分子钟校准的制作方法

分子钟校准


背景技术：

1.分子或原子钟包括带有发射器、物理单元和接收器的信号通道，并且基 准振荡器向发射器的输入提供基准信号。分子钟包括反馈路径，用于基于来 自分子钟环路的误差信号校正基准振荡器的频率。然而，信号通道中的漂移、 误差信号和/或噪声不能通过闭环中的校准进行校正。


技术实现要素：

2.在一个方面，一种电子设备包括振荡器输入端子、输出端子、物理单元、 接收器和发射器。接收器的输入耦合到物理单元的输出。发射器具有信号输 入、信号输出、模数转换器(adc)、锁相环(pll)、输出时钟电路和控制器。 信号输入耦合到接收器的输出。信号输出耦合到物理单元的输入。adc的输 入耦合到信号输入。pll的基准输入耦合到振荡器输入端子，pll的输出耦 合到发射器的信号输出。控制器的输入耦合到adc的输出。控制器的第一控 制输出耦合到pll的控制输入。输出时钟电路的控制输入耦合到控制器的第 二控制输出。输出时钟电路的基准输入耦合到振荡器输入端子。输出时钟电 路的输出耦合到输出端子。控制器被配置为基于控制器的输入处的信号在第 一控制输出处提供第一除数值。控制器被配置为基于控制器的输入处的信号 在第二控制输出处提供除数值。
3.在另一方面，一种电子设备包括振荡器输入端子、输出端子、物理单元、 接收器和发射器。接收器的输入耦合到物理单元的输出。发射器具有信号输 入、信号输出、adc、pll和控制器。信号输入耦合到接收器的输出。信号 输出耦合到物理单元的输入。adc的输入耦合到信号输入。pll的基准输入 耦合到振荡器输入端子。pll的输出耦合到发射器的信号输出。控制器的输 入耦合到adc的输出。控制器的第一控制输出耦合到pll的控制输入。控制 器的第二控制输出耦合到输出端子。控制器被配置为基于控制器的输入处的 信号在第一控制输出处提供第一除数值。控制器被配置为基于控制器的输入 处的信号在第二控制输出处提供第二除数值。
4.在另一方面，一种方法包括向pll的基准输入和输出时钟电路的基准输 入提供振荡器输出信号；向pll的控制输入提供第一除数值，以基于接收器 输出信号调节包括物理单元、接收器和pll的闭环；以及向输出时钟电路的 控制输入提供第二除数值，以基于接收器输出信号控制输出时钟信号的输出 频率。
附图说明
5.图1是具有处于闭环中的pll、发射器、物理单元和接收器以及提供输 出时钟信号的输出时钟电路的时钟系统的示意图。
6.图1a是示例pll电路的示意图。
7.图2示出了一种方法的流程图。
8.图3是背景环路增益校准过程示例的流程图。
9.图4是物理单元的分子吸收随频率变化的曲线图。
10.图5是环路增益校准中的阶跃频率扰动的曲线图。
11.图6是环路增益校准中闭环接收器对扰动的响应的曲线图。
12.图7是环路增益校准中误差信号随频移变化的曲线图。
13.图8是基线斜率校准过程示例的流程图。
14.图9-图11是基线斜率校准中误差信号随逐渐增大的调制深度的频率变化 的曲线图。
15.图12是基准振荡器相位噪声校准过程示例的流程图。
16.图13是基准振荡器相位噪声随调谐参数变化的曲线图。
17.图14是基准振荡器相位噪声随调谐参数变化的另一曲线图。
18.图15是振荡器温度校准示例的流程图。
19.图16是振荡器频率温度系数的曲线图。
20.图17是频率变化随温度斜坡阶跃而变化的曲线图。
21.图18是不同振荡器温度的温度漂移的曲线图。
22.图19是另一时钟系统的示意图，该系统具有闭环中的pll、发射器、物 理单元和接收器，以及提供输出时钟信号的输出时钟电路。
具体实施方式
23.在附图中，相同的附图标记始终指代相同的元件，并且各种特征部不一 定按比例绘制。此外，术语“耦合”包括间接或直接电气或机械连接或其组 合。例如，如果第一设备耦合到第二设备或与第二设备耦合，则该连接可以 通过直接电连接，或者通过经由一个或多个中间部件和/或设备和连接的间接 电连接。下文将在功能的背景中描述各种电路、系统和/或部件的一个或多个 操作特性，在某些情况下，这些功能是由在电路通电和操作时的各种结构的 配置和/或互连产生的。
24.首先，参考图1和图1a，图1示出了具有分子钟电子设备101的时钟系 统100。图1a示出了示例pll电路。电子设备101包括物理单元102、接收 器106、发射器110、振荡器控制输出端子111、振荡器输入端子112和输出 端子116。电子设备101及其示意性图示的电路是内部电路部件或包括内部电 路部件，诸如晶体管、电阻器、电容器、编程的和/或可编程处理或逻辑电路 以及配置为实施本文所述功能的部件。
