一種基于星載氫鐘誤差信號(hào)提取的實(shí)現(xiàn)方法

趙廣東， 陳鵬飛， 劉 杰， 黃 奕， 李思衡

(1. 上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030)

1 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)際上是衛(wèi)星測(cè)距和定時(shí)系統(tǒng)。無(wú)論在星上或者地面的主控站或監(jiān)測(cè)站都需要有高精度的原子鐘。被動(dòng)型星載氫原子鐘作為星載原子鐘的一個(gè)分類，可適用于配置我國(guó)自主研發(fā)的導(dǎo)航組網(wǎng)衛(wèi)星，提供高精度時(shí)間和頻率基準(zhǔn)。該系統(tǒng)主要為各類用戶提供定位、導(dǎo)航、測(cè)速、授時(shí)和通信等服務(wù)，且系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的穩(wěn)定性及漂移率對(duì)系統(tǒng)的定位精度有著決定性的影響。目前國(guó)際上只有歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及我國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)配備了星載氫原子鐘。目前星載氫原子鐘的指標(biāo)可以達(dá)到頻率準(zhǔn)確度≤±5×10-12，秒穩(wěn)定度≤1×10-12，萬(wàn)秒穩(wěn)定度≤1×10-14，天穩(wěn)定度≤7×10-15，頻率漂移率≤1×10-14/天。

被動(dòng)型星載氫原子鐘有單頻以及雙頻兩種工作模式，單頻電路采用一種調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)微波腔和晶振信號(hào)的復(fù)用控制，完成系統(tǒng)閉環(huán)；與之相對(duì)，雙頻電路采用兩種探測(cè)頻率，分時(shí)對(duì)微波腔和晶振信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制。相比之下，雙頻電路在長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)和溫度系數(shù)等方面較容易控制。本文討論了被動(dòng)型星載氫鐘電路系統(tǒng)雙頻方案中，如何從物理部分調(diào)制信號(hào)中提取檢出微波腔及晶振的分時(shí)誤差信號(hào)，并通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)誤差信號(hào)分離，分別送入AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字采樣，實(shí)現(xiàn)誤差閉環(huán)控制，并最終實(shí)現(xiàn)微波腔及原子信號(hào)的鎖定。本研究探討的是如何將其中兩路誤差調(diào)制信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法。

2 原理分析

被動(dòng)型星載氫原子鐘與主動(dòng)型原子鐘的工作原理差異在于其需要電路系統(tǒng)給物理系統(tǒng)外部激勵(lì)信號(hào)，激發(fā)內(nèi)部提純出來(lái)的氫原子躍遷，對(duì)躍遷出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行誤差提取、分離，通過(guò)PID算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差量的控制，從而實(shí)現(xiàn)原子鐘的鎖定。原理示意圖如圖1所示。

圖1 被動(dòng)型星載氫原子鐘原理框圖Fig.1 Functional block diagram of the space-borne hydrogen atomic clock

2.1 探測(cè)信號(hào)分析

被動(dòng)型星載氫原子鐘的雙頻實(shí)現(xiàn)方案中，假設(shè)晶振探測(cè)信號(hào)的中心頻點(diǎn)為f0，微波腔探測(cè)信號(hào)的中心頻點(diǎn)為f1，在一個(gè)T時(shí)間探測(cè)周期內(nèi)，對(duì)氫原子的探測(cè)時(shí)間為T(mén)1，對(duì)微波腔的探測(cè)時(shí)間為T(mén)2。在T1時(shí)間內(nèi)，以探測(cè)信號(hào)中心f0為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)f0+fc與f0-fc的頻點(diǎn)跳變，跳變周期為t1；進(jìn)入T2時(shí)間后，以探測(cè)信號(hào)中心f1為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)f1+fd與f1-fd的頻點(diǎn)跳變，跳變周期為t2。T2時(shí)間結(jié)束后，重新進(jìn)入T1時(shí)間循環(huán)激勵(lì)。一般情況下，探測(cè)信號(hào)的頻率綜合輸出，令f0=f1，下文均用f0來(lái)表示探測(cè)信號(hào)中心頻點(diǎn)。其中，f0初始理論值為1 420.405 751 MHz，fc=12.5 Hz，fd=50 kHz；T1=4.04 s，T2=400 ms，t1=t2=40 ms；

