一種基于銣原子鐘的頻率基準(zhǔn)源冗余設(shè)計方案淺析

張守中　趙瑞青

摘要：針對單一頻標(biāo)在時統(tǒng)系統(tǒng)中暴露出來的局限性，提出了以銣原子鐘作為主用頻標(biāo)、石英晶振作為備用頻標(biāo)的雙冗余熱備份設(shè)計方案，對提高時統(tǒng)系統(tǒng)同步精度和可靠性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：銣原子鐘;頻率;冗余;設(shè)計方案

中圖分類號：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0181-02

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)化時間統(tǒng)一系統(tǒng)（簡稱時統(tǒng)）在工作過程中無論是保持全系統(tǒng)時間統(tǒng)一，還是向不同用戶提供高穩(wěn)定、高精確的頻率信號，都離不開頻率標(biāo)準(zhǔn)[1]。因此任何一臺時統(tǒng)設(shè)備都必須配置高精準(zhǔn)的時間頻率基準(zhǔn)源，所以時間頻率基準(zhǔn)源又被認(rèn)為是時統(tǒng)設(shè)備的心臟。任何一個時間頻率基準(zhǔn)源的基本功能是為用戶提供各種類型的高精準(zhǔn)頻率信號。傳統(tǒng)的時統(tǒng)設(shè)備在同步精度要求不高的情況下大部分以石英晶振為頻率標(biāo)準(zhǔn)，由于時間同步精度要求越來越高，單一的石英晶振頻率源已達(dá)不到設(shè)計要求。目前國際基準(zhǔn)和國家基準(zhǔn)主要采用精度已經(jīng)達(dá)到2E-15的銫原子鐘，不過銫原子鐘的成本較高，在實用性方面不占優(yōu)勢[2]。在實際使用中，更常使用的頻率基準(zhǔn)源是銣原子鐘和石英晶振冗余組合。其中銣原子鐘以其低功耗、快速預(yù)熱、優(yōu)良的準(zhǔn)確度、低相噪和低雜波等優(yōu)點得到了更為廣泛的應(yīng)用。

1 方案設(shè)計

由于不同用戶有不同的需求，頻率基準(zhǔn)源的設(shè)計要求也各不相同，本文提出的設(shè)計方案是將原有采用石英晶振作為頻標(biāo)的頻率基準(zhǔn)源，更換為采用各方面性能更為優(yōu)越的銣原子鐘作為主用頻標(biāo)、石英晶振作為備用頻標(biāo)的雙冗余熱備份設(shè)計方案，為達(dá)到指標(biāo)設(shè)計要求，設(shè)計采用了先進(jìn)的數(shù)字集成及處理技術(shù)，主要由整形電路、切換電路、分頻電路以及輸出驅(qū)動電路等幾部分組成，可提供以下4種高精度的頻率信號，一是提供時間同步基準(zhǔn)信號（如10Mbit）;二是提供數(shù)字通信網(wǎng)的同步時鐘信號（如2048Kbit、64Kbit、8Kbit）;三是提供用于GPS接收機(jī)校頻的頻率信號（如10MHz、1C/S）;四是提供備用的頻標(biāo)信號（如5MHz、1MHz）。

系統(tǒng)組成框如圖1（虛線部分為原有電路，實線部分為改進(jìn)電路）。

2 基本工作原理

（1）基準(zhǔn)時鐘的產(chǎn)生：銣原子鐘由銣量子部分和壓控晶體振蕩器組成，壓控晶體振蕩器的頻率經(jīng)過倍頻和頻率合成，送到量子系統(tǒng)與銣原子躍遷頻率進(jìn)行比較，誤差信號送回到壓控晶體振蕩器，對其頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其鎖定在銣原子特有的能級躍遷所對應(yīng)的頻率上，輸出高度穩(wěn)定的10MHz，并送入整形電路，同時原有的外頻標(biāo)10MHz和晶振10 MHz也分別送入各自的整形電路，使三路頻標(biāo)信號分別經(jīng)波形變換由正弦信號變?yōu)槿?0Mbit的TTL電平信號，由切換電路選擇一路最佳信號，經(jīng)緩沖后輸出產(chǎn)生基準(zhǔn)時鐘10Mbit信號。同時將緩沖輸出的一路10Mbit信號分別輸入2分頻器、10分頻器，經(jīng)低通濾波和隔離放大器后分別輸出5MHz、1MHz的正弦信號。

（2）切換電路的主要功能是按照約定好的優(yōu)先級采取自動選擇或手動選擇最佳信號輸出到下一級緩沖器，一般情況下優(yōu)先級按照外頻標(biāo)、銣頻標(biāo)、石英晶振的順序進(jìn)行，當(dāng)優(yōu)先級高的頻標(biāo)出現(xiàn)故障時自動或手動切換到下一級的頻標(biāo)，當(dāng)優(yōu)先級高的頻標(biāo)恢復(fù)后能夠自動或手動切換回去，并且所有切換過程都要做到保持時間的連續(xù)性。

（3）通信網(wǎng)同步時鐘的產(chǎn)生：經(jīng)緩沖輸出的另一路基準(zhǔn)時鐘10Mbit信號經(jīng)1250分頻器產(chǎn)生8Kbit的TTL信號，送入緩沖器經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后輸出RS422接口的8Kbit，同時送入E1系統(tǒng)頻率綜合器產(chǎn)生2048 Kbit信號，經(jīng)輸入緩沖器后輸出2路2048 Kbit信號，一路經(jīng)線路驅(qū)動、耦合變壓后形成通信網(wǎng)同步時鐘2048 Kbit，另一路依次經(jīng)8分頻器、4分頻器后產(chǎn)生64 Kbit信號，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后輸出RS422接口的64Kbit時鐘信號。

（4）校頻時鐘的產(chǎn)生：銣鐘10MHz經(jīng)整形電路后輸出的銣10Mbit信號送入另一個緩沖器，經(jīng)分頻、處理后產(chǎn)生與外秒標(biāo)（通常為GPS 1pps信號）前沿對齊的銣1C/S信號，經(jīng)驅(qū)動后輸出作校頻用。

3 結(jié)語

經(jīng)實踐使用驗證，采用以銣原子鐘作為主用頻標(biāo)、石英晶振作為備用頻標(biāo)的雙冗余熱備份頻率基準(zhǔn)源，不僅提高了時統(tǒng)系統(tǒng)的時間同步精度，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性，這種設(shè)計方案必將在系統(tǒng)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 童寶潤.時間統(tǒng)一技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：62.

[2] 楊剛，劉晉.時間頻率基準(zhǔn)源的原理和設(shè)計[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2010，17（2）：63-65.

Analysis of A redundancy Design Scheme of Frequency Reference Source Based on Rubidium Atomic Clock

ZHANG Shou-zhong，ZHAO Rui-qing

（91604 troops，Longkou? Shandong? 265700）

Abstract：In view of the limitations of a single frequency standard exposed in the time system， A design scheme of double redundant waste heat backup with rubidium atomic clock as the main frequency standard and quartz crystal oscillator as the standby frequency standard is proposed， which is of great significance to improve the synchronization accuracy and reliability of the time series system.

Key words：Rubidium Atomic clock;Frequency;Redundancy;Design Scheme