基于TDC的二级频率标准驯服算法

利用全球定位系统(GPS)接收到的秒脉冲(1PPS),对常见的二级频率源温补晶振(TCXO)和相干布局囚禁(CPT)原子钟驯服开展研究。设计了硬件锁相环的驯服方案,利用时间数字转换器(TDC)测量本地分频1PPS与GPS接收机收到的1PPS时间差,实现本地信号相对GPS时间信号的锁定。锁定之后,TCXO实现了万秒稳定度为 8.5 × 10 - 12 ,驯服后3.5×10 ⁴ s的平均频率准确度提升至5倍以上。此外,深入研究了CPT原子钟的噪声模型,在Matlab上对其进行仿真,建立起频率白噪声和频率随机游走噪声在阿伦方差曲线上的对应关系,对比了平均滤波和平均滤波+卡尔曼滤波2种滤波测频方案对CPT原子钟的驯服效果,频率稳定度在5×10 ⁴ s时有一个数量级的提升。     

基于DFT算法的新型CPT原子钟设计

CPT原子钟应用Rb85原子的相干布居囚禁原理,避免了厘米量级的微波谐振腔,使得原子钟的微型化成为可能。采用传统采样比较方式,频率稳定度在百秒稳之后难以驯服。本文介绍了一种以FPGA为主控模块的新型CPT原子钟,并用DFT算法改进了锁定方式提高了系统的抗噪声能力,最后给出了样机测试结果,其千秒稳达到1.96×10-11。     

Rb^87微型CPT原子钟信号源的设计

相干布局（CPT）原子钟被广泛的应用于通信、导航、电力以及数据传输等各个领域,对国民经济的发展起着举足轻重的作用,因此微型CPT原子钟的研制有着重大的意义。这里针对目前微型CPT原子钟对微波信号源的要求,采用锁相环倍频技术设计了一种中心频率为3.417340GHz的微波信号源,该信号源可以满足Rb87微型CPT原子钟的研制,这为微型CPT原子钟的实现奠定了坚实的基础。     

新型高授时精度时码终端系统设计

为获取高准确度的时间信息和同步频率信号,基于MSP430单片机和FPGA的时统终端系统的设计,实现对IRIG-B码和GPS时间信息的解调,同时提供各种不同频率的同步信号.针对GPS接收机输出定时信号存在的抖动,采用平滑滤波、驯服等技术,系统外同步精度提高到100ns,增强了系统的精度和稳定度.     

CPT铷原子钟锁相环频率合成器设计和分析

基于CPT(相干布局囚禁)87铷原子钟设计出输出频率为3417 MHz的锁相环频率合成器,通过ADIsimPLL仿真出最佳环路带宽,环路滤波器参数以及相位噪声等,并通过STM32对锁相环芯片进行控制。对频率合成器进行了测试,电路尺寸为40 mm×40 mm,输出信号功率范围为-4 dBm^+5 dBm可调,输出信号噪声满足要求-88.65 dBc/Hz@1 kHz,-92.31 dBc/Hz@10 kHz,-104.63 dBc/Hz@100 kHz,杂散和谐波得到抑制,设计的频率合成器能很好的应用于原子钟的射频信号源。     

GPS驯服中无偏滑动平均滤波算法的研究

 分析已有GPS驯服中滤波算法的特点,提出了基于GPS的实时频率误差处理及状态估计的无偏滑动平均滤波算法.该方法继承了普通滑动滤波算法低噪声特点,且用线性回归估计补偿了普通滑动滤波算法的偏差,利用该方法滤除频率测量误差中的频率偏差和多通道GPS接收机秒信号(GPS1PPS)的锯齿误差,并预报晶振状态.MATLAB仿真和实际测试结果都证明了无偏滑动滤波算法比普通滑动滤波有效,提高了晶振频率的长期稳定度和准确度,实际系统中恒温晶振OXCO-131的长期频率稳定度的Allan方差提高了约三个数量级,达到3.5E-12/d.     

