專利名稱：被動型氫原子鐘快速調制鎖定的數字調制方法及環路系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于被動型氫原子鐘實現快速調制鎖定的數字調制方法以及一種采用該數字調制方法實現被動型氫原子鐘快速調制鎖定的環路系統。
背景技術：
被動型氫原子鐘微波腔的品質因數高，存在腔牽引效應，所以被動型氫鐘在控制壓控晶體振蕩器的同時，也需要控制微波腔的頻率。也就是說被動型氫鐘需要兩個鎖頻環路，一個用于鎖定壓控晶體振蕩器，一個用于鎖定微波腔。因為被動型氫鐘存在互調干擾現象，所以采用不同的調制頻率很難分離出兩個誤差信號。為了解決這個問題，一般采用快速調制的方法。它可以向微波腔注入一個被調制的探測信號，利用單一的調制頻率通過相位關系即能分離出兩個誤差信號，實現了壓控晶體振蕩器和微波腔的同時鎖定，從而解決了兩個誤差信號的互調干擾問題。在快速調制中為了得到誤差信號，需要對探測信號進行調制，實現系統的閉環鎖定。通常采用的方法是正弦波調制。但是在實際應用中，采用正弦波調制的電路設計復雜， 不易于實現。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種結構簡單、參數調整方便的用于被動型氫鐘實現快速調制鎖定的數字調制方法，以及采用該數字調制方法實現被動型氫鐘快速調制鎖定的系統。根據本發明的一方面，一種用于被動型氫鐘實現快速調制鎖定的數字調制方法， 包括通過可編程控制芯片對與其相連的直接數字頻率合成芯片進行控制以采用方波調制實現所述數字調制，其中在所述直接數字頻率合成芯片的兩個頻率控制寄存器中分別寫入ff Δ f與Δ f對應的頻率控制字，所述Δ f為調制頻偏，而所述&用于經后續混頻后得到1. 4204057510000 1. 4204057519999GHz的頻率；在所述直接數字頻率合成芯片的模式選擇控制寄存器中選擇無斜坡式FSK模式；向所述直接數字頻率合成芯片的R5K引腳輸入方波信號以利用所述方波信號的高低電平來決定所述直接數字頻率合成芯片的輸出頻率為4+厶€或4-厶1根據本發明的另一方面，一種采用前述數字調制方法實現被動型氫鐘快速調制鎖定的系統，包括一輸出IOMHz正弦信號的壓控晶體振蕩器；所述壓控晶體振蕩器經一倍頻電路后連接一綜合器，所述綜合器包括所述可編程控制芯片及所述直接數字頻率合成芯片，以產生fQ士 Δ f的信號；所述綜合器連接至一混頻電路，以得到1. 4204057510000 1. 4204057519999GHz士 Af的調制后的探測信號；所述調制后的探測信號經一衰減器輸入至所述被動型氫鐘的微波腔的輸入端；所述微波腔的輸出端依次連接至一前置放大電路、 另一混頻電路、中放電路、檢波電路和帶通濾波器，以得到帶有誤差信息的正弦信號；所述帶有誤差信息的正弦信號分為兩路，分別依次連接一相移電路、同步檢波電路和積分放大電路后得到兩個控制電壓，分別控制所述微波腔和所述壓控晶體振蕩器，從而分別形成所述微波腔和所述壓控晶體振蕩器的鎖定環路以同時鎖定所述微波腔和所述壓控晶體振蕩
器ο本發明采用的數字調制方法與傳統的正弦波模擬調制方式相比易于實現、控制簡單、參數調整方便，且硬件電路簡單，便于被動型氫鐘的小型化，由于使用數字集成芯片，較傳統方式有集成度高，體積小的優勢。
圖1是根據本發明采用數字調制方法實現被動型氫鐘快速調制鎖定的系統框圖。圖2為本發明的可編程控制芯片CPLD對直接數字頻率合成芯片DDS的控制框圖。圖3為本發明的DDS的實際工作時序圖。圖4為本發明的CPLD關鍵控制模塊流程圖。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。如圖1所示，為采用數字調制方法實現被動型氫鐘快速調制鎖定的系統框圖。其中，壓控晶體振蕩器輸出IOMHz的正弦信號，該正弦信號一路經倍頻后用于綜合器的參考頻率輸入，以產生小數頻率fQ士 Δ f，在本實施例中fQ在20. 4057510000 20. 4057519999MHz 的范圍內；另一路經直接倍頻得1. 4GHz。