频率振荡器稳定度优化装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及频率振荡器领域，具体涉及一种基于自参考的频率振荡器稳定度优化 装置及方法。
【背景技术】
[0002] 人造时钟计时的发展从日替到原子钟，历经了几千年。早期的计时主要用于天象 的预测等；十八世纪中期，计时开始应用于航海中对经度的测量；经过不懈的努力，人们逐 渐意识到，精确计时的主要目的是保持时间同步，而计时的稳定度则成为定位精度的决定 因素。
[0003] 现代的原子钟计时始于20世纪50年代。世界上第一台锥束原子频率标准的诞生， 导致了 1967年国际上新的"砂"定义的建立，即由依照天体运动定义的"天文砂"改变为使 用原子钟复现的"原子砂"，并开创了人类时间测量和守时的新纪元。
[0004] 锥束频率标准投入实际应用之后，无论是设备的原理、结构等物理特性，还是频率 准确度、稳定度等技术指标，都在不断改善和提高。20世纪80年代，人们根据激光冷却和离 子囚禁理论研制出锥原子喷泉钟，稳定度达2. 8X10ISTI/2,极大提高了时间测量的精度， 成为主要的计时和守时工具。目前，光钟的研究也有突破性进展，但仍需长期持续的努力。
[0005] 典型的被动型频率标准，采用原子特定能级跃迁福射的电磁波频率作为本地振荡 器的参考频率，进行频率或相位锁定，从而获得标准频率信号。其相对频率稳定度由阿伦偏 差表征，可表示为
[0007] 送里，V。为频率信号的标称频率；〈Av2(T)>为频率的一阶差分的无限时间平均； SNR为信噪比；T。为鉴频周期；Q为品质因数；T为积分时间。该频率标准，提高其稳定度的 主要方法是提高信噪比SNR或提高自由演化时间Tk=Tt/2。其中，信噪比SNR正比于V嘴， N为原子数。但是，在实际应用中，本地振荡器的频率波动远高于由原子退相干引入的相位 噪声，成为影响频率稳定度的重要因素。
[0008] 对于主动型频率标准，其相对频率稳定度可表示为
[0010] 送里，ke为波尔兹曼常数；T为环境温度；P为频率振荡器的实际功率；T为积分 时间。该频率稳定度主要决定于热噪声引起的相位波动，且正比于S/s序。
[0011] 由W上分析可W看出，目前所使用的频率标准，其频率稳定度在短期的积分时间 内，均表现为Oy(T)OCl/s/7的特征，即随时间延续，随机噪声、温度等将会引起频率漂移， 其稳定性逐渐下降。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于提出了 一种基于自参考的频率振荡器稳定度优化装置及方法， 采用了持续将频率振荡器当前时刻的相位锁定于相隔固定时间的前一时刻的相位，从而改 善了频率振荡器随时间延续，由随机噪声、温度、老化等引起的频率漂移的情况，使频率振 荡器的稳定度得到显著提升。
[0013]为了达到上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0014] 一种基于自参考的频率振荡器稳定度优化装置，所述装置包括；频率振荡器，用于 产生频率信号；相位存储单元，用于存储频率振荡器产生的频率信号当前时刻的相位，并延 迟一个固定的时间单元；锁相单元，用于将频率振荡器产生的频率信号的相位，锁定于相位 存储单元所存储的一个延迟时间单元之前的时刻的相位。
[0015] 一种基于自参考的频率振荡器稳定度优化方法，所述方法包括：利用相位存储单 元存储频率振荡器产生的频率信号当前时刻的相位，并延迟一个固定的时间单元，同时利 用锁相单元持续地将频率振荡器当前时刻产生的频率信号的相位，锁定于相位存储单元所 存储的间隔一个延迟时间单元的前一时刻的相位。
【附图说明】
[0016] 图1显示了本发明的基于自参考的频率振荡器稳定度优化装置的典型实施例的 结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合【具体实施方式】并参 照附图，对本发明进一步详细说明。