星載氫原子鐘物理腔激勵(lì)信號(hào)按上述周期交替饋入物理腔，持續(xù)探測(cè)物理微波腔以及氫原子的能級(jí)躍遷信號(hào)。經(jīng)過(guò)伺服控制電路分別反饋控制物理變?nèi)荻O管容值以及晶振壓控電壓后，探測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)入可控范圍，微波腔幅度調(diào)制的誤差信號(hào)以及電路系統(tǒng)的恒溫晶振的誤差信號(hào)逐漸變得清晰，直至可以被系統(tǒng)解調(diào)并通過(guò)相應(yīng)的反饋通道控制并鎖定。

物理系統(tǒng)的微波腔可以看作帶寬很窄的門(mén)限濾波器，周期內(nèi)的探測(cè)信號(hào)通過(guò)后形成了調(diào)幅波，當(dāng)微波腔中心頻點(diǎn)與f0存在頻率差，則微波腔的探測(cè)輸出信號(hào)在T2時(shí)間內(nèi)，存在+fd與-fd的相鄰跳頻時(shí)間內(nèi)的信號(hào)幅度差，經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后獲取的就是其誤差信號(hào)，當(dāng)該誤差信號(hào)進(jìn)入一定范圍內(nèi)后即可經(jīng)過(guò)比例積分運(yùn)算后經(jīng)過(guò)內(nèi)部的變?nèi)荻O管進(jìn)行調(diào)整，從而將微波腔的中心頻點(diǎn)最終鎖定在系統(tǒng)需要的頻點(diǎn)上。

同上，當(dāng)探測(cè)信號(hào)f0+fc與f0-fc相鄰周期的信號(hào)進(jìn)入氫原子躍遷條件的誤差范圍內(nèi)后，原子躍遷的誤差信息經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后獲取，同樣經(jīng)過(guò)比例積分運(yùn)算后反饋至恒溫晶振的壓控電壓端調(diào)整晶振的輸出頻率，最終消除了相鄰周期的探測(cè)誤差，實(shí)現(xiàn)晶振輸出頻率鎖定在氫原子的躍遷頻率上。

被動(dòng)型氫鐘的探測(cè)信號(hào)用指數(shù)形式表示的函數(shù)Ainc如下。令：

Ainc=A0exp{i{[ω0+φc(t)]t}}

(1)

則：

Ainc=A0exp{i[ω0t+mg(t)]}

(2)

式中：A0為探測(cè)信號(hào)的幅度；ω0為探測(cè)信號(hào)的中心頻率；jc(t)為調(diào)制信號(hào)的函數(shù)；t為時(shí)間；m為調(diào)制指數(shù);g(t)為調(diào)制函數(shù)。

在單頻方案的被動(dòng)型星載氫鐘應(yīng)用中，調(diào)制信號(hào)函數(shù)jc(t)一般為正弦波；在雙頻方案中，jc(t)為按照一定周期跳動(dòng)的4個(gè)常數(shù)，兩兩一組分別用以探測(cè)微波腔以及原子信號(hào)，如圖2的工作模式。

圖2 探測(cè)信號(hào)工作時(shí)序Fig.2 Detection signal time sequence

2.2 誤差信號(hào)的特性分析

如上所述，微波腔及晶振兩路的探測(cè)信號(hào)以f0為中心頻點(diǎn)，在各自時(shí)間周期內(nèi)經(jīng)過(guò)物理系統(tǒng)后，攜帶著相應(yīng)的誤差信號(hào)輸出至電路系統(tǒng)。如圖1所示，經(jīng)過(guò)下變頻組件將頻譜搬移至中心頻點(diǎn)為 19.6 MHz 的中頻信號(hào)。

在探測(cè)信號(hào)初始饋入物理微波腔時(shí)，中心頻率偏差較大，無(wú)法激勵(lì)出微波腔誤差信號(hào)及晶振誤差信號(hào)，誤差自測(cè)信號(hào)顯示為噪聲。當(dāng)微波腔溫度穩(wěn)定后，變?nèi)荻O管控制電壓以及晶振壓控電壓進(jìn)入可控范圍后，被動(dòng)型星載氫原子鐘探測(cè)出來(lái)的輸出信號(hào)均為各自帶有幅度信息的調(diào)制信號(hào)，誤差信號(hào)示意如圖3所示。

圖3 誤差信號(hào)示意圖Fig.3 Schematic diagram of error signals

3 方案實(shí)現(xiàn)

3.1 誤差信號(hào)包絡(luò)檢波方案的實(shí)現(xiàn)

包含有兩種誤差信號(hào)的調(diào)幅波，載波信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻組件后頻譜被搬至19.6 MHz，再通過(guò)信號(hào)放大、積分濾波、包絡(luò)檢波、信號(hào)分離以及電平變換的方法從而實(shí)現(xiàn)誤差信號(hào)的分離、提取。信號(hào)流程如圖4所示。

