CN116599526B - 一种高精度频率输出控制装置及时钟源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度频率输出控制装置及时钟源，涉及时钟源技术领域，所述装置包括DDS模块、反馈模块、MCU模块和鉴相模块，DDS模块用于分别与外部的铷钟和用频设备连接，DDS模块还分别与反馈模块和MCU模块连接，MCU模块与鉴相模块连接，MCU模块还用于与外部的铷钟连接，鉴相模块与反馈模块连接，鉴相模块还用于与外部的频率基准源连接。本发明实现了对铷钟输出的两级频率调节，频率准确度得以提升，由此实现了铷钟的高精度频率输出，拓宽了铷钟的适用范围，优选的，当DDS模块的频率控制精度高出铷钟的频率控制精度多个量级时，输出至用频设备的频率信号准确度提升了多个量级。
Description
技术领域
本发明属于时钟源技术领域，尤其是铷原子钟技术领域，具体涉及一种高精度频率输出控制装置及时钟源。
背景技术
时钟源作为频率基准信号（频标）输出设备，是卫星导航、测量、时频等用频***的重要组成部分，其输出频率的准确度和稳定性与上述***的性能优劣息息相关。
其中，时钟源中的铷钟（铷原子钟）具备体积小、质量小、预热时间短、价格便宜等优点而被广泛采用，但是也存在频率准确度相对较差、频率漂移比较大等缺陷，因此常常作为用频***的一种二级时钟源。铷钟输出的频率基准信号可通过GPS***进行快速驯服或外秒同步来克服自身的频率漂移，传统铷钟的频率校正过程所采用的频率同步控制方式大多为：通过调节铷种的频率控制字使其输出频率同步到参考时钟上。这种控制方式使得铷钟输出的10MHz频率基准信号的准确度完全取决于其自身的频率控制精度。目前行业内比较高的铷钟频率控制精度为6.8E-13量级，该指标能够满足大部分用频***对频率基准信号的准确度要求。然而，随着通信、航空航天、测量等领域各种新兴用频***的出现，对铷钟输出的频率准确度和稳定性提出了更高的要求，例如要求飞秒级的时钟同步精度。因此针对铷钟，本领域技术人员也在不断的寻求新的频率同步控制方式，以求提高铷钟输出的频率准确度和稳定性。
综上所述，一种改进的铷钟频率同步控制方式亟待提出。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种高精度频率输出控制装置及时钟源，以解决现有的铷钟频率同步控制方式使得铷钟输出的频率准确度完全取决于其自身的频率控制精度，致使铷钟输出频率的准确度无法进一步提高的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面
本发明的第一方面提出了一种高精度频率输出控制装置，包括DDS模块、反馈模块、MCU模块和鉴相模块；
反馈模块用于将DDS模块向外部的用频设备发送的初始频率信号反馈至鉴相模块，所述初始频率信号通过外部的铷钟生成后接入DDS模块；
鉴相模块用于在从外部的频率基准源接收到标准频率信号后，测量标准频率信号与初始频率信号之间的第一相差，并将第一相差发送至MCU模块；
MCU模块用于基于自身的模糊PID算法和第一相差生成第一频差，并通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第一频率控制字和第二频率控制字，然后将第一频率控制字发送至铷钟，以便于铷钟根据第一频率控制字进行频率补偿，且将频率补偿后的初始频率信号发送至DDS模块；
MCU模块还用于将第二频率控制字发送至DDS模块；
DDS模块用于将频率补偿后的初始频率信号作为参考时钟，并根据第二频率控制字对该参考时钟进行频率补偿，频率补偿后得到第一目标频率信号，所述第一目标频率信号用于发送至用频设备；
其中，铷钟的频率控制精度数值大于DDS模块的频率控制精度数值，铷钟和DDS模块共同完成的频率补偿值等于第一频差或与第一频差差值的绝对值小于DDS模块的频率控制精度数值。
