主動(dòng)型氫原子鐘數(shù)字電路控制系統(tǒng)研究

胡旺旺，王瑞，帥濤，陳鵬飛，裴雨賢，趙陽，潘曉燕，徐昊天，楊士濤

主動(dòng)型氫原子鐘數(shù)字電路控制系統(tǒng)研究

胡旺旺1,2，王瑞1，帥濤2，陳鵬飛2，裴雨賢2，趙陽2，潘曉燕2，徐昊天2，楊士濤3

（1. 上海大學(xué)，上海 200444；2. 中國科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030；3.中國科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 200120）

主動(dòng)型氫鐘在頻率穩(wěn)定度和漂移率等方面優(yōu)于目前在軌的星載被動(dòng)型氫鐘，但是存在體積重量較大的缺點(diǎn)。為進(jìn)一步降低電路部分重量，本文提出一種基于數(shù)字電路的系統(tǒng)控制方法。該方法通過分析影響主動(dòng)型氫原子鐘頻率穩(wěn)定度的因素，使用數(shù)字檢波、數(shù)字下變頻、數(shù)字鎖相環(huán)等數(shù)字化方式進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧和晶振鎖相，提高了電路系統(tǒng)集成度和靈活度，降低了電路體積和重量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的數(shù)字電路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了恒溫晶振頻率的鎖定和諧振腔諧振頻率的鎖定，其秒頻率穩(wěn)定度為2.6×10-13，較模擬電路控制系統(tǒng)提升了30%，萬秒頻率穩(wěn)定度指標(biāo)接近，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。該方案可用于下一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星載氫鐘設(shè)計(jì)，也可用于深空探測和脈沖星計(jì)時(shí)等應(yīng)用場景。

主動(dòng)型氫原子鐘；數(shù)字電路；腔自動(dòng)調(diào)諧；頻率穩(wěn)定度

0 引言

星載原子鐘是現(xiàn)代導(dǎo)航衛(wèi)星的核心單機(jī)，決定了導(dǎo)航衛(wèi)星信號播發(fā)性能和導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度[1]。在衛(wèi)星上常用的原子鐘有銣鐘、銫鐘和氫鐘，其中氫鐘的漂移較小，穩(wěn)定度最好。超過一半以上的北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星采用被動(dòng)型氫鐘作為主鐘，從地面和在軌測試數(shù)據(jù)上看，氫原子鐘的高穩(wěn)定特性有效支撐了高精度星歷預(yù)報(bào)和數(shù)天量級守時(shí)功能[2]。

氫原子鐘短期穩(wěn)定度優(yōu)異，但由于頻率漂移的影響，長期穩(wěn)定度不如毫秒脈沖星信號。因此，通過脈沖星信號對氫原子鐘的檢測、校準(zhǔn)和駕馭，能將兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，建立一種既能保持原子鐘短期穩(wěn)定度優(yōu)勢，又具有脈沖星長期穩(wěn)定度優(yōu)勢的時(shí)間尺度[3]，為衛(wèi)星長時(shí)間自主運(yùn)行提供技術(shù)支撐，提高衛(wèi)星的空間守時(shí)性能，可用于下一代導(dǎo)航衛(wèi)星及PNT（positioning，navigation，and timing）技術(shù)相關(guān)的衛(wèi)星。脈沖星信號駕馭原子鐘的一種可實(shí)現(xiàn)的流程如下：利用高靈敏度的接收機(jī)接收脈沖星信號，信號接收處理設(shè)備以原子鐘為參考記錄觀測時(shí)間，將一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)通過消色散與周期折疊等處理，得到積分脈沖輪廓；將平滑降噪后的積分脈沖輪廓與標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓互相關(guān)，得到脈沖到達(dá)接收機(jī)處的時(shí)間（time of arrival，TOA）；將到達(dá)接收機(jī)處的TOA轉(zhuǎn)換至脈沖到達(dá)太陽系質(zhì)心（solar system barycenter，SSB）處的TOA；將SSB處測量的TOA與脈沖星模型預(yù)報(bào)的TOA比較，得到計(jì)時(shí)殘差[4-5]；信號接收處理設(shè)備根據(jù)計(jì)時(shí)殘差輸出頻率/相位調(diào)整信息至原子鐘，原子鐘根據(jù)反饋量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，并對外輸出高穩(wěn)定度、高精度的頻率信號。

