一種基于銣原子鐘的頻率基準源冗余設計方案淺析

張守中　趙瑞青

摘要：針對單一頻標在時統(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、石英晶振作為備用頻標的雙冗余熱備份設計方案，對提高時統(tǒng)系統(tǒng)同步精度和可靠性具有重要意義。

關鍵詞：銣原子鐘;頻率;冗余;設計方案

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

0 引言

標準化時間統(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，都離不開頻率標準[1]。因此任何一臺時統(tǒng)設備都必須配置高精準的時間頻率基準源，所以時間頻率基準源又被認為是時統(tǒng)設備的心臟。任何一個時間頻率基準源的基本功能是為用戶提供各種類型的高精準頻率信號。傳統(tǒng)的時統(tǒng)設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準，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不到設計要求。目前國際基準和國家基準主要采用精度已經(jīng)達到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、快速預熱、優(yōu)良的準確度、低相噪和低雜波等優(yōu)點得到了更為廣泛的應用。

1 方案設計

由于不同用戶有不同的需求，頻率基準源的設計要求也各不相同，本文提出的設計方案是將原有采用石英晶振作為頻標的頻率基準源，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、石英晶振作為備用頻標的雙冗余熱備份設計方案，為達到指標設計要求，設計采用了先進的數(shù)字集成及處理技術，主要由整形電路、切換電路、分頻電路以及輸出驅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接收機校頻的頻率信號（如10MHz、1C/S）;四是提供備用的頻標信號（如5MHz、1MHz）。

系統(tǒng)組成框如圖1（虛線部分為原有電路，實線部分為改進電路）。

2 基本工作原理

（1）基準時鐘的產生：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行比較，誤差信號送回到壓控晶體振蕩器，對其頻率進行調節(jié)，使其鎖定在銣原子特有的能級躍遷所對應的頻率上，輸出高度穩(wěn)定的10MHz，并送入整形電路，同時原有的外頻標10MHz和晶振10 MHz也分別送入各自的整形電路，使三路頻標信號分別經(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)緩沖后輸出產生基準時鐘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、銣頻標、石英晶振的順序進行，當優(yōu)先級高的頻標出現(xiàn)故障時自動或手動切換到下一級的頻標，當優(yōu)先級高的頻標恢復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)同步時鐘的產生：經(jīng)緩沖輸出的另一路基準時鐘10Mbit信號經(jīng)1250分頻器產生8Kbit的TTL信號，送入緩沖器經(jīng)電平轉換后輸出RS422接口的8Kbit，同時送入E1系統(tǒng)頻率綜合器產生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分頻器后產生64 Kbit信號，經(jīng)電平轉換后輸出RS422接口的64Kbit時鐘信號。

（4）校頻時鐘的產生：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、處理后產生與外秒標（通常為GPS 1pps信號）前沿對齊的銣1C/S信號，經(jīng)驅動后輸出作校頻用。

3 結語

經(jīng)實踐使用驗證，采用以銣原子鐘作為主用頻標、石英晶振作為備用頻標的雙冗余熱備份頻率基準源，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，這種設計方案必將在系統(tǒng)設計中得到廣泛應用。

參考文獻

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

[2] 楊剛，劉晉.時間頻率基準源的原理和設計[J].中國傳媒大學學報自然科學版，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