进一步的，所述通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第一频率控制字和第二频率控制字，具体过程为：
将第一频差与铷钟的频率控制精度数值相除，并对相除的得数取整后得到第一频率控制字；
将第一频差与第一频率补偿值相减的得数同DDS模块的频率控制精度数值相除，并对相除的得数取整后得到第二频率控制字，其中，所述第一频率补偿值为铷钟的频率控制精度数值与第一频率控制字的乘积。
进一步的，所述鉴相模块在未接收到频率基准源的标准频率信号输入时，MCU模块生成第一监测信号，并将第一监测信号发送至外部的交互设备，以便于交互设备根据第一监测信号生成第一触发信号；
MCU模块接收到第一触发信号后，基于自身预置的铷钟频率漂移率生成第二频差，并通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第三频率控制字和第四频率控制字，然后将第三频率控制字发送至铷钟，以便于铷钟根据第三频率控制字进行频率补偿，频率补偿后得到第一频率信号，并将第一频率信号发送至DDS模块；
MCU模块还用于将第四频率控制字发送至DDS模块；
DDS模块用于将第一频率信号作为参考时钟，并根据第四频率控制字对该参考时钟进行频率补偿，频率补偿后得到第二目标频率信号，所述第二目标频率信号用于发送至用频设备；
其中，当前铷钟和DDS模块共同完成的频率补偿值等于第二频差或与第二频差差值的绝对值小于DDS模块的频率控制精度数值。
进一步的，所述反馈模块为功分器，所述功分器的合路端与所述DDS模块连接，功分器的第一分路端用于与外部的用频设备连接，功分器的第二分路端与所述鉴相模块连接。
进一步的，所述鉴相模块为频率鉴相器。
基于上述高精度频率输出控制装置的提出，在对铷钟进行频率同步控制时，该装置采用的频率同步控制方式为两级频率调节方式，第一级频率调节为基于第一频率控制字的铷钟频率补偿，第二级频率调节为基于第二频率控制字的DDS频率补偿，因为铷钟的频率控制精度低于DDS模块的频率控制精度，因此第一级频率调节称之为粗调节阶段，第二级频率调节称之为精细调节阶段。
与此同时，在采用了两级频率调节方式的高精度频率输出控制装置的辅助下，上级频率基准源完成对铷钟的频率同步后，铷钟进入守时阶段，在守时阶段，会出现丢失掉上级频率基准源的标准频率信号的情形，当高精度频率输出控制装置失去上级频率基准源的标准频率信号输入时，因为铷种有日老化或者温度变化导致的频漂，最终都会导致目标频率信号发生频率偏移，可见为了使得输出至用频设备的目标频率信号仍然保持较高的频率准确度，在守时阶段也需对第一目标频率信号进行频率补偿。通过对MCU模块增设与外部交互设备的交互功能以及对标准频率信号是否接入的监测与触发功能，以便于MCU模块根据铷钟自身的频率漂移率进行第二频差的补偿，第二频差的补偿方式也采用上述两级频率调节方式。
本发明的第一方面具有的有益效果为：
(1)结合DDS模块、MCU模块、反馈模块和鉴相模块的设置，实现对铷钟输出的两级频率调节，输出至用频设备的频率基准信号的准确度得以提升，由此实现了铷钟的高精度频率输出，拓宽了铷钟的适用范围，例如要求飞秒级时钟同步精度的用频***；优选的，当DDS模块的频率控制精度高出铷钟的频率控制精度多个量级时，输出至用频设备的频率信号准确度提升了多个量级；
(2)通过铷钟守时阶段的频率漂移补偿，使得铷钟获得了较好的守时指标；
(3)相比于只利用铷钟的频率控制精度或只利用DDS模块的频率控制精度而言，上述两级频率调节方式所具有的可调节频率范围更宽，使得本发明实现的高精度频率输出控制装置对铷钟频率同步阶段和守时阶段的频率调节更为灵活，可充分利用铷钟的可调节频率范围和/或DDS模块的可调节频率范围。
第二方面
本发明的第二方面提出了一种高精度时钟源，包括铷钟和本发明第一方面所述的一种高精度频率输出控制装置，所述铷钟与所述装置连接，所述装置还用于分别与外部的频率基准源和外部的用频设备连接。
