利用相位群处理的铷原子钟频率链接原理

第42卷第1期 JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY V ol.42 No.1 ______________________________

收稿日期：2013-08-30 网络出版时间：基金项目：国家自然科学基金资助项目(10978017，61201288)；基本科研业务费资助项目(K5051304019，

K505130402)

作者简介：苗苗（1981-），女，讲师，西安电子科技大学博士研究生，E-mail ：mmiao@https://www.360docs.net/doc/3115445111.html,

doi ：10.3969/j.issn.1001-2400.2015.01.018

利用相位群处理的铷原子钟频率链接原理

苗苗，周渭，李智奇，张雪萍，鲁伟昊

（西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安）

摘要：铷原子频标是使用最多的原子频标。传统的线路实现方案中均采用相同频率信号进行比对构成

闭环。钟内由于存在大量的倍频等信号处理环节，影响了铷频标的短期稳定度指标。本文利用相位群

同步和群连续的原理，通过广义相位处理的频率链接方法改造原子钟的系统结构。广义相位处理的频率链接方法是推广至不同频率信号比对中的相位差测量方法。相比之下，本文方案简化了系统的频率

变换线路，减少了复杂的频率变换线路所引入的相位噪声。通过结构简单的相位群同步实现锁相控制，

使原子钟兼顾良好的长短稳指标和相位噪声指标。

关键词：原子钟；频率链接；相位群同步

中图分类号：TMG306.0 文献标识码：A 文章编号：1001-2400(2015)01-0122-07

Principle research on frequency chain of rubidium atomic clock based on

group phase processing

MIAO Miao, ZHOU Wei, LI Zhiqi, ZHANG Xueping, LU Weihao

(School of Mechano -electronic Engineering, Xidian Univ., Xi ’an 710071, China)

Abstract: The rubidium atomic clock is the most commonly used. Traditional circuit scheme usually adopt

the comparison of the same frequency signals to be a closing loop. Existing of many frequency multipliers, the

short stability of rubidium clock is changing. Based on the principle of phase group synchronization and phase

group continuation, the construction of the clock is improved by the frequency link on the generalized phase

processing. The frequency link method on the generalized phase processing is spreading into the phase

measurement between different frequency signals. Comparing with the traditional method, the scheme

simplifies the frequency transforming circuit, decreases the phase noise from them. With the simple construct

the phase group synchronization make the stability and the phase noise better.

Keywords: atomic clock, frequency link, phase group synchronization

1概述

卫星导航定位系统现已应用于国防、科技、民生等各个社会领域，具有重大的战略意义。各

个层面的用户都是通过卫星导航系统获取精密的定位信息，而其中的位置、速度等信息的获取主要依赖于时间的测量[1]。时间测量的精确度又可以溯源到其中的核心——原子频标。正如王义遒教授所说，“时间频率是强国强军的关键技术——原子钟是时间频率的核心部件”。目前国际上原子2014-05-14 09:37

频率标准器仍以铯、氢、铷原子频标为主。铯原子喷泉钟是目前世界上精度最高的微波原子钟，其中法国巴黎天文台的3台喷泉钟和NIST 喷泉钟的准确度和日稳定度均已进入10-16 量级（FO1 和FO2 相互确认准确度为4.0×10-16，频差稳定度为 5.5×10-14/s ，3.0×10-16/几天[2]）。以此为基础的时频测量准确度和分辨率可高达16-10和14-10量级，而且还在不断提高中，远远超过了其它物理量的测量精度。对于星载铷原子钟，发达国家一直利用自身的技术和工艺优势不断挖掘传统铷钟性能潜力，也在不断尝试利用新的研究成果研制新型星载铷钟[3~4]。传统星载铷钟我国已研制成功，并已试用于北斗导航定位系统，其性能基本满足目前的需求。相比GPS 的星载钟，国内的星载钟频率准确度较差（导致星地时间差异较大），对频率漂移和可靠运行等问题亟待解决[1]。我们应该研制准确度和稳定度性能更高的新型星载原子钟。

在原子频标中，需要特定的微波信号（如铷钟内的6834.6875MHz 激励信号）才能引起原子能

级跃迁。而原子频标又要输出常用的10MHz 或5MHz 的频率信号，因此需要高分辨率的频率链接、

。

性

[5~6]

