阶的低通滤波器。通过设置高阶的第二滤波器124可以增大带外衰减。

可选地，导数误差信号包括一阶色散误差信号和多阶色散误差信号。如图4所示，反馈模块130包括：积分器131、比例放大器132和加法器（图未示）。

本实施例中，积分器131用于对多阶色散误差信号进行处理；比例放大器132用于对一阶色散误差信号进行处理；加法器用于基于多阶色散误差信号的处理结果和一阶色散误差信号的处理结果，得到控制信号。

示例性地，该比例放大器132可以对该一阶色散误差信号进行放大处理。积分器131可以对多阶色散误差信号进行积分计算。加法器用于对多阶色散误差信号的处理结果和一阶色散误差信号相加可以得到控制信号。

以一阶色散误差信号与三阶色散误差信号混合PID控制为例，一阶色散误差信号通过比例放大反馈，三阶色散误差信号通过积分反馈。一阶色散误差信号经过比例放大器132进行放大处理，三阶色散误差信号经过积分器131的积分计算，然后与一路直流信号通过该加法器求和，得到反馈控制的输出信号，该输出信号可以确定为控制信号。

如图4所示，本实施例的加法器包括反相加法器133和第二加法器134。

反相加法器133基于多阶色散误差信号的处理结果和一阶色散误差信号的处理结果，得到中间信号；第二加法器134用于基于一路直流偏置信号和中间信号，得到控制信号。

示例性地，该第二加法器134可以将该直流偏置信号和中间信号进行相加，可以得到控制信号。

可选地，比例放大器132配置有指定放大比例，比例放大器132用于对一阶色散误差信号按照指定放大比例对一阶色散误差信号进行放大处理。

可选地，积分器131被配置有指定积分参数，积分器131用于基于指定积分参数对多阶色散误差信号进行积分处理。

以一阶三阶色散混合PID控制为例。一阶色散误差信号通过比例放大反馈，三阶色散误差信号/>通过积分反馈。一阶色散误差信号经过比例放大器132，三阶色散误差信号经过积分器131，经过反相加法器133求和。再与一路直流偏置信号/>，通过第二加法器134求和。控制输出/>的理论表示为：/>。其中/>是比例放大器132的放大倍数，/>是积分器131的时间常数的倒数。通过选择/>和/>的值，可以实现短期频率稳定度由一阶色散误差信号决定，长期频率稳定度由三阶色散误差信号决定。

可选地，比例放大器132的放大倍数大于或等于零，积分器131的时间常数的倒数/>可以大于或等于零。

示例性地，若对信噪比要求较高，可以将放大倍数设置成一个较大的值，时间常数的倒数/>可以设置为一个较小的值或者零。可选地，若需要更好地降低波谱基线倾斜的影响，可以将放大倍数/>设置成一个较小的值或者零，时间常数的倒数/>可以设置为一个较大的值。

可选地，可以基于对短期频率稳定度的需求以及对长期频率稳定度的需求的不同，可以将比例放大器132的放大倍数以及积分器131的时间常数的倒数/>设置为不同的值。若仅需要短期频率的稳定度，可以将放大倍数/>设置成一个较大的值，时间常数的倒数可以设置为一个较小的值或者零。可选地，若对长期频率的稳定度要求高，可以将放大倍数/>设置成一个较小的值或者零，时间常数的倒数/>可以设置为一个较大的值。

本实施例中，一路直流偏置信号可以使中心频率初始值位于分子共振频率附近。

可选地，该一路直流偏置信号可以是分子时钟装置的电源通过电阻分压得到，也可以通过电压参考芯片提供。

本实施例中，通过反馈模块130可以实现模拟控制，可以通过硬件结构，如简单反馈环路设计情况下就能够实现分子时钟的控制。

本实施例中，在没有分子气体的情况下，检波信号对于发射微波频率的曲线为波谱基线。在实际获得的分子吸收波谱信号中，是分子的本征吸收波谱叠加了波谱基线，即P(y) = P_0(y) + B(y)。其中P_0表示分子的本征吸收波谱，B(y)表示波谱基线，P(y)表示波谱曲线。波谱基线是基于分子气室的传输特性、发射模块的频率特性、接收模块的频率特性等确定。波谱基线的特点包括：1. 与分子共振无关； 2. 存在直流分量和多阶导数；3. 直流和多阶导数可能随时间、温度等因素发生变化，其中，波谱基线的直流分量对在调制解调方法中没有影响，波谱基线的一阶导数为基线倾斜，波谱基线的一阶导数随时间的变化称作基线倾斜漂移。