本发明的第二方面带来与第一方面相同的有益效果，在此不再赘述。与此同时，本发明第二方面实现的时钟源充分结合了铷钟低成本等优点，在频率同步阶段和守时阶段均具备了较高的频率准确度。
附图说明
图1为实施例一实现的高精度频率输出控制装置的一种组成框图；
图2为实施例二实现的高精度时钟源的一种组成框图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例一和实施例二需一并参阅图1至图2。
实施例一
本实施例提供了一种高精度频率输出控制装置，用于对铷钟的输出频标进行校正，再将校正后的频标发送至用频设备。
具体的，一种高精度频率输出控制装置包括DDS模块、反馈模块、MCU模块和鉴相模块。DDS模块用于分别与外部的铷钟和外部的用频设备连接，DDS模块还分别与反馈模块和MCU模块连接，MCU模块与鉴相模块连接，MCU模块还用于与外部的铷钟连接，鉴相模块与反馈模块连接，鉴相模块还用于与外部的频率基准源连接，外部的频率基准源用于生成标准频率信号。
反馈模块用于将DDS模块向外部的用频设备发送的初始频率信号反馈至鉴相模块，初始频率信号通过外部的铷钟生成后接入DDS模块且作为DDS模块的参考信号。
鉴相模块用于在从外部的频率基准源接收到标准频率信号后，测量标准频率信号与初始频率信号之间的第一相差，并将第一相差发送至MCU模块。
MCU模块用于基于自身预置的模糊PID算法和第一相差生成第一频差，并通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第一频率控制字和第二频率控制字，然后将第一频率控制字发送至铷钟，以便于铷钟根据第一频率控制字进行频率补偿，且将频率补偿后的初始频率信号发送至DDS模块，MCU模块还用于将第二频率控制字发送至DDS模块。
DDS模块用于将频率补偿后的初始频率信号作为参考时钟，并根据第二频率控制字对该参考时钟进行频率补偿，频率补偿后得到第一目标频率信号，第一目标频率信号用于发送至用频设备。其中，铷钟的频率控制精度数值大于DDS模块的频率控制精度数值，铷钟和DDS模块共同完成的频率补偿值等于第一频差或与第一频差差值的绝对值小于DDS模块的频率控制精度数值。
在一些实施例中，反馈模块为功分器，优选为一分二功分器，功分器的合路端与DDS模块连接，接入初始频率信号或频率补偿后得到的第一目标频率信号。功分器的第一分路端用于与外部的用频设备连接，将初始频率信号或频率补偿后得到的第一目标频率信号作为频率标准信号输出。可知的，本实施例实现的频率输出控制装置对铷钟输出频率的校正过程很短，因此用频设备将最初接收到的初始频率信号弃用，在预设的时间后开始稳定的接收频率补偿后得到的第一目标频率信号，并将第一目标频率信号作为自身设备内的频标。功分器的第二分路端与鉴相模块连接，用于将初始频率信号或频率补偿后得到的第一目标频率信号反馈至鉴相模块。鉴相模块优选为频率鉴相器。外部的频率基准源可为GPS接收***或其他一级频率基准源。MCU模块在根据第一相差生成第一频差时，还基于自身预置的滤波算法等，滤波算法和模糊PID算法均采用普通实施例中的算法过程，本实施例对此部分内容不进行赘述。DDS模块优选为市售的DDS芯片。
作为上述实施例的一种改进，通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第一频率控制字和第二频率控制字，具体过程为：
A01.将第一频差与铷钟的频率控制精度数值相除，并对相除的得数取整后得到第一频率控制字；
A02.将第一频差与第一频率补偿值相减的得数同DDS模块的频率控制精度数值相除，并对相除的得数取整后得到第二频率控制字，其中，第一频率补偿值为铷钟的频率控制精度数值与第一频率控制字的乘积。
基于上述改进的提出，下述内容以初始频率信号与标准频率信号之间的第一频差为4.3E-12为例说明频率输出控制装置对铷钟输出的频率同步控制过程，其中选定铷钟的频率控制精度数值为6.8E-13，铷钟的一个频率控制字表示频率调整大小为6.8E-13，DDS模块的频率控制精度数值为1.7E-16，DDS模块的一个频率控制字表示频率调整大小为1.7E-16。