25.物理单元102具有输入103和输出104。接收器106具有输入107和输出 108。接收器106的输入107耦合到物理单元102的输出104。发射器110具 有信号输出114和信号输入118。系统100包括具有控制输入121和信号输出 122的基准振荡器120。基准振荡器120的控制输入121耦合到振荡器控制输 出端子111。基准振荡器120的信号输出122耦合到振荡器输入端子112。
26.接收器106包括低噪声放大器124(例如，标记为“lna”)、平方律检测 器126(例如，标为“x
2”)和基带放大器128(例如，标记为“bb”)。低噪 声放大器124的输入耦合到输入107，并且低噪声放大器122的输出耦合到平 方律检测器126的输入。平方律检测器126的输出耦合到基带放大器128的 输入。基带放大器128的输出耦合到接收器106的输出108。接收器106以及 低噪声放大器124、平方律检测器126及其基带放大器128接收来自物理单元 102的输出104的信号，并响应于并至少部分基于来自物理单元101的信号在 输出108处生
成或以其它方式提供模拟接收器输出信号rxout。
27.低噪声放大器124、平方律检测器126和基带放大器128是或包括射频 (rf)电路。在一个示例中，低噪声放大器124在分子频率(例如120ghz) 附近工作。在另一个示例中，根据平方律检测器126的性能，可以省略低噪 声放大器124。在一个示例中，平方律检测器126是检测进入的rf信号的功 率和幅度并执行幅度解调的标准平方律检测器。在一个示例中，输入为 120ghz，平方律检测器126的输出仅为幅度调制。在一个示例中，发射器的 乘法器150以分子钟环路的调制频率(例如5khz或接近dc)对提供给物理 单元102的信号进行幅度调制。基带放大器128放大来自平方律检测器126 的信号，以改进adc 136的性能。在另一实施方式中，例如，依据adc 136 的性能，基带放大器128被省略，adc 136可以包括内部自动增益控制(agc) 电路。
28.发射器110包括控制器130(例如，标记为“微控制器”)、模数转换器 136(例如，标示为“adc”)、pll 140(例如，标记为“frac-n pll”)、倍 频器150(例如，标记为“x 24”)、低通滤波器160(例如，标记为“lpf”)， 以及输出时钟电路170(例如，标记为“fod或pll”)。发射器110的控制 器130、pll 140和倍频器150与物理单元102和接收器106闭环耦合。输出 时钟电路170提供具有输出频率的输出时钟信号fout。
29.控制器130具有输入131、第一控制输出132、基准控制输出133、第二 控制输出134和输出135。控制器130的输出135耦合到接收器106。adc 136 具有输入和输出138。在一个示例中，控制器130经由输出135向接收器106 提供一个或多个控制信号，例如，从而校准接收器106的参数。例如，如果 低噪声放大器124或基带放大器128的增益相对于温度存在已知的下降，则 响应于控制器130确定温度已经足够漂移，控制器130经由输出135向接收 器106发送数字信号，以控制增益来补偿该增益损失。在另一个示例中，控 制器130通过响应于在控制器输入131处从adc 136的输出138接收的转换 的值来调整放大器124、128中的一个或两个的增益来执行自动增益控制，该 转换的值为低振幅，以利用adc 136中的更多输入范围。
30.还参考图1a，pll 140具有控制输入141、基准输入142和输出143。pll 140包括相位频率检测器电路144，其具有耦合到基准输入142的第一输入、 第二输入和耦合到电荷泵145的输出。电荷泵145的输出耦合到模拟低通滤 波器电路146(例如标记为“lpf”)。电荷泵在其输出处生成误差信号error， 并且低通滤波器电路146向压控振荡器147(例如标记为“vco”)提供滤波 后的误差信号。压控振荡器147的输出耦合到pll输出143。vco被配置为 在输出143处提供闭环频率输出信号fcl。pll 140还包括除法器电路148(例 如，标记为
“÷
