基于相位群同步的高精度频率链接技术研究

摘要

本文提出了周期性现象间相位变化的规律性，提出了相位群同步、相位量子等物理特性，深化了有关最大公因子频率、等效鉴相频率等概念的理论。并把这些新的理论概念应用到原子钟中，与传统处理方法相比简化和改进了原子钟的线路部分，并且将原子频标性能得到提高，产生了基于周期性信号间相位群同步和相位群处理方法的高精度频率链接技术。
　　本文根据周期信号之间的相位关系变化规律，基于相位群同步的理论知识和相位群处理的方法，通过比对两个压控晶体振荡器输出信号的相位差，即时间间隔，经过反馈和数据结果处理后对其中输出频标信号的压控晶体振荡器进行锁相控制，从而达到高精度频率链接的目的。这种频率链接技术简化且改进了传统原子频标结构中的线路部分，使得倍频与频率合成线路、反馈及控制电路实现了简单且集成化，不仅减小了传统频率归一化方法中频率变换电路所带来的相位噪声，而且明显地提高了原子钟输出信号的性能，使原子频标的输出有好的准确度和长期稳定度指标，同时保持了压控晶振本身好的短期稳定度和相位噪声指标，达到了频率高精度链接的技术目的。
　　铯原子钟具有最高的准确度和良好的稳定度，主要用于卫星导航的应用。氢原子钟具有最高的稳定度，目前处于研究和扩展应用的阶段。铷原子钟的优势在于体积小，主要用于商用。经过对比，本论文原子物理部分选用铯原子，经过频率链接技术后输出10MHz的频标信号。
　　本论文所设计的铯原子钟硬件电路主要分为四个部分：信号整形模块，是对线路中两个受控振荡器输出的频率信号经过放大、滤波、施密特触发器后输出脉冲信号；CPLD分频模块，是对10MHz的受控振荡器10000000分频后输出1Hz的信号；时差测量模块，是对分频后的1Hz频率信号和14.591479MHz频率信号进行相位比对，读出它们在每个最小公倍数周期1s内的时间间隔；MCU模块，对时差测量芯片的控制和对10MHz压控振荡器的控制。其中，对受控振荡器进行分频部分是利用Quartus II软件用Verilog语言对CPLD在线编程进行测试，实现了计数器分频的功能。利用IAR软件对MSP430F169单片机编程进行调试，实现了对时差测量单元以及受控振荡器的控制，达到了频率链接电路对压控振荡器进行电压控制的目的。通过软、硬件的结合，铯原子钟电路经过改造后，输出的频标信号长期稳定度达到10E-13/天，短期稳定度达到5E-12/s，远端相位噪声达到-162dBc/Hz@1MHz。
　　原子频标有广泛的应用，在计量领域可以作为频率计量和守时、时间同步和时间计量，在工程技术领域可以运用到导航与定位、数字通信等方面。

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第一章 绪论

1.1 本课题研究的方法、意义及结果

1.2 时频测控领域的现状和发展趋势

1.3 论文简要和内容安排

1.4 本章小结

第二章 原子频标

2.1 原子频标工作原理和分类

2.2 原子频标的性能指标

2.3 铯原子频标

2.4 铷原子频标

2.5 氢原子频标

2.6 新频标探索

2.7 本章小结

第三章 周期性信号相位关系的研究

3.1 周期信号的最大公因子频率以及最小公倍数周期

3.2 等效鉴相频率和等效鉴相周期

3.3 群周期和相位群同步

3.4 精密频率链接

3.5 本章小结

第四章 基于相位群同步的高精度频率链接技术

4.1 总体方案

4.2 系统模块设计

4.3 软件设计

4.4 实际测量结果及误差分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 频率链接技术的应用

附录A

附录B

附录C

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果