频率输出控制装置对铷钟输出的频率同步控制过程，具体如下：
S100.粗调节阶段：计算4.3E-12/6.8E-13≈6.3，对6.3取整得到6，因此第一频率控制字为6，铷钟的频率补偿值（第一频率补偿值）=6*6.8E-13=4.08E-12，余下还有2.2E-13的频差通过DDS模块进行频率补偿；
S200.精细调节阶段：计算2.2E-13/1.7E-16≈1307.1，对1307.1取整得到1307，因此第二频率控制字为1307，DDS模块根据第二频率控制字进行频率补偿。
通过粗调节阶段和精细调节阶段之后，铷钟和DDS模块共同完成的频率补偿值最大程度的接近了第一频差，使得最终输出至外部用频设备的第一目标频率信号相比于标准频率信号的频率准确度优于了2E-16量级，相比传统铷钟的频率同步控制方式而言提升了3个量级。若选取的DDS模块的频率控制精度更高，则第一目标频率信号相比于标准频率信号的频率准确度会进一步提升。
在一些特殊情形下，频率输出控制装置会失去上级频率基准源输入的标准频率信号，例如特殊环境下GPS接收***从卫星授时失败或作为上级频率基准源的原子钟失效等。
因此，作为上述实施例的另一种改进，鉴相模块在未接收到频率基准源的标准频率信号输入时，鉴相模块无第一相差输出，据此MCU模块生成第一监测信号，并将第一监测信号发送至外部的交互设备，以便于交互设备根据第一监测信号生成第一触发信号；
MCU模块接收到第一触发信号后，基于自身预置的铷钟频率漂移率生成第二频差，并通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第三频率控制字和第四频率控制字，然后将第三频率控制字发送至铷钟，以便于铷钟根据第三频率控制字进行频率补偿，频率补偿后得到第一频率信号，并将第一频率信号发送至DDS模块，MCU模块还用于将第四频率控制字发送至DDS模块；
DDS模块用于将第一频率信号作为参考时钟，并根据第四频率控制字对该参考时钟进行频率补偿，频率补偿后得到第二目标频率信号，第二目标频率信号用于发送至用频设备；其中，当前铷钟和DDS模块共同完成的频率补偿值等于第二频差或与第二频差差值的绝对值小于DDS模块的频率控制精度数值。
在一些实施例中，因为日老化漂移和温度老化频移导致的铷钟频率漂移率基于铷钟的固有参数确定，也可根据经验知识对铷钟的固有参数分析和优化后得到该频率漂移率，上述频率漂移率的确定过程均为普通实施例中的过程，本实施例对此部分内容未做改进。MCU模块通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第三频率控制字和第四频率控制字的过程原理等同于上述A01和A02步骤。
基于上述改进的提出，下述内容以当前时刻的频率漂移值为2E-13，即第二频差为2E-13为例说明频率控制装置对铷钟守时阶段输出频率的补偿过程，其中选定铷钟的频率控制精度数值为6.8E-13，铷钟的一个频率控制字表示频率调整大小为6.8E-13，DDS模块的频率控制精度数值为1.7E-16，DDS模块的一个频率控制字表示频率调整大小为1.7E-16。
频率控制装置对铷钟守时阶段输出频率的补偿过程，具体为：
SS1.因为2E-13小于了铷钟的频率控制精度数值，当前的频率漂移无法通过铷钟进行调节，因此第三频率控制字取值0，通过计算2E-13/1.7E-16≈1176.4，对1176.4取整得到1176，所以第四频率控制字为1176， DDS模块根据第四频率控制字对第二频差进行补偿。
实施例二
本实施例基于实施例一的实现，提出了一种高精度时钟源，包括实施例一实现的一种高精度频率输出控制装置和铷钟，铷钟与高精度频率输出控制装置连接，高精度频率输出控制装置还用于分别与外部的频率基准源和用频设备连接。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种高精度频率输出控制装置，其特征在于，包括DDS模块、反馈模块、MCU模块和鉴相模块；