n”)，其具有耦合到pll输出143的输入、耦合到相位频率 检测器电路144的第二输入的输出以及控制输入。pll 140还包括调制除数控 制电路149，诸如存储器寄存器，其具有耦合到pll 140的控制输入141的输 入，以及设置或向除法器电路148提供整数除数n的输出。
31.如图1进一步所示，倍频器150具有耦合到pll 140的输出143的输入152和耦合到发射器110的输出114的输出。低通滤波器160具有输入161和 输出162。输出时钟电路170具有控制输入171、基准输入172和输出173。 pll 140的基准输入142耦合到振荡器输入端子112，并且pll 140的输出143 耦合到发射器110的信号输出114。
32.低通滤波器160的输入161耦合到控制器130的第二控制输出134。低通 滤波器160的输出162耦合到输出时钟电路170的控制输入171。在另一实施 方式中，省略了低通滤波
器160，并且控制器130的第二控制输出134直接耦 合到输出时钟电路170的控制输入171。输出时钟电路170的控制输入171耦 合到控制器130的第二控制输出134。输出时钟电路170的基准输入172耦合 到振荡器输入端子112。输出时钟电路170的输出173耦合到输出端子116。 控制器130的第一控制输出132耦合到pll 140的控制输入141。
33.控制器130的基准控制输出133耦合到振荡器控制输出端子111。在一个 示例中，控制器130在基准控制输出133处提供基准控制信号refcon，以 控制基准振荡器120的振荡器操作参数，诸如温度、频率、噪声调谐等。在 一个示例中，基准控制信号refcon是数字信号，例如作为一个或多个命令 消息从控制器130通过数字控制总线传送到基准振荡器120。在一个实施方式 中，基准振荡器120包括用于控制振荡器电路的温度的加热元件，并且基准 控制信号refcon控制振荡器温度，例如，用于温度校准操作，如下所述。 在该实施方式或另一实施方式中，基准控制信号refcon控制基准振荡器120 的噪声调谐参数，例如以控制或增强噪声性能。在该实施方式或另一实施方 式中，基准控制信号refcon设置或控制基准振荡器120的粗频率调整特征， 例如，使振荡器输出信号的频率足够接近以用于分子钟环路操作(例如，在 几个ppm以内)。
34.基准振荡器120在信号输出122处提供振荡器输出信号vosc。振荡器 输出信号vosc向pll 140的基准输入142和输出时钟电路170的基准输入 172提供频率基准输入。在一个示例中，输出时钟电路170是或包括pll。在 另一示例中，输出时钟电路170是或包括分数输出除法器(fod)，除了整数 值外，fod还能够通过分数值进行频率乘法。在一个示例中，fod通过移动 输出时钟的边缘来执行分数除法。pll通常比fod提供更好的噪声性能，因 为它们控制连续运行的实际振荡器，而fod仅定位信号边缘，可能会受到量 化噪声的影响。然而，fod的功耗可能比pll低得多，考虑到功耗和性能之 间的任何相关权衡，不同的实施方式针对不同形式的输出时钟电路可以包括 这些选项中的任何一种。
35.在一个示例中，控制器130是或包括可编程或编程的逻辑电路，诸如编 程的处理器，以及用于生成模拟和数字信号并接收模拟和/或数字信号的模拟 和数字接口电路。控制器130的输入131耦合到adc输出138。在操作中， 控制器130在第一控制输出132处提供第一除数值fmodcon，以基于控制 器130的输入131处的信号rxout调节包括物理单元102、接收器106和 pll 140的闭环。pll 140(例如经由图1a中的调制除数控制电路149)设置 内部除数以控制闭环频率输出信号fcl。闭环频率输出信号fcl的频率由乘 法器电路150相乘，并且乘法器150向物理单元102的输入103提供输出信 号。
36.在一个示例中，第一除数值fmodcon是数字值，其表示整数或分数除 数值n。在一个实施方式中，控制器130直接发送信号fmodcon中的值n。 在另一实施方式中，pll 140包括在查找表中存储一组除数值(整数和/或分 数)的内部存储器(未示出)，并且控制器130将信号fmodcon作为单个 控制位发送，该控制位控制pll 140前进到查找表值中的下一个条目。在另 一个示例中，第一除数值fmodcon是编码值，其由pll 140解码以设置控 制闭环频率输出信号fcl的输出频率的除数。在另一实施方式中，第一除数 值fmodcon是脉冲或单个数据位，其指示pll 140增大或减小除数值，或 从输出时钟电路170中存储的一组除数值中进行选择，以控制闭环频率输出 信号fcl的输出频率。