1. 4GHz和前述小數頻率經過混頻后得到f ’ 士 Δ f， 即調制后的探測信號(其中f，在1. 4204057510000 1. 4204057519999GHz的范圍內，以盡量接近氫原子躍遷頻率；△ f為調制頻偏，在此實施例中調制頻偏△ f為20KHz)，雖然在此采用1.4GHz與20. 4057510000 20. 4057519999MHz 士 Δ f進行混頻，但本發明并不限于此，也可選用其他的頻率值進行混頻，只要兩者經過混頻后能得到1. 4204057510000 1. 4204057519999GHz士 Δ f即可。然后，該調制后的探測信號經衰減后進入物理部分，即被動型氫鐘的微波腔，通過該微波腔后得到的信號經過前置放大、混頻、中放、檢波、帶通濾波后，得到帶有誤差信息的正弦信號。該帶有誤差信息的正弦信號分成兩路，分別經過相移、 同步檢波和積分放大后得到控制電壓，分別控制物理部分的微波腔和壓控晶體振蕩器，從而形成環路。本發明利用方波數字調制方法產生小數頻率，有別于以往的正弦波調制方法。這種方法相較于以往的方法簡單易實現，而且達到不錯的效果。其采用直接數字頻率合成DDS 芯片，利用其頻移健控FSK功能，采用方波調制技術實現數字調制，即利用方波的高低電平來決定DDS芯片輸出頻率的大小。在如圖2所示的具體實施例中，圖1中用于產生小數頻率的綜合器主要包括可編程控制芯片CPLD和與其相連的DDS芯片。其具體通過該CPLD控制DDS以產生fQ士 Δ f，在本實施例中即20. 4057510000 20. 4057519999MHz士20KHz的正弦波信號。可編程控制芯片選擇了 Altera公司生產的一款典型CPLD芯片EPM570，其工作電壓為3. 3V。對于被動型氫原子鐘IOMHz輸出信號，其頻率準確度要求達到10_13，即輸出頻率的變化值為Af。ut = IOMHzX 10_13 = IO-6Hz0因此探測頻率的分辨率也要求達到10_6Hz。 根據上述頻率分辨率要求需要選擇48位的DDS芯片。因此在本實施例中選擇了 AD公司生產的AD98M。這里也可以選擇其他類型的產品。在本實施例中，DDS輸出信號為 20. 4057510000 20. 4057519999MHz士20KHz范圍內的任意值，可以改變頻率控制字的值在此范圍內進行微調，以達到更好的頻率準確度，使輸出頻率滿足頻率準確度的要求。在本實施例中，EPM570對于AD98M的控制是通過向AD98M提供基于QUARTUES II和VHDL語言的控制信號完成的，控制信號主要包括如下信號1)地址線和數據線以在AD98M相應的兩個頻率控制寄存器地址中寫入控制字， 包括Fl (f0+ Δ f)對應的48位頻率控制字1，F2 (f0- Δ f)對應的48位頻率控制字2。另外還在其模式選擇控制寄存器中，選擇Mode 001 (無斜坡式FSK)。2)FSK 輸入方波信號，該方波信號的頻率等于或者小于所述被動型氫鐘的微波腔諧振線的半線寬且大于氫原子共振線的半線寬。而且，前述調制頻偏Δι即為該方波信號的頻率和調制系數的乘積，該調制系數一般在1 2. 5之間。在本實施例中輸入12. 5ΚΗζ 的方波信號，實現兩個頻率控制寄存器里所提供的頻率值以12. 5ΚΗζ為周期跳變輸出。3)主復位(MASTER RESET)在初始化時先高電平復位所有寄存器，之后持續低電平。4) WRB/SCLK:并行模式時的寫控制端，高電平時將緩沖區的數據，寫入相應的寄存器中。5)RDB/CSB 持續高電平信號，關閉并行數據讀取功能。為了實現兩個頻率相位連續的無斜坡跳變，需要利用DDS芯片的無斜坡式FSK功能。DDS的兩個48位頻率控制寄存器設定的兩個頻率Fl和F2。當DDS的FSK引腳被輸入方波信號時，DDS可由該方波信號的高低電平決定輸出頻率為Fl或F2。在本實施例中，在 AD98M的引腳^KFSK)輸入的方波信號為高電平時選擇頻率字寄存器2，輸出信號頻率為 F2，反之輸出頻率為Fl。由于其頻率改變瞬間完成且保持相位連續，且不存在頻率漸變的過程，所以稱之為無斜坡式FSK。