[0018] 图1显示了本发明提出的基于自参考的频率振荡器稳定度优化装置，所述装置包 括；频率振荡器1，用于产生频率信号；相位存储单元2,用于存储频率振荡器1产生的频率 信号当前时刻的相位，并延迟一个固定的时间单元；锁相单元3,用于将频率振荡器1产生 的频率信号的相位，锁定于相位存储单元2所存储的间隔一个延迟时间单元的前一时刻的 相位。
[0019] 由频率振荡器1产生的频率信号的相位表示为
[0020]
[002。其中，U。为该频率信号的标称角频率；巧(0为该频率信号的相位随时间的变化 项。
[0022] 根据阿伦偏差的定义，该频率信号的稳定度由阿伦偏差可表示为
[0023]
[0024] 其中，T为阿伦偏差的积分时间；V。= (〇。/231为该频率信号的标称频率；〈Ay2(T)>为频率数据的一阶差分的无限时间平均，其定义为
[002引 {边取气诗》为相位变化项的一阶差分的无限时间平均，其定义为
[0027]
[002引需要说明的是，通常情况下，可W假定皆（0为平稳随机函数，且各态遍历，其无限 时间平均可由单一样本函数的时间平均得到。
[0029] 由相位存储单元2存储频率振荡器1在t时刻产生的频率信号的相位值0(0,并 延迟一个固定的时间单元T。后，由锁相单元3将频率振荡器1在t+T。时刻产生的频率信号 的相位0(t+r〇)，锁定于相位存储单元2所存储的t时刻的相位0(t)，即得到
[0030]
[00引]目P
[0032]
[0033] 送里，C为某一确定不变的数；锁相单元2对频率振荡器1进行锁相的过程为平 稳过程，5 0 (t)为t时刻锁相过程所产生的随机误差。需要说明的是，通常情况下，锁相 过程产生的随机误差5 0远小于频率振荡器相位扰动项在延迟时间单元内的变化A(p，即 50《A(p，且延迟时间单元T。远大于对频率振荡器进行一次锁相过程所需的时间。
[0034] 需要说明的是，本发明中，只要实现当前时刻的相位相对于存储的相位锁定即可， 并不严格要求其相位完全相等。因此，为了表述方便，在本发明中略去固定的相位差项C，送 样上式可简化为
[0035] +r〇)二(Kt) + 50似 +w〇r〇
[0036] 令T〇 =化31/CO0,上式可进一步化简为
[0037] (p(t+Tq) =(p(t) +S6(t) + 2kn=(p(t) +S6(t)
[0038] 送里，k是任意不变的正整数。需要说明的是，本发明所述的相位存储单元2可W 产生任意固定的延迟时间单元T。，不在本发明讨论之列。
[0039] 任意的阿伦偏差的积分时间可表示为
[0040] T=NVT'
[0041] 送里，N为正整数，0《T' <T。。当锁相单元3锁定时，可计算得
[0042] {A(p^(r)) = {A(p^(r')) +NSO^?^(P〇^+NSO^[0043] 需要说明的是，〈A(^2(y)〉随T'的变化而变化，A抑2为其在T'取值范围内 的最大值。例如，当的变化为一扩散过程，即〈A(^2〇')〉二Dt'，其中D为扩散系数，则A(^〇2二DTo。由此，所述频率信号的阿伦偏差可表示为[0044]
[004引 由上式可W看出：[0050] 当T< <T。化由于(诚《A(p,进卿//权)(>2石2 ? (泌2/叫)27(作，所述频
[0045] 令
[0046]
[0047] 可得
[0048] 率振荡器1产生的频率信号的稳定度由么巧^,2/6记21" 2起主导作用，且随时间的变化为 Oy(T)OC1/T；
[005" 当T=T。化好y树-Vl沒沪/妨0 了日泣癸狂；
[00閲当T>>T。化在举02/刪27：2《502/0)0 2T0t:，所述频率振荡器1产生的频 率信号的稳定度由5 0 ^COc2TcT起主导作用，且随时间的变化为Oy(Z)OC1/S/i。
[0053] 本发明还提供了一种基于自参考的频率振荡器稳定度优化方法，该方法通过上面 介绍的基于自参考的频率振荡器稳定度优化装