37.在一个实施方式中，pll 140的相位频率检测器144(图1a)将振荡器 输出信号vosc与来自除法器电路148的输出的反馈信号进行比较，并向电 荷泵电路145提供方向上
或下信号。电荷泵145在其输出处生成误差信号 error，而低通滤波器电路146提供滤波后的误差信号以驱动压控振荡器147 的输入。压控振荡器向信号fcl提供由来自控制器130的第一除数值 fmodcon控制的频率。输出通过除法器电路148馈送，以向相位频率检测 器144的第二输入提供分频反馈信号。在操作中，如果输出相位漂移并且pll 的负反馈回路驱动压控振荡器147以减小误差并且输出相位锁定在稳态，则 误差信号error增大或减小。在一个示例中，pll 140是整数n pll，并且 闭环频率输出信号fcl的频率是振荡器输出信号vosc的基准频率的有理倍 数。在另一示例中，pll 140是分数n(frac-n)pll。
38.控制器130基于控制器130的输入131处的信号在第二控制输出134处 提供第二除数值focon，以控制(例如调节)由输出时钟电路170生成的输 出时钟信号fout的输出频率。在一个示例中，第二除数值focon是表示 整数除数值的数字值。在另一示例中，第二除数值focon是由输出时钟电路 170解码以设置控制输出时钟信号fout的输出频率的除数的编码值。在另一 实施方式中，第二除数值focon是脉冲或单个数据位，其指示输出时钟电路 170增大或减小除数值，或从输出时钟电路170中存储的一组除数值中进行选 择，以控制输出时钟信号fout的输出频率。
39.如前所述，低通滤波器160包括在一个实施方式中，并提供控制器130 在第二控制输出134处提供的第二除数值focon的数字低通滤波。在另一实 施方式中，省略了低通滤波器160，并且第二控制输出134直接连接到输出时 钟电路170的控制输入171。在一个实施方式中，输出时钟电路170是pll， 诸如整数n pll或分数n pll，如上文结合图1a所述。在操作中，控制器 130通过经由相应的信号fmodcon和focon改变其整数或分数除数“n”， 来控制pll 140和输出时钟电路170。低通滤波器是数字低通滤波器。当基准 振荡器120由于温度或老化而开始漂移时，包括pll 140、乘法器150、物理 单元102、接收器106、adc 136和控制器130的环路基于控制器130的输入 131处的信号检测分子钟操作中的频移。作为响应，在稳态操作中，控制器 130在输出134处施加第二除数值focon，以调整输出时钟电路170的除数 来补偿振荡器输出信号vosc中的漂移，并将频率输出信号fout的频率维 持在固定或大致恒定的值。
40.低通滤波器160限制数字校正信号的带宽，并减轻或避免在较高偏移处 干扰输出相位噪声。在一个实施方式中，低通滤波器160实施抽取，例如， 分子钟环路以每秒10000个频率测量的采样率运行，并且控制器130以每秒 第二除数值focon的形式生成10000个相应的校正信号。在该示例中，第二 除数值focon可能被限制为少量位，从而导致大的量化噪声。在操作中，在 一个示例中的低通滤波器160对第二除数值focon的数量进行平均，诸如 1000个样本，并在低通滤波器的输出162处产生少量样本(例如，每秒10个 值)。输出时钟电路170的除数由每秒10个样本设置，其分辨率可以比来自 控制器130的输出134的第二除数值focon的分辨率高得多，并且使用低通 滤波器160减少了量化噪声并减轻或避免输出时钟电路170的输出频谱的污 染。在一个示例中，包括低通滤波器160提供了额外的自由度，对分子钟环 路带宽和输出时钟电路170进行单独控制。基准振荡器120将振荡器输出信 号vosc作为频率基准输入提供给输出时钟电路170的基准输入172。
41.在所示示例中，控制器130提供第二除数值focon以在第一模式和第二 模式下控制输出时钟信号fout的输出频率。控制器130在用于稳态操作的 第一模式下操作，并且在第二模式下执行校准操作，具有包括发射器110、物 理单元102、接收器106和pll 140的闭
