頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及頻率振蕩器領域，具體涉及一種基于自參考的頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化 裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 人造時鐘計時的發(fā)展從日替到原子鐘，歷經了幾千年。早期的計時主要用于天象 的預測等；十八世紀中期，計時開始應用于航海中對經度的測量；經過不懈的努力，人們逐 漸意識到，精確計時的主要目的是保持時間同步，而計時的穩(wěn)定度則成為定位精度的決定 因素。
[0003] 現(xiàn)代的原子鐘計時始于20世紀50年代。世界上第一臺錐束原子頻率標準的誕生， 導致了 1967年國際上新的"砂"定義的建立，即由依照天體運動定義的"天文砂"改變?yōu)槭?用原子鐘復現(xiàn)的"原子砂"，并開創(chuàng)了人類時間測量和守時的新紀元。
[0004] 錐束頻率標準投入實際應用之后，無論是設備的原理、結構等物理特性，還是頻率 準確度、穩(wěn)定度等技術指標，都在不斷改善和提高。20世紀80年代，人們根據激光冷卻和離 子囚禁理論研制出錐原子噴泉鐘，穩(wěn)定度達2. 8X10ISTI/2,極大提高了時間測量的精度， 成為主要的計時和守時工具。目前，光鐘的研究也有突破性進展，但仍需長期持續(xù)的努力。
[0005] 典型的被動型頻率標準，采用原子特定能級躍遷福射的電磁波頻率作為本地振蕩 器的參考頻率，進行頻率或相位鎖定，從而獲得標準頻率信號。其相對頻率穩(wěn)定度由阿倫偏 差表征，可表示為
[0007] 送里，V。為頻率信號的標稱頻率；〈Av2(T)>為頻率的一階差分的無限時間平均； SNR為信噪比；T。為鑒頻周期；Q為品質因數(shù)；T為積分時間。該頻率標準，提高其穩(wěn)定度的 主要方法是提高信噪比SNR或提高自由演化時間Tk=Tt/2。其中，信噪比SNR正比于V嘴， N為原子數(shù)。但是，在實際應用中，本地振蕩器的頻率波動遠高于由原子退相干引入的相位 噪聲，成為影響頻率穩(wěn)定度的重要因素。
[0008] 對于主動型頻率標準，其相對頻率穩(wěn)定度可表示為
[0010] 送里，ke為波爾茲曼常數(shù)；T為環(huán)境溫度；P為頻率振蕩器的實際功率；T為積分 時間。該頻率穩(wěn)定度主要決定于熱噪聲引起的相位波動，且正比于S/s序。
[0011] 由W上分析可W看出，目前所使用的頻率標準，其頻率穩(wěn)定度在短期的積分時間 內，均表現(xiàn)為Oy(T)OCl/s/7的特征，即隨時間延續(xù)，隨機噪聲、溫度等將會引起頻率漂移， 其穩(wěn)定性逐漸下降。

【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于提出了 一種基于自參考的頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化裝置及方法， 采用了持續(xù)將頻率振蕩器當前時刻的相位鎖定于相隔固定時間的前一時刻的相位，從而改 善了頻率振蕩器隨時間延續(xù)，由隨機噪聲、溫度、老化等引起的頻率漂移的情況，使頻率振 蕩器的穩(wěn)定度得到顯著提升。
[0013]為了達到上述目的，本發(fā)明采用W下技術方案：
[0014] 一種基于自參考的頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化裝置，所述裝置包括；頻率振蕩器，用于 產生頻率信號；相位存儲單元，用于存儲頻率振蕩器產生的頻率信號當前時刻的相位，并延 遲一個固定的時間單元；鎖相單元，用于將頻率振蕩器產生的頻率信號的相位，鎖定于相位 存儲單元所存儲的一個延遲時間單元之前的時刻的相位。
[0015] 一種基于自參考的頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化方法，所述方法包括：利用相位存儲單 元存儲頻率振蕩器產生的頻率信號當前時刻的相位，并延遲一個固定的時間單元，同時利 用鎖相單元持續(xù)地將頻率振蕩器當前時刻產生的頻率信號的相位，鎖定于相位存儲單元所 存儲的間隔一個延遲時間單元的前一時刻的相位。
【附圖說明】
