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被动型氢原子钟快速调制锁定的数字调制方法及环路系统

阅读：606发布：2024-02-29

专利汇可以提供被动型氢原子钟快速调制锁定的数字调制方法及环路系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于被动型氢钟实现快速调制锁定的数字调制方法及系统。该数字调制方法包括通过可编程控制芯片对与其相连的直接数字频率合成芯片进行控制以采用方波调制实现所述数字调制，其中：在所述直接数字频率合成芯片的两个频率控制寄存器中分别写入f0+Δf与f0-Δf对应的频率控制字，所述Δf为调制频偏，而所述f0用于经后续混频后以得到1.4204057510000～1.4204057519999GHz的频率；在所述直接数字频率合成芯片的模式选择控制寄存器中选择无斜坡式FSK模式；向所述直接数字频率合成芯片的FSK引脚输入方波信号以利用所述方波信号的高低电平来决定所述直接数字频率合成芯片的输出频率为f0+Δf或f0-Δf。采用本发明数字调制，结构简单、易于实现。，下面是被动型氢原子钟快速调制锁定的数字调制方法及环路系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于被动型氢钟实现快速调制锁定的数字调制方法，其特征在于，包括：
通过可编程控制芯片对与其相连的直接数字频率合成芯片进行控制以采用方波调制实现所述数字调制，其中：
在所述直接数字频率合成芯片的两个频率控制寄存器中分别写入f0+Δf与f0-Δf对应的频率控制字，所述Δf为调制频偏，而所述f0用于经后续混频后以得到
1.4204057510000～1.4204057519999GHz的频率；
在所述直接数字频率合成芯片的模式选择控制寄存器中选择无斜坡式FSK模式；
向所述直接数字频率合成芯片的FSK引脚输入方波信号以利用所述方波信号的高低电平来决定所述直接数字频率合成芯片的输出频率为f0+Δf或f0-Δf。
2.如权利要求1所述的数字调制方法，其特征在于，所述方波信号的频率等于或者小于所述被动型氢钟的微波腔谐振线的半线宽且大于氢原子共振线的半线宽。
3.如权利要求1所述的数字调制方法，其特征在于，所述直接数字频率合成芯片为具有48位频率控制字的直接数字频率合成芯片。
4.如权利要求2所述的数字调制方法，其特征在于，所述调制频偏Δf为所述方波信号的频率和调制系数的乘积，所述调制系数在1～2.5的范围内。
5.一种采用如权利要求1-4中任意一项所述的数字调制方法实现被动型氢钟快速调制锁定的系统，其特征在于，包括：
一输出10MHz正弦信号的压控晶体振荡器；
所述压控晶体振荡器经一倍频电路后连接一综合器，所述综合器包括所述可编程控制芯片及所述直接数字频率合成芯片，以产生f0±Δf的信号；
所述综合器连接至一混频电路，以得到 1.4204057510000 ～
1.4204057519999GHz±Δf的调制后的探测信号；
所述调制后的探测信号经一衰减器输入至所述被动型氢钟的微波腔的输入端；
所述微波腔的输出端依次连接至一前置放大电路、另一混频电路、中放电路、检波电路和带通滤波器，以得到带有误差信息的正弦信号；
所述带有误差信息的正弦信号分为两路，分别依次连接一相移电路、同步检波电路和积分放大电路后得到两个控制电压，分别控制所述微波腔和所述压控晶体振荡器，从而分别形成所述微波腔和所述压控晶体振荡器的锁定环路以同时锁定所述微波腔和所述压控晶体振荡器。

说明书全文

被动型氢原子钟快速调制锁定的数字调制方法及环路系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于被动型氢原子钟实现快速调制锁定的数字调制方法以及一种采用该数字调制方法实现被动型氢原子钟快速调制锁定的环路系统。

背景技术

[0002] 被动型氢原子钟微波腔的品质因数高，存在腔牵引效应，所以被动型氢钟在控制压控晶体振荡器的同时，也需要控制微波腔的频率。也就是说被动型氢钟需要两个锁频环路，一个用于锁定压控晶体振荡器，一个用于锁定微波腔。因为被动型氢钟存在互调干扰现象，所以采用不同的调制频率很难分离出两个误差信号。为了解决这个问题，一般采用快速调制的方法。它可以向微波腔注入一个被调制的探测信号，利用单一的调制频率通过相位关系即能分离出两个误差信号，实现了压控晶体振荡器和微波腔的同时锁定，从而解决了两个误差信号的互调干扰问题。