由于被動(dòng)型氫鐘相對于地面守時(shí)型氫鐘在穩(wěn)定度和漂移率等方面存在一定差距，目前難以支撐衛(wèi)星數(shù)十天量級的高精度守時(shí)性能，因此開展性能指標(biāo)更高的主動(dòng)型星載氫原子鐘研究工作很有必要。地面主動(dòng)型氫鐘由于其體積、重量較大，目前難以適應(yīng)以導(dǎo)航衛(wèi)星為代表的大部分衛(wèi)星平臺(tái)，需要進(jìn)行輕量化改進(jìn)[6]。氫鐘電路是氫原子鐘的重要部分，實(shí)現(xiàn)了微波諧振腔和晶振的鎖定以及高穩(wěn)定度頻率信號的輸出。電路系統(tǒng)數(shù)字化、集成化是航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。上海天文臺(tái)前期研制的地面型主動(dòng)型氫鐘諧振腔和晶振控制電路為模擬電路形式，模擬電路體積大，調(diào)試較為繁瑣，不易在軌監(jiān)測和重構(gòu)，使用數(shù)字電路控制能避免上述問題。

1 頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是衡量氫原子鐘性能的一個(gè)重要指標(biāo)，主動(dòng)型氫原子鐘10 s內(nèi)的穩(wěn)定度受電路噪聲影響，其中電路熱噪聲功率可用式（1）表示：

氫鐘10 s以上的頻率穩(wěn)定度在時(shí)域上的表征可簡單表示為式（2）：

為了改善氫鐘的頻率穩(wěn)定度，氫鐘物理部分通過采用多層高性能磁屏蔽系統(tǒng)保證靜態(tài)磁場的穩(wěn)定[11]；氫鐘電路部分通過腔自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)將微波腔的諧振頻率鎖定至氫原子躍遷頻率上抑制腔牽引效應(yīng)，通過恒溫控制系統(tǒng)維持諧振腔溫度穩(wěn)定從而降低二階多普勒效應(yīng)的影響，通過鎖相系統(tǒng)將晶振頻率鎖定保證了短期頻率穩(wěn)定度。

2 腔自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)

微波諧振腔是氫原子鐘的核心，為了標(biāo)準(zhǔn)10 MHz信號的輸出不發(fā)生頻偏，晶振和諧振腔諧振的頻率都必須鎖定準(zhǔn)確[12]。目前主動(dòng)型氫原子鐘常使用外部探測信號注入和腔頻切換這兩種方式進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧，采用鎖相系統(tǒng)對晶振進(jìn)行鎖相。

2.1 外部探測信號調(diào)諧

上海天文臺(tái)的SOHM-4型主動(dòng)型氫原子鐘使用外部探測信號注入的方式進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧，混頻后的探測信號可用式（3）表示：

圖1 外部探測信號調(diào)諧原理圖

2.2 腔頻切換調(diào)諧

俄羅斯的VCH-2020型主動(dòng)型氫原子鐘和美國的MHM-2020型主動(dòng)型氫原子鐘都使用腔頻切換的方式進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧，諧振腔的諧振頻率可用式（4）表示：

圖2 腔頻切換調(diào)諧原理圖

使用外部信號注入方式進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)是左右探測信號的功率比脈澤信號功率高10 dB以上，調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)時(shí)信噪比高，其缺點(diǎn)是左右探測信號周期性變化會(huì)對脈澤信號產(chǎn)生擾動(dòng)，影響晶振的鎖定，對輸出頻率的短期頻率穩(wěn)定度不利；腔頻切換方式調(diào)諧對輸出頻率的短期穩(wěn)定度幾乎沒有影響，由于只使用變?nèi)荻O管控制和切換腔頻，不需要探測信號模塊和上變頻模塊，簡化了電路設(shè)計(jì)，電子學(xué)噪聲相對更小，其缺點(diǎn)是變?nèi)荻O管存在非線性，會(huì)對輸出頻率的長期穩(wěn)定度產(chǎn)生影響[18-19]。

3 電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氫原子鐘電路控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)微波腔和壓控晶振的鎖定以及高穩(wěn)定度的10 MHz頻率信號輸出。通過對功能相近的模塊整合，使用高性能數(shù)字芯片，電路進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，主動(dòng)型氫鐘的數(shù)字電路原理樣機(jī)如圖3所示，其尺寸為50 cm×23 cm×6 cm，SOHM-4腔調(diào)諧模塊和接收機(jī)模塊的尺寸分別為40 cm×13 cm×12 cm，33 cm×21 cm×10 cm。由此可見，主動(dòng)鐘電路經(jīng)過模塊化數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，體積得到了明顯降低。

圖3 數(shù)字電路原理樣機(jī)

3.1 數(shù)字電路調(diào)諧系統(tǒng)