[0016] 圖1顯示了本發(fā)明的基于自參考的頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化裝置的典型實施例的 結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】并參 照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0018] 圖1顯示了本發(fā)明提出的基于自參考的頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化裝置，所述裝置包 括；頻率振蕩器1，用于產生頻率信號；相位存儲單元2,用于存儲頻率振蕩器1產生的頻率 信號當前時刻的相位，并延遲一個固定的時間單元；鎖相單元3,用于將頻率振蕩器1產生 的頻率信號的相位，鎖定于相位存儲單元2所存儲的間隔一個延遲時間單元的前一時刻的 相位。
[0019] 由頻率振蕩器1產生的頻率信號的相位表示為
[0020]
[002。其中，U。為該頻率信號的標稱角頻率；巧(0為該頻率信號的相位隨時間的變化 項。
[0022] 根據阿倫偏差的定義，該頻率信號的穩(wěn)定度由阿倫偏差可表示為
[0023]
[0024] 其中，T為阿倫偏差的積分時間；V。= (〇。/231為該頻率信號的標稱頻率；〈Ay2(T)>為頻率數(shù)據的一階差分的無限時間平均，其定義為
[002引 {邊取氣詩》為相位變化項的一階差分的無限時間平均，其定義為
[0027]
[002引需要說明的是，通常情況下，可W假定皆（0為平穩(wěn)隨機函數(shù)，且各態(tài)遍歷，其無限 時間平均可由單一樣本函數(shù)的時間平均得到。
[0029] 由相位存儲單元2存儲頻率振蕩器1在t時刻產生的頻率信號的相位值0(0,并 延遲一個固定的時間單元T。后，由鎖相單元3將頻率振蕩器1在t+T。時刻產生的頻率信號 的相位0(t+r〇)，鎖定于相位存儲單元2所存儲的t時刻的相位0(t)，即得到
[0030]
[00引]目P
[0032]
[0033] 送里，C為某一確定不變的數(shù)；鎖相單元2對頻率振蕩器1進行鎖相的過程為平 穩(wěn)過程，5 0 (t)為t時刻鎖相過程所產生的隨機誤差。需要說明的是，通常情況下，鎖相 過程產生的隨機誤差5 0遠小于頻率振蕩器相位擾動項在延遲時間單元內的變化A(p，即 50《A(p，且延遲時間單元T。遠大于對頻率振蕩器進行一次鎖相過程所需的時間。
[0034] 需要說明的是，本發(fā)明中，只要實現(xiàn)當前時刻的相位相對于存儲的相位鎖定即可， 并不嚴格要求其相位完全相等。因此，為了表述方便，在本發(fā)明中略去固定的相位差項C，送 樣上式可簡化為
[0035] +r〇)二(Kt) + 50似 +w〇r〇
[0036] 令T〇 =化31/CO0,上式可進一步化簡為
[0037] (p(t+Tq) =(p(t) +S6(t) + 2kn=(p(t) +S6(t)
[0038] 送里，k是任意不變的正整數(shù)。需要說明的是，本發(fā)明所述的相位存儲單元2可W 產生任意固定的延遲時間單元T。，不在本發(fā)明討論之列。
[0039] 任意的阿倫偏差的積分時間可表示為
[0040] T=NVT'
[0041] 送里，N為正整數(shù)，0《T' <T。。當鎖相單元3鎖定時，可計算得
[0042] {A(p^(r)) = {A(p^(r')) +NSO^?^(P〇^+NSO^[0043] 需要說明的是，〈A(^2(y)〉隨T'的變化而變化，A抑2為其在T'取值范圍內 的最大值。例如，當?shù)淖兓癁橐粩U散過程，即〈A(^2〇')〉二Dt'，其中D為擴散系數(shù)，則A(^〇2二DTo。由此，所述頻率信號的阿倫偏差可表示為[0044]
[004引 由上式可W看出：[0050] 當T< <T?；捎?誠《A(p,進卿//權)(>2石2 ? (泌2/叫)27(作，所述頻
[0045] 令
[0046]
[0047] 可得
[0048] 率振蕩器1產生的頻率信號的穩(wěn)定度由么巧^,2/6記21" 2起主導作用，且隨時間的變化為 Oy(T)OC1/T；
[005" 當T=T。化好y樹-Vl沒滬/妨0 了日泣癸狂；
[00閲當T>>T。化在舉02/刪27：2《502/0)0 2T0t:，所述頻率振蕩器1產生的頻 率信號的穩(wěn)定度由5 0 ^COc2TcT起主導作用，且隨時間的變化為Oy(Z)OC1/S/i。
[0053] 本發(fā)明還提供了一種基于自參考的頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化方法，該方法通過上面 介紹的基于自參考的頻率振蕩器穩(wěn)定度優(yōu)化裝