在物理系統(tǒng)分別激勵(lì)出的T1和T2周期的晶振誤差信號(hào)和微波腔誤差信號(hào)由于相應(yīng)的探測(cè)信號(hào)功率相差11 dB，因此解調(diào)出的誤差信號(hào)功率也相差較大，故需要找到一個(gè)合適的包絡(luò)檢波二極管入口功率。方案中前級(jí)的中頻放大器以及阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)了電平的可調(diào)整性以及阻抗的50 Ω匹配，避免了因放大鏈路自激從而導(dǎo)致檢波二極管功率堵塞頂飽和。圖1中的下變頻組件與中頻放大器鏈路總增益共約75 dB，如阻抗匹配失配或中頻放大器在工程設(shè)計(jì)中接地效果不佳，則極易發(fā)生信號(hào)自激。

在二極管包絡(luò)檢波將圖3的誤差信息從調(diào)幅波以包絡(luò)的形式檢出后，直流電平較低，信號(hào)中可能混有串?dāng)_的載波信號(hào)以及復(fù)雜多變的系統(tǒng)噪聲，對(duì)誤差信號(hào)的采樣計(jì)算精度會(huì)有一定程度的影響，該影響足以惡化被動(dòng)型氫原子鐘輸出基準(zhǔn)信號(hào)的性能。故后級(jí)通過(guò)窄帶低通濾波器進(jìn)行濾波平滑。通過(guò)其S(2,1)參數(shù)仿真結(jié)果如圖5可知，方案中采用的濾波電路在載波頻點(diǎn)處約有45 dB的抑制能力，足以防止干擾信號(hào)對(duì)誤差信號(hào)檢波電平產(chǎn)生影響。

圖4 誤差信號(hào)提取分離框圖Fig.4 Block diagram of error signal’s extraction and separation

圖5 濾波特性Fig.5 Characteristics of filter

根據(jù)前文分析可知，因在T1和T2周期內(nèi)的探測(cè)信號(hào)的功率特性不一樣，故包絡(luò)檢波出的包絡(luò)電平也是有區(qū)別的。在T1周期內(nèi)的晶振誤差信號(hào)較弱，在T2周期內(nèi)的微波腔誤差信號(hào)較強(qiáng)，故在實(shí)現(xiàn)誤差分離前，需對(duì)解調(diào)出來(lái)的誤差信號(hào)進(jìn)行電平運(yùn)算，以滿足后級(jí)的采樣精度要求。因?yàn)槲锢硐到y(tǒng)的原子躍遷信號(hào)增益是有差異的，信號(hào)的信噪比同樣也有所區(qū)別，故包絡(luò)檢波的通道設(shè)計(jì)的原則是讓兩路誤差信號(hào)盡量清晰，并處在通道的線性區(qū)，不允許有失真情況存在。因此，設(shè)計(jì)了檢波濾波后的第一級(jí)運(yùn)算放大電路如圖6所示。因采取的是調(diào)幅信號(hào)負(fù)包絡(luò)檢波，故對(duì)解調(diào)出的包絡(luò)電平進(jìn)行反向放大。同時(shí)為了防止外部參考偏置電壓的抖動(dòng)或者噪聲對(duì)信號(hào)的提取有影響，圖6中+6 V外部參考偏置電壓源采用高精度穩(wěn)壓二極管獨(dú)立電路，有效地防止了上述可能的負(fù)面影響。

圖6 檢波后電平轉(zhuǎn)換電路Fig.6 Convertor circuit

圖6中，檢波電平偏置及放大輸出計(jì)算等式如下：

令

(3)

(4)

式中：Vc為外部參考偏置電平;Vout為誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大后的電平。則

(5)

分析式(4)得知，電路中的電阻R4決定了包絡(luò)檢波出的誤差信號(hào)的放大倍數(shù)，而Vc決定了誤差信號(hào)的直流偏置電平位置。根據(jù)不同的原子鐘的誤差信號(hào)特性，需要將誤差信號(hào)盡量放大清晰并處在合適的偏置電平位置。

3.2 誤差信號(hào)的分離提取

在完成了誤差信號(hào)包絡(luò)檢波及電平變換后，要考慮如何將T1和T2時(shí)間范圍內(nèi)的兩路誤差信號(hào)分離出來(lái)分別做處理。本研究采用的是三路二選一的模擬開(kāi)關(guān)CC4053來(lái)實(shí)現(xiàn)分離方案。原理如圖7所示。