环的扰动。控制器130通过调整或偏 移第一除数值fmodcon而在包括物理单元102、接收器106、发射器110 和pll 140的闭环中创建扰动。控制器130监视来自接收器输出108的由adc 136转换并在控制器130的输入131处接收的数字值的形式的接收器输出信号 rxout。在各种实施方式中，控制器130评估闭环响应，该闭环响应包括物 理单元102对所施加扰动的响应。在第一模式下的正常研究状态操作中，控 制器130基于在输入131处接收的信号实施输出频率调节，以尝试维持频率 输出信号fout的频率恒定。
42.在第二模式中，控制器130执行一个或多个校准操作，包括通过调整或 偏移第一除数值fmodcon对闭环施加扰动，本文称为偏移。控制器130基 于在输入131处接收的信号测量物理单元和闭环的其它部件的响应。此外， 控制器130在第二模式中的这种扰动/测量校准操作期间，单独偏移第二除数 值focon以减轻或避免频率输出信号fout的恒定频率在相反方向上的中 断。在一个实施方式中，在稳态操作期间，相应的第一除数值fmodcon和 第二除数值focon基本相等。在另一实施方式中，除数值fmodcon和 focon在第一模式中的稳态操作期间不相等，并且在控制器130的控制下， 这些值中的一个或两个可以略微变化。
43.在第二模式中，控制器130沿第一方向偏移第一除数值fmodcon，以 在闭环中引起扰动，并且同时在相反的第二方向上偏移第二除数值focon， 以抵消闭环对扰动的响应并调节输出时钟信号fout的输出频率。控制器130 基于控制器130的输入131处的信号分析闭环对扰动的响应。闭环内的pll 140和闭环外的输出时钟电路170的配置使得控制器130能够在正常操作期间 执行各种操作，诸如校准，而不会干扰输出时钟信号fout的频率。此外， 控制器130的这种配置和操作允许校准信号通道上的温度、老化和其它影响， 在闭环内生成输出频率的分子钟系统中无法处理这些影响。
44.在一个实施方式中，控制器将第一除数值fmodcon在第一方向上偏移 第一量以引起闭环中的扰动，并将第二除数值focon在相反的第二方向上偏 移第一量以抵消闭环对扰动的响应并调节输出时钟信号fout的输出频率。 在另一实施方式中，控制器130将相应的第一除数值fmodcon和第二除数 值focon在相反方向上偏移不同的量。
45.在一个示例中，控制器130通过偏移相应的第一除数值fmodcon和第 二除数值focon，在闭环电路中引起单脉冲型扰动，然后将相应的第一除数 值、第二除法值fmodcon和focon移回其起始值。在其它示例中，控制 器130通过在相反方向上以阶跃、或通过斜坡、或扫描或其它形式的值偏移 或其组合同时偏移相应的第一除数值fmodcon和第二除数值focon来施 加扰动，例如，以在发射器输出中执行频移。在一个实施方式中，控制器130 执行一个或多个校准操作，包括对在控制器输入131处接收的响应信号施加 扰动和相关联的分析。
46.控制器130分析接收的信号，以确定物理单元102的吸收参数的局部最 小值处或附近的除数值和相应频率。在第一模式和第二模式中的控制器操作 有助于使用基准振荡器120和电子设备101作为时钟源，该时钟源利用闭环 中的物理单元102通过分子钟配置进行校正。所示的电路配置和控制器操作 也有助于校准能力，以适应老化、温度变化和其它误差源，同时维持输出时 钟信号fout的超稳定频率(例如十亿分之几或sub-ppb)。
47.图2示出了方法200的流程图。下面参考图1和图1a的电子设备101和 系统100中的控制器130的操作来描述该方法。在一个示例中，控制器130 通过控制器130的处理器执行存储在控制器130中或存储在可操作地耦合到 控制器130的电子存储器中的程序指令来实
施方法200。方法200在图2中的 202处开始，继续或恢复在第一模式中的正常操作。在204处，基准振荡器 120分别向pll 140以及输出时钟电路170的基准输入142和172提供振荡器 输出信号vosc。在206处，控制器130向pll 140的控制输入141提供第 一除数值fmodcon，以基于接收器输出信号rxout调节包括物理单元 102、接收器106和pll 140的闭环。在208处，控制器130将第二除数值 focon提供给输出时钟电路170的控制输入171，以控制输出时钟信号fout 的输出频率。