[0003] 在快速调制中为了得到误差信号，需要对探测信号进行调制，实现系统的闭环锁定。通常采用的方法是正弦波调制。但是在实际应用中，采用正弦波调制的电路设计复杂，不易于实现。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、参数调整方便的用于被动型氢钟实现快速调制锁定的数字调制方法，以及采用该数字调制方法实现被动型氢钟快速调制锁定的系统。

[0005] 根据本发明的一方面，一种用于被动型氢钟实现快速调制锁定的数字调制方法，包括通过可编程控制芯片对与其相连的直接数字频率合成芯片进行控制以采用方波调制实现所述数字调制，其中：在所述直接数字频率合成芯片的两个频率控制寄存器中分别写入f0+Δf与f0-Δf对应的频率控制字，所述Δf为调制频偏，而所述f0用于经后续混频后得到1.4204057510000～1.4204057519999GHz的频率；在所述直接数字频率合成芯片的模式选择控制寄存器中选择无斜坡式FSK模式；向所述直接数字频率合成芯片的FSK引脚输入方波信号以利用所述方波信号的高低电平来决定所述直接数字频率合成芯片的输出频率为f0+Δf或f0-Δf。

[0006] 根据本发明的另一方面，一种采用前述数字调制方法实现被动型氢钟快速调制锁定的系统，包括：一输出10MHz正弦信号的压控晶体振荡器；所述压控晶体振荡器经一倍频电路后连接一综合器，所述综合器包括所述可编程控制芯片及所述直接数字频率合成芯片，以产生f0±Δf的信号；所述综合器连接至一混频电路，以得到1.4204057510000～1.4204057519999GHz±Δf的调制后的探测信号；所述调制后的探测信号经一衰减器输入至所述被动型氢钟的微波腔的输入端；所述微波腔的输出端依次连接至一前置放大电路、另一混频电路、中放电路、检波电路和带通滤波器，以得到带有误差信息的正弦信号；所述带有误差信息的正弦信号分为两路，分别依次连接一相移电路、同步检波电路和积分放大电路后得到两个控制电压，分别控制所述微波腔和所述压控晶体振荡器，从而分别形成所述微波腔和所述压控晶体振荡器的锁定环路以同时锁定所述微波腔和所述压控晶体振荡器。

[0007] 本发明采用的数字调制方法与传统的正弦波模拟调制方式相比易于实现、控制简单、参数调整方便，且硬件电路简单，便于被动型氢钟的小型化，由于使用数字集成芯片，较传统方式有集成度高，体积小的优势。附图说明

[0008] 图1是根据本发明采用数字调制方法实现被动型氢钟快速调制锁定的系统框图。

[0009] 图2为本发明的可编程控制芯片CPLD对直接数字频率合成芯片DDS的控制框图。

[0010] 图3为本发明的DDS的实际工作时序图。

[0011] 图4为本发明的CPLD关键控制模块流程图。

具体实施方式

[0012] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

[0013] 如图1所示，为采用数字调制方法实现被动型氢钟快速调制锁定的系统框图。其中，压控晶体振荡器输出10MHz的正弦信号，该正弦信号一路经倍频后用于综合器的参考频率输入，以产生小数频率f0±Δf，在本实施例中f0在20.4057510000～20.4057519999MHz的范围内；另一路经直接倍频得1.4GHz。1.4GHz和前述小数频率经过混频后得到f’±Δf，即调制后的探测信号(其中f’在1.4204057510000～1.4204057519999GHz的范围内，以尽量接近氢原子跃迁频率；Δf为调制频偏，在此实施例中调制频偏Δf为20KHz)，虽然在此采用1.4GHz与20.4057510000～20.4057519999MHz±Δf进行混频，但本发明并不限于此，也可选用其他的频率值进行混频，只要两者经过混频后能得到1.4204057510000～1.4204057519999GHz±Δf即可。然后，该调制后的探测信号经衰减后进入物理部分，即被动型氢钟的微波腔，通过该微波腔后得到的信号经过前置放大、混频、中放、检波、带通滤波后，得到带有误差信息的正弦信号。该带有误差信息的正弦信号分成两路，分别经过相移、同步检波和积分放大后得到控制电压，分别控制物理部分的微波腔和压控晶体振荡器，从而形成环路。