（a ）无附加频差的相位群同步原理图

f f （b ）存在附加频差的相位群同步原理图

图1相位群同步原理图

在这里需要明确“什么是广义相位”。传统相位是指同频的信号之间初相角度的差。若对于两个异频信号，选择较低频信号作为参考信号，其过零点与其后临近的较高频信号过零点间的时间间隔即为广义相位。当然，广义相位的变化规律是复杂的，与频率关系和附加频差等都有关系。在比对中，在两个信号的一个最小公倍数周期内包含多个比对相位差，构成一个群周期，形成相位群[7~10]。

相位群同步的原理如图1(a)所示。其中A、B、C和D点分别是该相位群的相位重合点。当比对信号标称频率不同且有附加频差时，就会出现相位群连续的现象。相位群连续原理如图1(b)所示，在每个最小公倍数周期内对应相位差体现出间接连续特性。若捕捉其具有代表性的、高分辨率且容易获得的相位变化信息，就能够推算出被测信号的频率及其变化。在此基础上构成控制环路就能够实现频率差异大时的相位比对和锁定。这个方案的依据就是周期性信号间相位差变化的规律性特征，即两任意频率信号在不存在附加频差时表现出的相位群同步和存在附加相对频差

现。

图

器输出跃迁频率——

6834.6875MHz信号激励铷原子谐振器时，引起87Rb发生跃迁，使穿过铷吸收泡的光强发生变化。光检测器将此光信号转换成低频电信号，再经放大等处理作为误差信号纠正13.669375MHz晶振的频偏，实现了铷原子谐振器对13.669375MHz晶振的伺服与锁定。其中13.669375MHz的压控晶体振荡器是高稳定度的晶振，具有很好的短期稳定度和很低的远端相位噪声。这样，高稳晶体振荡器与铷谐振器所构成的锁定系统只需要简单倍频，高稳晶振的好的性能指标就能够直接的传递到铷原子频标上。

由于铷原子钟最终输出的是10MHz信号，所以采用高指标的10MHz振荡器，通过直接的相位处理和控制，与13.669375MHz信号间相位群同步从而实现对10MHz振荡器信号的链接控制。不但其有很好的准确度指标，而且铷钟输出信号的短期稳定度和相位噪声指标也完全保留了10MHz的高稳定度晶体振荡器的高指标。图4相位群处理控制原理框图。

为了输出高质量的10MHz振荡器信号，本文采用的是两个信号间相位群处理的方法。由图3、

图3 铷原子钟激励信号的产生

图4

信号作为开门（start

1000

（1）

的短于1

荡器本身的优良特性。其长期指标和准确度等取决于经过物理部分控制的13.669375MHz主振荡器。

3 实验及分析

针对这两个频率值差异很大的信号，利用13.669375MHz晶振锁定10MHz的VCOCXO进行了大量的实验。实验中我们采用HP8662A频率合成器产生13.669375MHz信号，所使用的10MHzVCOCXO输出信号的短期稳定度为5×10-12/秒。

在实现相位群同步之前，由于10MHz信号存在频差，在每个最小公倍数周期内不同时刻位置的相位差值是各不相同的。但是相位差群之间的对应相位差值会同步的增加或者减小，体现出

群连续性。图5是锁定前10MHz信号与13.669375MHz信号之间的群相位差变化情况，即相位差表现出的相位群连续的特性。

图5 锁定前10MHz信号与13.669375MHz信号的相位差群连续性

利用相位群处理可以将10MHz的压控晶振锁定到很高的准确度上，实现13.669375MHz信号与10MHz信号之间的相位群同步。在铷钟内利用13.669375MHz晶体振荡器通过群处理的手段锁定10MHz压控晶体振荡器。这种群处理和同步控制的优点在于保证了原子钟输出信号具有良好的频率稳定度和相位噪声指标，尤其是原子钟输出信号的短期频率稳定度和远端相位噪声指标。

若用13.669375MHz的VCOCXO作为直接数字式频率合成器DDS(AD9852)的时钟输入，所测得的输出10MHz的相噪指标如图6所示。由图6可以看出，高稳晶振输出的13.669375MHz 信号经DDS合成所输出的10MHz信号相位噪声比较差，尤其是远端相位噪声，只能达到-135dBc/Hz@1MHz，-125dBc/Hz@100kHz。

