一種基于原子鐘的高純度基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及頻率源技術(shù)，本發(fā)明公開了一種基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法，其具體包括以下的步驟：晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過N分頻后與原子鐘信號(hào)在鑒相器中進(jìn)行鑒相，產(chǎn)生的誤差電壓通過環(huán)路濾波器濾波后，產(chǎn)生直流誤差信號(hào)；直流誤差信號(hào)控制晶振的調(diào)諧端，使晶振輸出頻率穩(wěn)定在N倍的原子鐘信號(hào)。本發(fā)明還公開了一種基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生系統(tǒng)。采用本發(fā)明產(chǎn)生的基準(zhǔn)源，相較于傳統(tǒng)的原子鐘基準(zhǔn)信號(hào)，頻率提高了5~10倍，基準(zhǔn)信號(hào)本身相位噪聲提高10dB以上；相較于傳統(tǒng)的晶振（溫補(bǔ)/恒溫），頻率準(zhǔn)確度、長期穩(wěn)定度等指標(biāo)提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，使頻率源產(chǎn)品更準(zhǔn)確，生命周期更長。
【專利說明】
一種基于原子鐘的高純度基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及射頻頻率合成技術(shù)，具體是一種基于原子鐘的高純度基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法及系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供精度高、穩(wěn)定性好的高純度基準(zhǔn)信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002]頻率合成就是將一個(gè)具有低相噪，高精度和高穩(wěn)定度等綜合指標(biāo)的基準(zhǔn)源經(jīng)過電路上的混頻、倍頻、分頻或鎖相環(huán)等信號(hào)處理進(jìn)行數(shù)學(xué)意義上的加、減、乘、除等四則運(yùn)算，產(chǎn)生大量具有同樣精確度與穩(wěn)定度的頻率源。頻率合成的基礎(chǔ)是基準(zhǔn)源，基準(zhǔn)源指標(biāo)的高低直接決定了頻率合成信號(hào)指標(biāo)的高低，幾乎所有的高科技應(yīng)用系統(tǒng)都需要高精度的基準(zhǔn)信號(hào)作支撐。
[0003]頻率合成的相位噪聲指標(biāo)遵循201ogN惡化理論，倍頻次數(shù)N越大，相位噪聲惡化越大，因此選擇頻率較高的基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)頻率合成有非常大的優(yōu)勢(shì)。
[0004]晶振(溫補(bǔ)/恒溫)具有頻率高、相位噪聲低、成本低等特點(diǎn)，在電子設(shè)備中大量使用，該基準(zhǔn)具備10MHz-200MHz的頻率范圍，為了提高頻率合成的相噪指標(biāo)，盡量降低N值，并結(jié)合晶振(溫補(bǔ)/恒溫)自身特性，一般選擇50MHz、10MHz作為參考信號(hào)，該類基準(zhǔn)源的相位噪聲指標(biāo)非常高，可優(yōu)于-150dBc/HZ@lkHZ，但其頻率準(zhǔn)確度、溫度穩(wěn)定度較差，一般只能達(dá)到10-7量級(jí)，而隨著時(shí)間的推移，晶振(溫補(bǔ)/恒溫)還存在老化，一般老化率10—6-10—V年。
[0005]如果對(duì)頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度有更高的要求，原子鐘是最好的選擇，原子鐘利用原子或離子內(nèi)部能級(jí)之間躍迀頻率作為參考，鎖定晶振或者激光器頻率，從而輸出標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)頻率的裝置。原子輸出的頻率一般為1MHz，頻率準(zhǔn)確度可以達(dá)到10—11以上，溫度穩(wěn)定度優(yōu)于10—1()，長期穩(wěn)定度達(dá)到10—9/10年，相較于晶振(溫補(bǔ)/恒溫)，該類指標(biāo)均提高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上。但是原子鐘也存在缺點(diǎn)，相位噪聲指標(biāo)較差，一般為-HOdBc/HzOlkHz，另外輸出頻率低，進(jìn)行頻率合成時(shí)，倍頻次數(shù)較大，進(jìn)一步惡化輸出信號(hào)的相位噪聲。
[0006]隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的飛速發(fā)展，對(duì)頻率源的長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度都提出了較高的要求，而傳統(tǒng)晶振(溫補(bǔ)/恒溫)或者原子鐘為基準(zhǔn)的頻率合成各有優(yōu)劣，均難以同時(shí)兼顧；因此高純度高頻基準(zhǔn)源的研制可以滿足系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)源日益提升的高精度、高穩(wěn)定度的使用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的頻率源各有優(yōu)劣，均難以同時(shí)兼顧的技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于原子鐘的高純度基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法及系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明公開了一種基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法，其具體包括以下的步驟:晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過N分頻后與原子鐘信號(hào)在鑒相器中進(jìn)行鑒相，產(chǎn)生的誤差電壓通過環(huán)路濾波器濾波后，產(chǎn)生直流誤差信號(hào);直流誤差信號(hào)控制晶振的調(diào)諧端，使晶振輸出頻率穩(wěn)定在N倍的原子鐘信號(hào)。