使用外部探測信號方式進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧的系統(tǒng)方框圖如圖4所示，信號流程如下：數(shù)字電路通過直接數(shù)字頻率合成器（direct digital synthesizer，DDS）產(chǎn)生20.405 MHz±25 kHz的中頻信號，中頻信號經(jīng)過上變頻模塊后輸出1420.405MHz±25 kHz的探測信號。氫鐘輸出的脈澤信號頻率為1420.405 751MHz，為避免產(chǎn)生同頻干擾，探測信號和脈澤信號經(jīng)過下變頻模塊后輸出19.595 MHz±25 kHz的中頻信號，19.595 MHz±25 kHz的中頻信號經(jīng)AD（analog to digital）采樣后進(jìn)入FPGA處理平臺(tái)；在FPGA（field programmable gate array）內(nèi)進(jìn)行數(shù)字下變頻、數(shù)字濾波及同步檢波后分為兩路，腔體環(huán)路通過檢測微波諧振腔探測后輸出的幅度誤差，經(jīng)過諧振腔伺服模塊輸出DA（digital to analog）控制信號至氫鐘物理部分的變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)對微波諧振腔頻率的鎖定。

圖4 外部探測信號調(diào)諧系統(tǒng)框圖

圖5 腔頻切換調(diào)諧系統(tǒng)框圖

3.2 數(shù)字鎖相系統(tǒng)

鎖相環(huán)是一種閉環(huán)相位跟蹤系統(tǒng)，其具有良好的窄帶跟蹤特性，能夠在低信噪比的環(huán)境中提取出信號[20]。在晶振鎖定環(huán)路中，使用數(shù)字鎖相環(huán)將晶振輸出信號的頻率和相位與氫原子鐘輸入信號的頻率和相位保持同步。

數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)由鑒相器，低通濾波器和壓控振蕩器三部分組成。通過本地產(chǎn)生信號與輸入信號相乘完成鎖相環(huán)的鑒相功能。在FPGA中實(shí)現(xiàn)FIR（finite impulse response）數(shù)字低通濾波時(shí)由于大量使用乘法消耗資源多，而移動(dòng)平均濾波器只使用加法運(yùn)算簡單，更有利于信號的處理[21]。點(diǎn)移動(dòng)平均濾波器的傳遞函數(shù)可用式（5）表示：

頻率響應(yīng)如式（6）所示：

通過對物理部分諧振腔等系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，電路部分進(jìn)行模塊化數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，新型主動(dòng)型氫鐘的體積和重量得到了明顯降低，上海天文臺(tái)的地面主動(dòng)型氫鐘和新型輕量化主動(dòng)型氫鐘對比如圖7所示。

圖7 主動(dòng)型氫原子鐘對比

4 實(shí)驗(yàn)分析

新型輕量化主動(dòng)型氫鐘使用外部信號探測和腔頻開關(guān)切換兩種方式進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧，通過數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)行鎖相。將主動(dòng)型氫鐘鎖定后輸出的10 MHz標(biāo)準(zhǔn)信號引出作為被測信號，VCH-1003M型氫鐘輸出的信號作為參考信號，使用頻率比較器VCH-314測量其頻率穩(wěn)定度。

主動(dòng)型氫鐘電路通過DAC（digital to analog convertor）芯片產(chǎn)生晶振和諧振腔的控制電壓，使用線性穩(wěn)壓電源芯片降低電源紋波，選擇低溫漂、低噪聲電子元器件，有效降低了數(shù)字噪聲對氫鐘頻率穩(wěn)定度的影響。在FPGA中固定DAC數(shù)字控制量，通過高精度數(shù)據(jù)采集儀采集輸出的電壓波動(dòng)如圖8所示。電路疊加噪聲電壓峰峰值為30 μV，此電壓波動(dòng)引起晶振頻率穩(wěn)定度變化2.35×10-13，引起諧振腔頻率變化0.02 Hz，滿足諧振腔變化小于0.05 Hz/d的要求。

圖8 DAC噪聲電壓

使用Xilinx內(nèi)部的邏輯分析儀ChipScope Pro對晶振和諧振腔鎖定環(huán)路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和軟件調(diào)試。晶振環(huán)路的誤差曲線如圖9所示，氫原子鐘的秒穩(wěn)由晶振決定，因此需要晶振在秒量級內(nèi)快速鎖定。隨著晶振環(huán)路和腔體環(huán)路的誤差量逐漸減小到0，氫鐘處于鎖定狀態(tài)，此時(shí)電路產(chǎn)生高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的10 MHz頻率信號。