具體見圖3所示的本發明DDS的實際工作時序圖，模式選擇為無坡度FSK模式，當 AD9854的引腳四的FSK信號為低電平時，輸出頻率控制字1的頻率——Fl ；當FSK為高電平時，輸出頻率控制字2的頻率——F2。該FSK信號是由CPLD提供的，以固定頻率12. 5KHz, 用方波形式給入。圖4為CPLD控制關鍵模塊流程圖。首先復位所有寄存器的值，然后寫入頻率控制字1、2，再寫入模式等其它控制字，完成初始化。最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者對部分技術特征進行等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案范圍當中。
權利要求
1.一種用于被動型氫鐘實現快速調制鎖定的數字調制方法，其特征在于，包括 通過可編程控制芯片對與其相連的直接數字頻率合成芯片進行控制以采用方波調制實現所述數字調制，其中在所述直接數字頻率合成芯片的兩個頻率控制寄存器中分別寫入fo+Af與 f^-Af對應的頻率控制字，所述Δ f為調制頻偏，而所述f；用于經后續混頻后以得到 1. 4204057510000 1. 4204057519999GHz 的頻率；在所述直接數字頻率合成芯片的模式選擇控制寄存器中選擇無斜坡式FSK模式； 向所述直接數字頻率合成芯片的FSK引腳輸入方波信號以利用所述方波信號的高低電平來決定所述直接數字頻率合成芯片的輸出頻率為f^+Af或ffAf。
2.如權利要求1所述的數字調制方法，其特征在于，所述方波信號的頻率等于或者小于所述被動型氫鐘的微波腔諧振線的半線寬且大于氫原子共振線的半線寬。
3.如權利要求1所述的數字調制方法，其特征在于，所述直接數字頻率合成芯片為具有48位頻率控制字的直接數字頻率合成芯片。
4.如權利要求2所述的數字調制方法，其特征在于，所述調制頻偏Af為所述方波信號的頻率和調制系數的乘積，所述調制系數在1 2. 5的范圍內。
5.一種采用如權利要求1-4中任意一項所述的數字調制方法實現被動型氫鐘快速調制鎖定的系統，其特征在于，包括一輸出IOMHz正弦信號的壓控晶體振蕩器；所述壓控晶體振蕩器經一倍頻電路后連接一綜合器，所述綜合器包括所述可編程控制芯片及所述直接數字頻率合成芯片，以產生f。士 Af的信號；所述綜合器連接至一混頻電路，以得到1.4204057510000 1. 4204057519999GHz士 Af的調制后的探測信號；所述調制后的探測信號經一衰減器輸入至所述被動型氫鐘的微波腔的輸入端； 所述微波腔的輸出端依次連接至一前置放大電路、另一混頻電路、中放電路、檢波電路和帶通濾波器，以得到帶有誤差信息的正弦信號；所述帶有誤差信息的正弦信號分為兩路，分別依次連接一相移電路、同步檢波電路和積分放大電路后得到兩個控制電壓，分別控制所述微波腔和所述壓控晶體振蕩器，從而分別形成所述微波腔和所述壓控晶體振蕩器的鎖定環路以同時鎖定所述微波腔和所述壓控晶體振蕩器。
全文摘要
本發明涉及一種用于被動型氫鐘實現快速調制鎖定的數字調制方法及系統。該數字調制方法包括通過可編程控制芯片對與其相連的直接數字頻率合成芯片進行控制以采用方波調制實現所述數字調制，其中在所述直接數字頻率合成芯片的兩個頻率控制寄存器中分別寫入f0+Δf與f0-Δf對應的頻率控制字，所述Δf為調制頻偏，而所述f0用于經后續混頻后以得到1.4204057510000～1.4204057519999GHz的頻率；在所述直接數字頻率合成芯片的模式選擇控制寄存器中選擇無斜坡式FSK模式；向所述直接數字頻率合成芯片的FSK引腳輸入方波信號以利用所述方波信號的高低電平來決定所述直接數字頻率合成芯片的輸出頻率為f0+Δf或f0-Δf。采用本發明數字調制，結構簡單、易于實現。
文檔編號H03L7/26GK102340309SQ201010237148
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者劉嘉陽, 劉鐵新, 李玉瑩, 林兆偉 申請人:中國科學院上海天文臺