CPT铷原子钟微波信号源设计

CPT原子钟由于其体积小、重量轻、功耗低等优点,广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。设计基于数字锁相倍频技术,采用锁相环芯片ADF4350,根据CPT铷原子钟的需求实现了一种中心频率为3417MHz的微波信号源。经测试,信号源电路尺寸为30mm×30mm,功耗小于150mW,输出微波功率范围为(-20～-5)dBm,输出信号相位噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,可用于CPT铷原子钟。     

GPS软件接收机基带信号处理研究

GPS软件接收机相对传统硬件接收机,设计灵活,能够迅速分析、仿真、实现各类算法.本文主要针对GPS L1频率的C/A码信号,设计并实现了GPS软件接收机的基带处理部分,阐述了射频前端原理、并行码相位搜索捕获策略以及鉴频辅助跟踪环路,并推导了适应动态环境的三阶数字环路滤波器.仿真数据和实际中频数据测试表明:算法性能优越,能迅速捕获并锁定信号,获取导航数据.     

基于85Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现

介绍基于85Rb原子相干布居囚禁(CPT)现象的微型原子钟的设计与实现,系统以MSP430单片机作为主控芯片,实现电流源、TCXO和射频等功能模块,并与CPT原子钟物理部分实现联调与整机封装,实现了高稳定度、低功耗的小型CPT原子钟。整机体积只有31 cm3,功耗为660 mW,测得10 MHz输出信号稳定度约为2×10-10 s-1,4×10-11/1 000 s。系统采用全宽调制在85Rb的D1线实现CPT原子钟方案,可提升CPT共振谱线对比度,提高原子钟稳定度。     

多基地雷达中的时间和频率同步GPS信号有无对运用GPS基准的影响

本文研究了在多基雷达中使用基于GPS的时间和频率基准的有关问题，测试了几个包含民用GPS接收机的参考基准设备。当接收到稳定的GPS信号时，可以观测到能导致距离误差的1PPS起伏误差；当接收不到GPS信号时，对其参考基准信号的输出控制将依赖于参考基准设备本身的稳定性。所能观测到的频率漂移和相应的时间偏差取决于参考基准的质量。结论是，在长时间缺少同步时，稳定的铷基准信号可以给出可靠的同步信号输出。     

卡尔曼滤波在原子钟驯服中的应用

利用授时型接收机的秒信号驯服原子钟,可以提高原子钟的长期稳定度。由于接收机受各种噪声的影响将导致得到的铷钟相对于星钟频差数据不精确。本文设计了一种应用于校频系统的卡尔曼滤波算法,卡尔曼并采用FPGA内嵌ARM处理器对算法进行了验证,多次采样的数据滤波处理得到了满足要求的频差数据,为校准铷原子钟创造了条件提供依据。     

垂直腔面发射激光器的内调制特性

面向芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)通过微波调制产生具有特定光频差的相干激光,与原子作用后的跃迁谱线频率作为参考标准,最终可获取高精度的频率信号。因此,垂直腔面发射激光器在芯片原子钟系统中至关重要。介绍了VCSEL激光器的内调制原理,搭建了其内调制特性实验测试平台,开展了激光器对射频调制响应特性研究,记录了激光器边带信号随着注入电流和射频输出功率的变化情况,并分析了射频调制对激光器边带信号的影响特性以及Bogatov现象引起的边带不对称现象。实验结果显示:当射频信号频率为3.41734 GHz,注入电流为1.2 mA,射频输出功率为3.5 dBm时,可获得优化的高频调制光谱,为芯片原子钟提供优质的光源。     