图6 外接时钟输入为13.669375MHz时的DDS输出10MHz信号的相位噪声若采用群同步和群处理的方法锁定后，输出的10MHz信号远端的相躁如图7所示，可以达到-165dBc/Hz@1MHz，基本上达到了10MHz晶振本身的远端相噪指标。实验中使用的10MHzVCOCXO输出信号的短期稳定度也保持了其原来自身的指标。

4 结论

利用周期性信号相互间的相位群同步和群连续的特性建立新的频率链接关系，并不只是简单地简化了系统的结构和线路，也最大限度实现了更优良的综合技术指标。同时，由于输入物理部

图7 经群同步处理锁定后输出的10MHz信号的相位噪声

分的激励信号的质量更高，对于总体性能的保证是更有利的。对于10MHz的VCOCXO的锁定，包括锁定时间常数的选择以及动态处理实质上也是一种净化频率源的处理方法，更能够综合各部分的优点。从相噪指标、短期稳定度等考虑，这种方法明显优于采用DDS的输出信号。该技术将对于量子频标的线路技术发展起到促进作用，可以从整体上简化线路和全面提高多种性能，保持晶振优良的短稳指标。

参考文献

[1] 张首刚. 新型原子钟发展现状[J].1时间频率学报, 2009, 32(2): 81-91

Zhang Shougang. Progress of Novel Atomic Clocks[J]. Journal of time and frequency, 2009, 32(2): 81-91

[2] CHAPELET F, GUENA J, ROVERA G D, et al. Comparisons Between 3 Fountain Clocks at LNE-SYRTE[C] // Proc.

Joint 21st FTF and IEEE Frequency Control Symposium (FCS), 2007: 467-472.

[3] N. G. Basov, M. A. Gubin. Quantum Frequency Standards Standards[J]. IEEE JOURNAL ON SELECTED TOPICS

IN QUANTUM ELECTRONICS, 2000, VOL. 6 (NO. 6): 857-868.

[4] Evgeny Pestov. Stability of Relaxation Processes in a Quantum System as a Main Factor for Achieving the High

Long-Term Frequency Stability of a Standard[C]// Frequency Control and the European Frequency and Time Forum

(FCS), 2011 Joint Conference of the IEEE International, 2011: 1-5.

[5] Miao Miao, Zhou Wei, Wang Bin. Application of length vernier in phase coincidence detection and

precision frequency measurement[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(2): 024706-0 ~ 24706-4.

[6] Zhou Wei, Miao Miao, Zhou Hui, Du Baoqiang, Zhou Hainiu. A novel phase processing approach based on new

concept and method[C]. Frequency Control Symposium, 2009 Joint with the 22nd European Frequency and Time forum. 2009: 492 – 495.

[7] Li Zhiqi, Zhou Wei, Miao Miao, et al. A Super High Resolution Distance Measurement Method Based on Phase

Comparison[J]. Chinese Physics Letters, 2008, 25(8): 2820-2822.

[8] 李智奇. 时频信号的相位比对与处理技术[D]. 陕西西安：西安电子科技大学，2012.

Li Zhiqi. Phase comparison and processing technology of time-frequency[D]. Shanxi, Xi’an: Xidian University, 2012

[9] 张雪萍, 周渭, 李智奇, 苗苗.周期性信号之间的相位量子特征及其应用[J]. 西安电子科技大学学报, 2012, 39(5):

181-185.

Zhang Xueping, Zhou Wei, Li Zhiqi, Miao Miao. Phase Quantum and Its Application Based on Equivalent Phase

Comparison Frequency[J]. Journal of Xidian University, 2012, 39(5): 181-185.

[10] 李智奇，周渭，张雪萍，刘晨. 相位差群变化规律下相位噪声测量技术. 西安电子科技大学学报. 2013Vol.

40(4):114-118.

LI Zhiqi, ZHOU Wei, ZHANG Xueping, LIU Chen. Phase Noise Measurement Based on the Regularity Change of Phase Difference Group [J]. Journal of Xidian University, 2013Vol. 40(4):114-118

[11] 周渭，偶晓娟，周晖，王海，屈八一. 时频测控技术[M]. 西安：西安电子科技大学，2006: 19.

[12] 苗苗,周渭,李智奇,刘晨. 用于时间同步的高精度短时间间隔测量方法[J]. 北京邮电大学学

报.2012,35(4):77-80