圖7 誤差信號(hào)分離開(kāi)關(guān)原理圖Fig.7 Principle diagram of error signal separation switch

兩路經(jīng)過(guò)電平變換后的誤差信號(hào)通過(guò)第一路X(和Z通道并聯(lián)使用)通道后，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)S1將T1時(shí)間內(nèi)的晶振誤差信號(hào)從X1通路經(jīng)過(guò)隔直電容后取出，波形如圖3(b)所示；T2時(shí)間內(nèi)的腔頻誤差信號(hào)送入Y通道，并通過(guò)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)S2提取出T2周期時(shí)間內(nèi)的誤差信息同樣經(jīng)過(guò)隔直電容后取出，波形如圖3(b)所示,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了兩路誤差信號(hào)的分離。誤差信號(hào)分離控制時(shí)序需和探測(cè)信號(hào)頻點(diǎn)跳變時(shí)序一致，才能盡可能多的有效采集到誤差信號(hào)。

圖8 誤差信號(hào)分離控制時(shí)序Fig.8 Error signal separation control sequence

3.3 遙測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

被動(dòng)型星載氫原子鐘鎖定后的穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)是恒溫晶振鎖定在了氫原子的躍遷頻率上，該鎖定環(huán)路消除了上述的兩路誤差之一的晶振誤差，即圖3(b)中的A3及A4幅度值無(wú)限接近相等。在第1.4節(jié)中實(shí)現(xiàn)誤差分離后，根據(jù)兩路誤差信號(hào)的特性，再次分別進(jìn)行濾波放大。原子躍遷信號(hào)被鎖定后，由于幅度誤差被消除，物理系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的類似正弦波信號(hào)。同樣采用CC4053開(kāi)關(guān)，先通過(guò)X通道取出了誤差信號(hào)的正半周信號(hào)，其次對(duì)該正半周信號(hào)的峰值進(jìn)行了采樣保持，平滑濾波后作為遙測(cè)電壓輸出。該信號(hào)的遙測(cè)值除了反映星載氫原子鐘是否鎖定外，一定程度上反映了激蕩出的氫原子躍遷出的信號(hào)的質(zhì)量，是在軌時(shí)對(duì)星載氫原子鐘性能判斷的主要手段。

圖9 鎖定遙測(cè)生成原理圖Fig.9 Diagram of locking telemetry’s generation

圖10 遙測(cè)電壓采樣時(shí)序Fig.10 Telemetry voltage sampling sequence

4 結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)被動(dòng)型星載氫原子鐘物理部分輸出的調(diào)幅信號(hào)功率及下變頻組件鏈路增益計(jì)算后可知，中頻放大器入口調(diào)制電平總范圍約為-10～-32 dBm。通過(guò)輸入純載波信號(hào)(幅度不變，檢波后為固定電平)，設(shè)步進(jìn)為1 dBm，測(cè)出包絡(luò)檢波解調(diào)通道中第一級(jí)運(yùn)算放大器輸出電平的標(biāo)校情況如表1所示，均在通道的線性區(qū)內(nèi)。

現(xiàn)模擬物理部分輸出信號(hào)，通過(guò)信號(hào)模擬器生成載波19.6 MHz的AM調(diào)幅信號(hào)，調(diào)制信號(hào)25 Hz，調(diào)制深度設(shè)為40%，輸入調(diào)制信號(hào)波形如圖11所示。

表1 檢波電平標(biāo)校Tab.1 Voltage of detector

圖11 調(diào)制信號(hào)輸入波形Fig.11 Waveform of modulated signal

圖12 解調(diào)后誤差信號(hào)波形Fig.12 Error signal waveform after demodulation

5 結(jié) 論

本文研究了被動(dòng)型星載氫原子鐘雙頻方案的幅度調(diào)制誤差信號(hào)通過(guò)包絡(luò)檢波的實(shí)現(xiàn)方法，分析了如何將氫原子鐘兩路誤差信號(hào)分離提取。通過(guò)相關(guān)通道的理論分析以及驗(yàn)證測(cè)試表明，本方法能夠?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)型星載氫鐘兩路誤差調(diào)幅信號(hào)的精確解析，后續(xù)研究將考慮誤差調(diào)幅信號(hào)數(shù)字解調(diào)的方案，其優(yōu)點(diǎn)是硬件資源使用較少，控制時(shí)序配置更加靈活，且更加有利于實(shí)現(xiàn)后續(xù)的原子鐘小型化設(shè)計(jì)。