在本申请实施例中，通过锁相放大模块确定出不同阶数的导数误差信号的结合处理，可以降低基线倾斜漂移的影响，从而可以提高波谱基线漂移抑制，提高时钟的短期和长期频率稳定度。

通过上述分子时钟装置，可以通过频率调制和信号控制的双重处理，实现分子时钟的控制，可以提高分子时钟的准确性。进一步地，本申请实施例提供的分子时钟装置，无需激光系统而只需要能够实现微波输出的模块的情况下就能够实现时钟，其能够实现低成本低功耗，由于其能够基于频率调制双重结合的方式实现时钟的调整，其能够实现高可靠性的时钟。本申请实施例提供了高阶色散的处理，实现多阶色散误差信号的共同控制，可以实现高信噪比，提高波谱基线漂移抑制，降低晶振漂移的影响。同时提高时钟的短期和长期频率稳定度。

请参阅图5，是本申请实施例提供的分子时钟频率控制方法的流程图。本实施例提供的分子时钟频率控制方法可以应用于分子时钟，该分子时钟可以是图1至图4对应的实施例提供的分子时钟装置，下面将对图5所示的具体流程进行详细阐述。

步骤210，通过微波输出单元输出检波信号和N次谐波信号。

本实施例中的微波输出单元可以是执行主体分子时钟中的微波输出单元。

步骤220，通过锁相放大模块对N次谐波信号和检波信号，确定出N阶导数误差信号。

其中，N为正整数。

本实施例中的微波输出单元可以是执行主体分子时钟中的锁相放大模块。

步骤230，通过反馈模块基于N阶导数误差信号确定出控制信号，并将控制信号传输给微波输出单元，以调整微波输出单元输出的时钟信号。

本实施例中的微波输出单元可以是执行主体分子时钟中的反馈模块。

本实施例中，该微波输出单元可以包括发射模块和接收模块，上述的步骤210可以包括通过微波输出单元的发射模块输出N次谐波信号；通过微波输出单元的接收模块输出检波信号。

关于本申请实施例提供的方法中的步骤可以由上述实施例提供的分子时钟中的各个组件执行，关于本申请实施例的方法的步骤的其它细节可以参阅上述分子时钟中的描述，在此不再赘述。

本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备可以包括分子时钟。

关于本实施例涉及的分子时钟可以与前述实施例提供的分子时钟类似，关于本实施例的分子时钟的其它细节可以参考前述实施例中的描述，在此不再赘述。

可选地，该电子设备还可以包括其它组件。可以理解的是基于该电子设备的使用场景的不同，实际需求的不同，该电子设备还可以包括更多不同的组件。

可选地，该电子设备还可以包括显示屏、定位单元等组件。该显示屏可以基于该分子时钟输出的时钟信号显示时间。

本实施例的电子设备可以是需要精密时钟的设备，例如，该电子设备可以是全球导航仪、控制卫星轨道运动的控制设备等。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种分子时钟，其特征在于，包括：

微波输出单元，用于输出谐波信号、检波信号和时钟信号；

与所述微波输出单元连接的锁相放大模块，用于基于所述微波输出单元所确定的N次所述谐波信号和所述检波信号，确定出N阶导数误差信号，其中，N为正整数，所述导数误差信号包括一阶色散误差信号和多阶色散误差信号；

与所述锁相放大模块连接的反馈模块，用于基于所述N阶导数误差信号确定出控制信号，并将所述控制信号传输给所述微波输出单元，以调整所述微波输出单元输出的时钟信号；

所述反馈模块包括：积分器、比例放大器和加法器；

所述积分器用于对所述多阶色散误差信号进行积分计算；

所述比例放大器用于对所述一阶色散误差信号进行放大处理；

所述加法器用于基于所述多阶色散误差信号的处理结果和所述一阶色散误差信号的处理结果，得到控制信号。

2.根据权利要求1所述的分子时钟，其特征在于，所述微波输出单元包括发射模块；

所述发射模块用于输出相位可调的调制频率，以输出N次所述谐波信号。

3.根据权利要求2所述的分子时钟，其特征在于，所述发射模块包括锁相环电路和第一混频器；

所述锁相环电路用于对分子时钟的参考时钟进行处理得到输出信号；

所述第一混频器用于对所述锁相环电路的输出信号和中频输入信号进行混频处理，得到所述第一混频器的输出的微波信号，所述微波信号包括N次谐波信号，所述中频输入信号为采用指定方式合成的信号，所述中频输入信号为频率可调制的信号。