[0009]更進(jìn)一步地，上述方法具體為:原子鐘信號(hào)作為鑒相器的基準(zhǔn)參考信號(hào)，參考信號(hào)輸入相位為01(t)，晶振輸出的信號(hào)經(jīng)過N分頻后的相位為02(t)，01(t)與02(t)進(jìn)入鑒相器進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生誤差相位0e(t)，由誤差相位產(chǎn)生相應(yīng)的誤差電壓Ud(t)，誤差電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器F(p)的過濾得到控制電壓UC(t)，控制電壓UC(t)加到晶振上使之產(chǎn)生頻率偏移，在誤差電壓Ud(t)的作用下，晶振輸出頻率的1/N逐漸向基準(zhǔn)參考輸入頻率靠攏。
[0010]更進(jìn)一步地，上述晶振為溫補(bǔ)/恒溫晶振。
[0011]更進(jìn)一步地，上述環(huán)路濾波器的帶寬小于幾Hz到幾時(shí)Hz不等。
[0012]本發(fā)明還公開了一種基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生系統(tǒng)，其具體包括原子鐘、鑒相器、環(huán)路濾波電路和晶振;所述原子鐘、鑒相器、環(huán)路濾波電路和晶振依序連接形成閉環(huán)控制;所述晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過N分頻后與原子鐘信號(hào)在鑒相器中進(jìn)行鑒相;所述原子鐘作為鑒相器的參考信號(hào)；鑒相器產(chǎn)生的誤差電壓通過環(huán)路濾波器濾波后，產(chǎn)生直流誤差信號(hào)，控制晶振的調(diào)諧端。
[0013]通過采用以上的技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明利用鎖相原理，輸出信號(hào)環(huán)路帶寬以外的相位噪聲決定于晶振(溫補(bǔ)/恒溫)的本身，同時(shí)輸出信號(hào)的長期穩(wěn)定度、溫度穩(wěn)定度都決定于作為參考的原子鐘。這樣該基準(zhǔn)信號(hào)既有較好的長期穩(wěn)定度、溫度穩(wěn)定度又具備了較好的相位噪聲。
[0014]采用本發(fā)明產(chǎn)生的基準(zhǔn)源，相較于傳統(tǒng)的原子鐘基準(zhǔn)信號(hào)，頻率提高了5?10倍，基準(zhǔn)信號(hào)本身相位噪聲提高1dB以上，綜合兩方面因素，以本發(fā)明產(chǎn)生的基準(zhǔn)源作為參考的頻率合成器的相位噪聲提高了 15dB以上;相較于傳統(tǒng)的晶振(溫補(bǔ)/恒溫)，頻率準(zhǔn)確度、長期穩(wěn)定度等指標(biāo)提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，使頻率源產(chǎn)品更準(zhǔn)確，生命周期更長。
【附圖說明】
[0015]圖1是基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法的電路。
[0016]圖2是環(huán)路濾波器電路的電路結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合說明書附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0018]如圖1所示的基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法的電路圖，本發(fā)明公開了一種基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法，其具體包括以下的步驟:晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過N分頻后與原子鐘信號(hào)在鑒相器中進(jìn)行鑒相，產(chǎn)生的誤差電壓通過環(huán)路濾波器濾波后，產(chǎn)生直流誤差信號(hào);直流誤差信號(hào)控制晶振的調(diào)諧端，使晶振輸出頻率穩(wěn)定在N倍的原子鐘信號(hào)。
[0019]本發(fā)明利用了鎖相環(huán)的工作原理，鎖相環(huán)為相位負(fù)反饋的誤差控制系統(tǒng)，以原子鐘作為參考信號(hào)的基準(zhǔn)Fref，參考信號(hào)輸入相位為01(t)，可調(diào)晶振輸出的信號(hào)經(jīng)過N分頻后的相位為02(t)，01(t)與02(t)進(jìn)入鑒相器進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生誤差相位0e(t)，由誤差相位產(chǎn)生相應(yīng)的誤差電壓Ud(t)，誤差電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器F(p)的過濾得到控制電壓UC(t)，控制電壓加到壓控晶振上使之產(chǎn)生頻率偏移，來跟蹤輸入信號(hào)頻率。若輸入頻率固定，在誤差電壓Ud(t)的作用下，輸出頻率的1/N逐漸向輸入頻率靠攏，一旦兩者達(dá)到相等時(shí)，滿足一定的條件(該閾值的范圍可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活的設(shè)定)，環(huán)路就能穩(wěn)定下來，從而達(dá)到環(huán)路鎖定。此時(shí)，晶振的輸出頻率為N‘Fref。