圖9 晶振環(huán)路的誤差曲線

使用不同的腔調(diào)諧方式和不同的頻率調(diào)制深度進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧，采樣間隔為1s，將采集到的數(shù)據(jù)在Stable32軟件中進(jìn)行處理，比較各模式下的頻率穩(wěn)定度。通過表1對比可知，使用25 kHz調(diào)制深度的外部探測信號調(diào)諧時(shí)，主動(dòng)型氫原子鐘輸出的1 000 s頻率穩(wěn)定度較好。

表1 主動(dòng)型氫原子鐘中短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)

SOHM-4地面主動(dòng)型氫鐘尺寸為110 cm×54 cm×73 cm，重量約為220 kg，功耗約為200 W[13]。與之相比，星載被動(dòng)型氫鐘最大外形尺寸僅為52 cm×24 cm×26 cm，重量為23 kg，穩(wěn)態(tài)功耗約為60 W。新型輕量化主動(dòng)型氫鐘的體積功耗與23 kg被動(dòng)型氫鐘相差不大。在同樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，利用VCH-314測量25 kHz調(diào)制深度的新型輕量化主動(dòng)型氫鐘（AHM）與23 kg被動(dòng)型氫鐘（PHM）的頻率穩(wěn)定度，兩者的Allan方差曲線對比如圖10所示。其中，被動(dòng)型氫鐘秒穩(wěn)定度為9.4×10-13，萬秒穩(wěn)定度為1.0×10-14，主動(dòng)型氫鐘秒穩(wěn)定度為2.6×10-13，萬秒穩(wěn)定度為2.6×10-15，新型輕量化主動(dòng)型氫鐘的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)均優(yōu)于23 kg被動(dòng)型氫鐘。

圖10 氫原子鐘的Allan方差曲線

5 結(jié)論

本文使用數(shù)字電路形式對主動(dòng)型氫原子鐘電路系統(tǒng)進(jìn)行了小型化和輕量化的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了兩種方式的腔自動(dòng)調(diào)諧和晶振鎖相，完成了整機(jī)閉環(huán)。測試結(jié)果表明，使用數(shù)字電路進(jìn)行腔自動(dòng)調(diào)諧方式的氫鐘秒穩(wěn)定度為2.6×10-13，優(yōu)于使用模擬電路的SOHM-4型氫原子鐘的4.8×10-13；萬秒穩(wěn)定度為2.6×10-15，使用模擬電路的SOHM-4型氫原子鐘的萬秒穩(wěn)定度為3.2×10-15，兩者相差不大，初步驗(yàn)證了數(shù)字電路控制系統(tǒng)的可行性。此后將繼續(xù)對外部信號探測方式的腔自動(dòng)調(diào)諧程序進(jìn)行參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，對微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧方式的腔自動(dòng)調(diào)諧進(jìn)行分析與改進(jìn)，對數(shù)字電路進(jìn)行長期穩(wěn)定性測試，以更好適用于主動(dòng)型氫原子鐘。

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Research on digital circuit control system of active hydrogen maser

HU Wang-wang1,2, WANG Rui1, SHUAI Tao2, CHEN Peng-fei2, PEI Yu-xian2,ZHAO Yang2, PAN Xiao-yan2, XU Hao-tian2, YANG Shi-tao3

(1. Shanghai University, Shanghai 200444, China;2. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;3. Innovation Academy for Microsatellites of Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200120, China)

The active hydrogen maser is better than the current in orbit space passive hydrogen maser in terms of frequency stability and drift rate, but it has the disadvantage of big volume and large weight. In order to further reduce the weight of the circuit part, we propose a systematic control method based on digital circuits. By analyzing the factors that affect the frequency stability of the active hydrogen maser, this method uses digital methods such as digital demodulation, digital down-conversion, digital phase-lock loop to perform cavity auto-tuning and crystal oscillator phase-locking. It improves the integration and flexibility of the circuit system. It reduces circuit volume and weight. The experimental results show that the designed digital circuit control system has achieved the frequency locking of the constant temperature crystal oscillator and the resonant frequency locking of the cavity. Its frequency stability is 2.59×10-13at 1 second, which is 30% lower than that of the analog circuit control system. The frequency stability at 10 000 seconds is close to that of the analog circuit control system. It has certain practical engineering value. This scheme can be used in the design of hydrogen maser for next-generation Beidou navigation space satellites and can also be used in application scenarios such as deep space exploration and pulsar timing.

active hydrogen maser;digital circuit; cavity auto tuning; frequency stability

胡旺旺，王瑞，帥濤, 等. 主動(dòng)型氫原子鐘數(shù)字電路控制系統(tǒng)研究[J]. 時(shí)間頻率學(xué)報(bào), 2023, 46(3): 227-236.

10.13875/j.issn.1674-0637.2023-03-0227-10

2023-02-25；

2023-06-29

中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)資助項(xiàng)目（2020264）