48.方法200还包括用于执行一个或多个校准操作的第二模式中的操作。控 制器130确定210是否是进行背景校准的时间。如果不是(210处为否)，则 该方法前进到图2中的214，如下面进一步讨论的。如果是(210处为是)， 则控制器130在212处执行背景环路增益校准，其中第一除数值fmodcon 中发生闭环扰动偏移，并且第二除数值focon中发生反向偏移。在一个实施 方式中，控制器130在212沿第一方向偏移第一除数值fmodcon以引起闭 环中的扰动，并且在212沿相反的第二方向偏移第二除数值focon以抵消闭 环对扰动的响应并调节输出时钟信号fout的输出频率。此外，控制器130 基于接收器输出信号rxout分析闭环对扰动的响应。下面结合图3-图7图 示和描述了在212处的一个示例背景环路增益校准操作的进一步细节。
49.在图2中的214处，控制器130确定是否是基线斜率校准的时间。如果 不是(214处为否)，则方法200前进到218，如下面进一步讨论的。如果是 (214处为是)，则控制器130在216处开始基线斜率校准，其中第一除数值 fmodcon中发生闭环扰动偏移，并且第二除数值focon中发生相反偏移。 在一个实施方式中，控制器130在216处沿第一方向偏移第一除数值 fmodcon以引起闭环中的扰动，并且在216处沿相反的第二方向偏移第二 除数值focon以抵消闭环对扰动的响应并调节输出时钟信号fout的输出 频率。此外，控制器130基于接收器输出信号rxout分析闭环对扰动的响 应。下面结合图8-图11图示和描述了在216处的一个示例基线斜率校准操作 的进一步细节。
50.在218处，控制器130确定是否是相位噪声校准的时间。如果不是(218 处为否)，则方法200前进到222，如下面进一步讨论的。如果是(在218处 为是)，则在220处控制器130开始相位噪声校准，第一除数值fmodcon 发生闭环扰动偏移，并且第二除数值focon发生相反偏移。在一个实施方式 中，在220处控制器130沿第一方向偏移第一除数值fmodcon以引起闭环 中的扰动，并且在220处沿相反的第二方向偏移第二除数值focon以抵消闭 环对扰动的响应并调节输出时钟信号fout的输出频率。此外，控制器130 基于接收器输出信号rxout分析闭环对扰动的响应。下面结合图12-图14 图示和描述了在220处的一个示例相位噪声校准操作的进一步细节。
51.方法200在222处继续，其中控制器130确定是否是振荡器温度校准的 时间。如果不是(222处为否)，则方法200返回以恢复在上面图2中的202 处的正常操作。如果是(222处为是)，则在224处控制器130开始振荡器温 度校准，其中第一除数值fmodcon发生闭环扰动偏移，并且第二除数值 focon发生相反偏移。在一个实施方式中，在224处控制器130沿第一方向 偏移第一除数值fmodcon以引起闭环中的扰动，并且在224处沿相反的第 二方向偏移第二除数值focon以抵消闭环对扰动的响应并调节输出时钟信 号fout的输出频率。此外，控制器130基于接收器输出信号rxout分析 闭环对扰动的响应。在下面结合图15-图18图示和描述了在220处的一个示 例振荡器温度校准操作的进一步细节。在224处基准振荡器温
度校准之后， 方法200恢复在图2中的202处的正常操作。
52.在示例中，控制器130在212、216、220和/或224处通过将第一除数值 fmodcon在第一方向上偏移第一量，以引起闭环中的扰动，以及将第二除 数值focon在相反的第二方向上偏移第一量，以抵消闭环对扰动的响应并调 节输出时钟信号fout的输出频率来实施校准偏移。
53.现在参考图3-图7，图3是上述图2中212处的背景环路增益校准处理的 一个示例中的背景环路放大器校准过程300的流程图。在302处开始背景环 路增益校准，并且控制器130通过在304处沿第一方向偏移第一除数值 fmodcon以引起闭环中的扰动，并且在304沿相反的第二方向偏移第二除 数值focon以抵消闭环对扰动的响应并调节输出时钟信号fout的输出频 率来在304处引入已知频移。在另一实施方式中，控制器130调整输出133 处的refcon信号，以在基准振荡器120的进程频率控制中引入小而慢的偏 移，同时分别在第一除数值fmodcon和第二除数值focon中提供相反方 向的调整。