[0020]圖2是環(huán)路濾波器電路的電路結(jié)構(gòu)。沿用了常規(guī)環(huán)路濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于環(huán)路濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)，常用環(huán)路濾波器的帶寬一般為幾十kHz至幾百kHz，本發(fā)明中考慮到晶振的相位噪聲對(duì)輸出的貢獻(xiàn)，將環(huán)路濾波器帶寬設(shè)計(jì)為幾Hz，為了實(shí)現(xiàn)如此小的環(huán)路帶寬，電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用了多個(gè)電容并聯(lián)的形式，以此獲得所需要的大容量電容。
[0021 ] 本發(fā)明中，環(huán)路濾波器的參數(shù)大概如下:
Rl?R4—般為100?2ΚΩ ；
R5=R6 —般為 IK?20ΚΩ ；
R7—般為 100?2ΚΩ ；
C1~C5并聯(lián)的總?cè)葜禐镮?20yF;
C6?ClO為C1~C5的平衡端，二者容值一般相同；
Cll?C19并聯(lián)的總?cè)葜禐?0?10yF;
C21?C29為Cll?C19的平衡端，二者容值一般相同；
C30、C31一般為1P?200P，二者容值一般相同；
C32—般為 In?10nF。
[0022]本發(fā)明以高穩(wěn)定性的原子鐘作為參考信號(hào)，可調(diào)晶振(溫補(bǔ)/恒溫)作為輸出。
[0023]例如，采用本發(fā)明產(chǎn)生的50MHz的高穩(wěn)基準(zhǔn)源，基于此基準(zhǔn)源的頻率合成器相較于傳統(tǒng)晶振作為參考的實(shí)現(xiàn)方式，頻率準(zhǔn)確度提高了 14倍，溫度穩(wěn)定度、長期穩(wěn)定度均提高了 13倍;相較于原子鐘基準(zhǔn)信號(hào)，本項(xiàng)目的頻率源合成器的相位噪聲提高了 17dB左右，較好地滿足了工程應(yīng)用需要。
[0024]本發(fā)明還公開了一種基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生系統(tǒng)，其具體包括原子鐘、鑒相器、環(huán)路濾波電路和晶振;所述原子鐘、鑒相器、環(huán)路濾波電路和晶振依序連接形成閉環(huán)控制;所述晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過N分頻后與原子鐘信號(hào)在鑒相器中進(jìn)行鑒相;所述原子鐘作為鑒相器的參考信號(hào)；鑒相器產(chǎn)生的誤差電壓通過環(huán)路濾波器濾波后，產(chǎn)生直流誤差信號(hào)，控制晶振的調(diào)諧端。
[0025]上述的實(shí)施例中所給出的系數(shù)和參數(shù)，是提供給本領(lǐng)域的技術(shù)人員來實(shí)現(xiàn)或使用發(fā)明的，發(fā)明并不限定僅取前述公開的數(shù)值，在不脫離發(fā)明的思想的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)上述實(shí)施例作出種種修改或調(diào)整，因而發(fā)明的保護(hù)范圍并不被上述實(shí)施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法，其具體包括以下的步驟:晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過N分頻后與原子鐘信號(hào)在鑒相器中進(jìn)行鑒相，產(chǎn)生的誤差電壓通過環(huán)路濾波器濾波后，產(chǎn)生直流誤差信號(hào);直流誤差信號(hào)控制晶振的調(diào)諧端，使晶振輸出頻率穩(wěn)定在N倍的原子鐘信號(hào)。2.如權(quán)利要求1所述的基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法，其特征在于所述方法具體為:原子鐘信號(hào)作為鑒相器的基準(zhǔn)參考信號(hào)，參考信號(hào)輸入相位為01 (t)，晶振輸出的信號(hào)經(jīng)過N分頻后的相位為02(t)，01(t)與02(t)進(jìn)入鑒相器進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生誤差相位9e(t)，由誤差相位產(chǎn)生相應(yīng)的誤差電壓Ud(t)，誤差電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器F(p)的過濾得至IJ控制電壓UC(t)，控制電壓UC⑴加到晶振上使之產(chǎn)生頻率偏移，在誤差電壓Ud⑴的作用下，晶振輸出頻率的1/N逐漸向基準(zhǔn)參考輸入頻率靠攏。3.如權(quán)利要求1所述的基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生方法，其特征在于所述晶振為溫補(bǔ)或者恒溫晶振。4.一種基于原子鐘的高純度高頻基準(zhǔn)源產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于具體包括原子鐘、鑒相器、環(huán)路濾波電路和晶振;所述原子鐘、鑒相器、環(huán)路濾波電路和晶振依序連接形成閉環(huán)控制;所述晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過N分頻后與原子鐘信號(hào)在鑒相器中進(jìn)行鑒相;所述原子鐘作為鑒相器的參考信號(hào);鑒相器產(chǎn)生的誤差電壓通過環(huán)路濾波器濾波后，產(chǎn)生直流誤差信號(hào)，控制晶振的調(diào)諧端。
【文檔編號(hào)】H03L7/26GK106027046SQ201610657357
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月12日
【發(fā)明人】劉武廣, 張文鋒, 何慶, 崔葦波, 曹瑞, 李玉成, 侯照臨
【申請(qǐng)人】中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所