反馈模块用于将DDS模块向外部的用频设备发送的初始频率信号反馈至鉴相模块，所述初始频率信号通过外部的铷钟生成后接入DDS模块；
鉴相模块用于在从外部的频率基准源接收到标准频率信号后，测量标准频率信号与初始频率信号之间的第一相差，并将第一相差发送至MCU模块；
MCU模块用于基于自身的模糊PID算法和第一相差生成第一频差，并通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第一频率控制字和第二频率控制字，然后将第一频率控制字发送至铷钟，以便于铷钟根据第一频率控制字进行频率补偿，且将频率补偿后的初始频率信号发送至DDS模块；
MCU模块还用于将第二频率控制字发送至DDS模块；
DDS模块用于将频率补偿后的初始频率信号作为参考时钟，并根据第二频率控制字对该参考时钟进行频率补偿，频率补偿后得到第一目标频率信号，所述第一目标频率信号用于发送至用频设备；
其中，铷钟的频率控制精度数值大于DDS模块的频率控制精度数值，铷钟和DDS模块共同完成的频率补偿值等于第一频差或与第一频差差值的绝对值小于DDS模块的频率控制精度数值。
2.根据权利要求1所述的一种高精度频率输出控制装置，其特征在于，所述通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第一频率控制字和第二频率控制字，具体过程为：
将第一频差与铷钟的频率控制精度数值相除，并对相除的得数取整后得到第一频率控制字；
将第一频差与第一频率补偿值相减的得数同DDS模块的频率控制精度数值相除，并对相除的得数取整后得到第二频率控制字，其中，所述第一频率补偿值为铷钟的频率控制精度数值与第一频率控制字的乘积。
3.根据权利要求1所述的一种高精度频率输出控制装置，其特征在于，
所述鉴相模块在未接收到频率基准源的标准频率信号输入时，MCU模块生成第一监测信号，并将第一监测信号发送至外部的交互设备，以便于交互设备根据第一监测信号生成第一触发信号；
MCU模块接收到第一触发信号后，基于自身预置的铷钟频率漂移率生成第二频差，并通过铷钟的频率控制精度数值和DDS模块的频率控制精度数值计算得到第三频率控制字和第四频率控制字，然后将第三频率控制字发送至铷钟，以便于铷钟根据第三频率控制字进行频率补偿，频率补偿后得到第一频率信号，并将第一频率信号发送至DDS模块；
MCU模块还用于将第四频率控制字发送至DDS模块；
DDS模块用于将第一频率信号作为参考时钟，并根据第四频率控制字对该参考时钟进行频率补偿，频率补偿后得到第二目标频率信号，所述第二目标频率信号用于发送至用频设备；
其中，当前铷钟和DDS模块共同完成的频率补偿值等于第二频差或与第二频差差值的绝对值小于DDS模块的频率控制精度数值。
4.根据权利要求1所述的一种高精度频率输出控制装置，其特征在于，所述反馈模块为功分器，所述功分器的合路端与所述DDS模块连接，功分器的第一分路端用于与外部的用频设备连接，功分器的第二分路端与所述鉴相模块连接。
5.根据权利要求1所述的一种高精度频率输出控制装置，其特征在于，所述鉴相模块为频率鉴相器。
6.一种高精度时钟源，其特征在于，包括铷钟和权利要求1-5项任一项所述的一种高精度频率输出控制装置，所述铷钟与所述装置连接，所述装置还用于分别与外部的频率基准源和外部的用频设备连接。
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- 2023-07-17 CN CN202310870329.2A patent/CN116599526B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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