54.在306处，接收器106记录误差信号，该误差信号由接收器电路106解 调并由adc 136转换，以在控制器130的输入131处提供信号。控制器在图 3中的308处构造误差信号曲线的线性部分用于环路增益估计。在310处，控 制器130例如通过调整控制器130的存储器中的环路反馈系数来调整环路反 馈系数以考虑任何增益变化。
55.图4示出了分子吸收随物理单元的频率而变化的曲线图400。曲线图400 示出了表示分子吸收随频率而变化的曲线402。根据图1中物理单元102的具 体情况，曲线502在与最佳或优选操作点相关联的局部最小值下方和上方延 伸。曲线图400还示出了数据点411-420，其表示由接收器106获得和解调并 由adc 136转换的吸收值。在一个示例中，控制器130执行第一扫描，其中 第一除数值fmodcon的值在第一方向上逐步增大，该第一扫描从曲线402 中的预期局部最小值下方增大第一方向上的闭环频率并继续超过预期局部最 小值以导致闭环中的扰动。控制器130在304处同时偏移第二除数值focon， 在相反的第二方向上逐步减小值。在该示例中，控制器130然后执行反向扫 描，以通过减小第一除数值fmodcon同时逐步增大第二除数值focon来 逐步降低闭环频率。控制器130从输入131获得响应读数，该响应读数表示 相对于物理单元102的分子吸收的转换振幅，并且控制器评估图4所示的所 得吸收数据点411-420。从该数据中，控制器130分析相对振幅并识别与曲线 402的局部最小值相对应的第一除数值和第二除数值，例如，使用曲线拟合处 理、线性插值技术等。
56.图5示出了曲线图500，其中曲线502示出了示例环路增益校准中的阶跃 频率扰动。曲线图500还示出了示例物理单元吸收曲线504，以图示响应于阶 跃频率扰动向上然后向下的吸收的变化，其具有局部最小值。图6示出了具 有闭环接收器信号的曲线602、604和606的曲线图600，其示出了对环路增 益校准中的扰动的物理单元响应。曲线602示出了由图1中的基带放大器128 输出的信号，并且曲线604示出了由adc 136提供给控制器130的输入131 的转换值。曲线606示出了解调之前接收器106的输入107处的信号。图7 示出了误差信号随环路增益校准中的频移而变化的曲线图700。图7中的曲线 702示出了由控制器130确定的误差信号随频率变化(例如，沿水平轴线标记 为“δf”)而变化，并且曲线702图示了一般线性区域704。控制器130响应 于所施加的闭环扰动从输入131获得采样值，并确定误差信号值和相应的频 率变化值。控制器130构造线性部分704(例如，上面图3中的308处)，
并 确定图7中的环路增益斜率706(例如，图3中的310处)。
57.现在参考图8-图11，图8示出了在一个示例中由控制器130(例如图2 中的216处)实施的示例基线斜率校准方法800，并且图9-图11图示了在基 线斜率校准方法800中对于逐渐增大的调制深度随频率变化的频率偏差曲线 图。在一个示例中，控制器130在校准方法800期间通过在第一方向上偏移 第一除数值fmodcon以扰动闭环，同时在相反的第二方向上偏移第二除数 值focon来调制闭环操作频率。控制器130在图8中的802处开始基线斜率 校准(例如图2中的214处的是)，并且控制器130在804处将调制深度(例如， 频率偏差δf)设置为较大的值(例如，25mhz)。在方法800中，控制器130通 过将第一除数值fmodcon在第一方向上偏移调制深度的一半并同时将第二 除数值focon在相反的第二方向上偏移来调制闭环频率；然后将第一除数值 fmodcon在第一方向上偏移调制深度，并且同时将第二除数值在第一方向 上偏移；然后将第一除数值fmodcon在第一方向上偏移调制深度的一半， 同时将第二除数值focon在第二方向上偏移回来。
58.控制器130使用在804处施加的大调制深度和基于输入131处的信号在 806处记录的响应误差信号。由此，控制器130通过计算或估计误差e＝s_fxo* δf_xo+s_bl*bl_slope来获得关于基线斜率bl_slope的信息，其中s_fxo 是基准振荡器120的基准灵敏度，δf_xo是基准频率漂移值，并且s_bl是 基线灵敏度。