4.根据权利要求2所述的分子时钟，其特征在于，所述微波输出单元包括接收模块；

所述接收模块用于对接收到的微波信号进行检波得到检波信号。

5.根据权利要求4所述的分子时钟，其特征在于，所述接收模块包括：压控振荡器、第二混频器和包络检波器；

所述压控振荡器的输出信号作为所述第二混频器的本振输入信号；

所述接收模块接收到的微波信号作为所述第二混频器的射频输入信号；

所述第二混频器对所述本振输入信号和所述射频输入信号进行混频处理后输出给所述包络检波器；

所述包络检波器对接收到的信号进行检波输出，作为所述检波信号。

6.根据权利要求4所述的分子时钟，其特征在于，还包括：

与所述发射模块连接的晶振系统，用于向所述发射模块输出晶振信号，所述发射模块还用于基于所述晶振信号输出频率信号；

连接在所述发射模块与所述接收模块之间的分子气室，用于对所述发射模块的频率信号的特定频率的微波共振吸收，并将处理后的微波信号传输给所述接收模块。

7.根据权利要求2所述的分子时钟，其特征在于，所述锁相放大模块与所述发射模块连接，用于将所述发射模块输出的N次谐波信号作为参考信号，将所述检波信号作为输入信号，以对所述参考信号和所述输入信号进行处理得到N阶导数误差信号，并将所述N阶导数误差信号传输给所述反馈模块。

8.根据权利要求7所述的分子时钟，其特征在于，所述锁相放大模块包括第三混频器和低通滤波器；

所述第三混频器用于对所述参考信号和所述输入信号进行混频处理，得到中频信号；

所述低通滤波器用于对所述中频信号进行处理，得到N阶导数误差信号。

9.根据权利要求7所述的分子时钟，其特征在于，所述锁相放大模块包括：第一放大器、第一滤波器、相敏检波器、第二滤波器、移相器和第二放大器；

所述移相器用于对所述参考信号进行移相处理，并输入所述相敏检波器；

所述第一放大器用于对所述输入信号进行放大处理，所述第一滤波器用于对所述第一放大器放大后的输入信号进行滤波处理，并输入所述相敏检波器；

所述相敏检波器用于接收所述第一滤波器滤波后的输入信号和所述移相器移相处理后的参考信号进行混频处理，得到中频信号；

所述第二滤波器和所述第二放大器用于对所述中频信号进行处理，得到N阶导数误差信号。

10.根据权利要求9所述的分子时钟，其特征在于，所述第一滤波器为带通滤波器，用于对放大后的输入信号对除指定频段的信号之外的信号进行滤波处理，以输出所述指定频段的信号，并输入所述相敏检波器。

11.根据权利要求9所述的分子时钟，其特征在于，所述第二滤波器为低通滤波器，用于对所述中频信号进行滤波，以对高于指定截止频率的信号进行过滤，并将过滤后的信号输入所述第二放大器。

12.根据权利要求1所述的分子时钟，其特征在于，所述比例放大器配置有指定放大比例，所述比例放大器用于对所述一阶色散误差信号按照所述指定放大比例对所述一阶色散误差信号进行放大处理。

13.根据权利要求1所述的分子时钟，其特征在于，所述积分器被配置有指定积分参数，所述积分器用于基于所述指定积分参数对所述多阶色散误差信号进行积分处理。

14.根据权利要求1所述的分子时钟，其特征在于，所述加法器包括反相加法器和第二加法器；

所述反相加法器基于所述多阶色散误差信号的处理结果和所述一阶色散误差信号的处理结果，得到中间信号；

所述第二加法器用于基于一路直流偏置信号和所述中间信号，得到控制信号。

15.一种分子时钟频率控制方法，其特征在于，包括：

通过微波输出单元输出检波信号和N次谐波信号；

通过锁相放大模块对所述N次谐波信号和所述检波信号，确定出N阶导数误差信号，其中，N为正整数，所述导数误差信号包括一阶色散误差信号和多阶色散误差信号；

通过反馈模块基于所述N阶导数误差信号确定出控制信号，并将所述控制信号传输给所述微波输出单元，以调整所述微波输出单元输出的时钟信号；所述反馈模块包括：积分器、比例放大器和加法器；

所述通过反馈模块基于所述N阶导数误差信号确定出控制信号，包括：通过反馈模块的积分器对所述多阶色散误差信号进行积分计算；通过反馈模块的比例放大器用于对所述一阶色散误差信号进行放大处理；通过反馈模块的加法器用于基于所述多阶色散误差信号的处理结果和所述一阶色散误差信号的处理结果，得到控制信号。

16.一种电子设备，其特征在于，包括：包括权利要求1-14任意一项所述的分子时钟。