一种优化的频率驾驭算法研究

为满足各应用领域对高精度时间性能不断提升的需求,该文设计实现了一种迭代的优化频率驾驭算法,主要分为纸面时间计算和实际物理信号实现两个部分。其中纸面时间计算采用ALGOS算法,利用实时原子钟数据和Circular T公报数据计算获得准确可靠的时间尺度,保障了驾驭参考的准确性和实时性。实时物理信号实现采用最优二次型高斯控制算法与Kalman算法综合,通过实时调整参数,计算出最优的频率驾驭量,将该驾驭量输送至频率调整设备,最终实现高精度时间信号的输出,整个驾驭系统是闭环的。该文基于我国时间基准保持系统和原子钟组,搭建试验平台,采用该算法对一台氢钟进行为期140天的频率驾驭,最终对输出的物理信号进行性能评估。试验结果表明,该算法有效提高了驾驭后物理信号的准确度和稳定度,驾驭后信号与国际标准时间协调世界时(UTC)相比,相位偏差保持在±3 ns以内,且30天稳定度优于5×10–16。     

一种优化的频率驾驭算法研究

为满足各应用领域对高精度时间性能不断提升的需求,该文设计实现了一种迭代的优化频率驾驭算法,主要分为纸面时间计算和实际物理信号实现两个部分。其中纸面时间计算采用ALGOS算法,利用实时原子钟数据和Circular T公报数据计算获得准确可靠的时间尺度,保障了驾驭参考的准确性和实时性。实时物理信号实现采用最优二次型高斯控制算法与Kalman算法综合,通过实时调整参数,计算出最优的频率驾驭量,将该驾驭量输送至频率调整设备,最终实现高精度时间信号的输出,整个驾驭系统是闭环的。该文基于我国时间基准保持系统和原子钟组,搭建试验平台,采用该算法对一台氢钟进行为期140天的频率驾驭,最终对输出的物理信号进行性能评估。试验结果表明,该算法有效提高了驾驭后物理信号的准确度和稳定度,驾驭后信号与国际标准时间协调世界时(UTC)相比,相位偏差保持在±3 ns以内,且30天稳定度优于5×10–16。     

用于CPT芯片级原子钟的滤波器设计

长期稳定性优化是芯片级原子钟研究的难点问题,本文讨论了在CPT芯片级原子钟长期稳定性优化过程中,滤波器模块的设计原理和要点,并设计了适用于原子钟的巴特沃斯滤波器.最后,基于本实验室所研究的芯片钟系统对该滤波器进行了开环和闭环测试,所得到的千秒稳为6.62×10-12,万秒稳为1.16×10-11,天稳为6.71×10-12.     

原子钟两级驾驭算法及在建立GNSS时间基准中的应用

本文提出了一种原子钟驾驭算法,方法是使用等价于Kalman滤波器加延迟器的数字锁相环（DPLL）。本文完整地推导了DPLL的闭环系统传递函数和闭环误差传递函数,给出了其实现结构,和每次的对于被驾驭原子钟的调整量,并给出了使DPLL输出信号的频率稳定度最优的参数选取方法。在此基础上,提出了使用两个这样的DPLL级联起来的二级驾驭算法。理论分析和仿真实验都表明：该算法相比传统原子钟驾驭算法,参数选取更容易,可以保证输出信号的频率稳定度最优;并保证输出信号与第一级的参考输入保持时间同步。该两级驾驭算法可以应用于设计锁相振荡器,即先用铯钟驾驭氢钟,然后再驾驭数控振荡器（NCO）;也可以应用于建立 GNSS 时间基准,即先用 UTC （BSNC）驾驭产生BDT,然后再用BDT驾驭主控站主钟来产生BDT（MC）。     

Ramsey-CPT原子频标的高性能小型脉冲微波源研究

根据Ramsey-CPT原子频标对脉冲微波源高性能小型化的要求,采用直接数字频率合成器（DDS）激励锁相环频率合成器,再结合可编程数字功率衰减器和阻抗匹配电路,从而实现具有高稳定度、高分辨率、快跳频速度、低相位噪声、小体积、小步长扫描的脉冲微波源。比较应用于Ramsey-CPT原子频标的脉冲微波源方案,介绍脉冲微波源的基本原理,简述其具体实现方法,并通过仿真优化得到最佳的输出性能。实现的脉冲微波源具有优良的技术性能,进一步提高了Ramsey-CPT原子频标输出频率的性能。同时,达到了设计小型化的要求,有利于Ramsey-CPT原子频标的便携式应用。