[0014] 本发明利用方波数字调制方法产生小数频率，有别于以往的正弦波调制方法。这种方法相较于以往的方法简单易实现，而且达到不错的效果。其采用直接数字频率合成DDS芯片，利用其频移健控FSK功能，采用方波调制技术实现数字调制，即利用方波的高低电平来决定DDS芯片输出频率的大小。

[0015] 在如图2所示的具体实施例中，图1中用于产生小数频率的综合器主要包括可编程控制芯片CPLD和与其相连的DDS芯片。其具体通过该CPLD控制DDS以产生f0±Δf，在本实施例中即20.4057510000～20.4057519999MHz±20KHz的正弦波信号。可编程控制芯片选择了Altera公司生产的一款典型CPLD芯片EPM570，其工作电压为3.3V。

[0016] 对于被动型氢原子钟10MHz输出信号，其频率准确度要求达到10-13，即输出频率-13 -6 -6的变化值为Δfout＝10MHz×10 ＝10 Hz。因此探测频率的分辨率也要求达到10 Hz。
根据上述频率分辨率要求需要选择48位的DDS芯片。因此在本实施例中选择了AD公司生产的AD9854。这里也可以选择其他类型的产品。在本实施例中，DDS输出信号为
20.4057510000～20.4057519999MHz±20KHz范围内的任意值，可以改变频率控制字的值在此范围内进行微调，以达到更好的频率准确度，使输出频率满足频率准确度的要求。

[0017] 在本实施例中，EPM570对于AD9854的控制是通过向AD9854提供基于QUARTUES II和VHDL语言的控制信号完成的，控制信号主要包括如下信号：

[0018] 1)地址线和数据线：以在AD9854相应的两个频率控制寄存器地址中写入控制字，包括F1(f0+Δf)对应的48位频率控制字1，F2(f0-Δf)对应的48位频率控制字2。另外还在其模式选择控制寄存器中，选择Mode 001(无斜坡式FSK)。

[0019] 2)FSK：输入方波信号，该方波信号的频率等于或者小于所述被动型氢钟的微波腔谐振线的半线宽且大于氢原子共振线的半线宽。而且，前述调制频偏Δf即为该方波信号的频率和调制系数的乘积，该调制系数一般在1～2.5之间。在本实施例中输入12.5KHz的方波信号，实现两个频率控制寄存器里所提供的频率值以12.5KHz为周期跳变输出。

[0020] 3)主复位(MASTER RESET)：在初始化时先高电平复位所有寄存器，之后持续低电平。

[0021] 4)WRB/SCLK：并行模式时的写控制端，高电平时将缓冲区的数据，写入相应的寄存器中。

[0022] 5)RDB/CSB：持续高电平信号，关闭并行数据读取功能。

[0023] 为了实现两个频率相位连续的无斜坡跳变，需要利用DDS芯片的无斜坡式FSK功能。DDS的两个48位频率控制寄存器设定的两个频率F1和F2。当DDS的FSK引脚被输入方波信号时，DDS可由该方波信号的高低电平决定输出频率为F1或F2。在本实施例中，在AD9854的引脚29(FSK)输入的方波信号为高电平时选择频率字寄存器2，输出信号频率为F2，反之输出频率为F1。由于其频率改变瞬间完成且保持相位连续，且不存在频率渐变的过程，所以称之为无斜坡式FSK。

[0024] 具体见图3所示的本发明DDS的实际工作时序图，模式选择为无坡度FSK模式，当AD9854的引脚29的FSK信号为低电平时，输出频率控制字1的频率——F1；当FSK为高电平时，输出频率控制字2的频率——F2。该FSK信号是由CPLD提供的，以固定频率12.5KHz，用方波形式给入。

[0025] 图4为CPLD控制关键模块流程图。首先复位所有寄存器的值，然后写入频率控制字1、2，再写入模式等其它控制字，完成初始化。

[0026] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

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