59.控制器130使用不同的调制深度值来生成等式并估计δf_xo。在806处， 控制器130记录响应于在804处施加的大调制深度值的误差信号，并基于输 入131处的已转换信号来估计基线斜率。在808处，控制器130减小调制深 度，并记录相应的误差信号，并响应于在808处施加的减小的调制深度扰动 来在810处估计基线斜率。控制器130在812处确定是否已经达到最终调制 深度。如果不是(812处为“否”)，则控制器返回以再次减小调制深度，并在 808和810处记录相应的误差信号。在实践中，控制器130在两个或更多调制 深度处进行扰动和相应测量。
60.一旦达到最终调制深度(812处为是)，控制器在814处(例如，通过存 储更新的因子和控制器130的存储器)更新用于基线斜率的校正因子。控制 器130将调制深度恢复到标称值(例如1mhz)并在816处闭合用于正常操作 的反馈回路以完成基线斜率校准方法800。如上文结合图2所讨论的，控制器 130在不同时间实施基线斜率校准和其它校准过程，例如，基于控制器130维 护的定时器。在一个实施方式中，控制器130经常根据系统的热时间常数重 复基线斜率校准方法800，以促进整体稳定性。
61.图9-图11图示了相应的曲线图900、1000和1100，其中曲线表示基于控 制器130的131处的信号，不同斜率增益值的误差信号振幅e随不同调制深 度的频率变化而变化。图9-图11的示例示出了对于1mhz的示例标称调制深 度具有7.29mv/(db/ghz)的基线灵敏度和-8.35mv/mhz的基准偏移灵敏度、 对于10mhz的调制深度具有72.9mv/(db/ghz)的基线灵敏度和-0.687mv/mhz的基准偏移灵敏度、以及对于25mhz的调制深度具有180mv/ (db/ghz)的基线灵敏度和-0.0475mv/mhz的基准偏移灵敏度的示例。曲线 图900和图9示出了针对1mhz的示例标称调制深度的曲线901-905(例如在 所示示例中为+/-0.5mhz的扰动)。曲线901示出了针对增益为-5db/ghz的误 差信号响应；曲线902示出了针对增益为-2.5db/ghz的误差信号响应；曲线 903示出了针对增益为0db/ghz的误差信号响应；曲线904示出了针对增益 为+2.5db/ghz的误差信号响应；以及曲线905示出了针对增益为+5db/ghz 的误差信号响
应。
62.曲线图1000和图10示出了针对10mhz的更大调制深度的曲线1001-1005 (例如，在所示示例中为+/-0.5mhz的扰动)。曲线1001示出了针对增益为
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5db/ghz的误差信号响应；曲线1002示出了针对增益为-2.5db/ghz的误差 信号响应；曲线1003示出了针对增益为0db/ghz的误差信号响应；曲线1004 示出了针对增益为+2.5db/ghz的误差信号响应；并且曲线1005示出了针对增 益为+5db/ghz的误差信号响应。曲线图1100和图11示出了针对25mhz的 较大调制深度的曲线1101-1105(例如在所示示例中为+/-0.5mhz的扰动)。曲 线1101示出了针对增益为-5db/ghz的误差信号响应；曲线1102示出了针对 增益为-2.5db/ghz的误差信号响应；曲线1103示出了针对增益为0db/ghz 的误差信号响应；曲线1104示出了针对增益为+2.5db/ghz的误差信号响应； 并且曲线1105示出了针对增益为+5db/ghz的误差信号响应。在校准方法800 的一个示例实施方式中，图8中的804处，控制器130最初将调制深度设置 为25mhz，然后在808处将调制深度减小到10mhz，然后在816处将调制深 度恢复到标称值1mhz，以恢复在图2中的202处的正常操作。
63.现在参考图12-图14，图12示出了例如由控制器130在图2中的220处 实施的示例基准振荡器相位噪声校准过程1200。图13示出了基准振荡器相位 噪声随调谐参数变化的曲线图1300，并且图14示出了基准振荡器相位噪声随 调谐参数函数变化的曲线图1400。在一个实施方式中，控制器130通过输出 133处的基准控制信号refcon选择性地改变基准振荡器120的调谐参数， 以实施基准振荡器相位噪声校准过程1200。在微机电系统(mems)基准振 荡器120的上下文中图示了过程1200，并且过程1200在1202处开始。在1204 处，控制器130例如基于输出133处的基准控制信号refcon从标称值改变 基准振荡器噪声调谐。在1206处，控制器130在一段时间内(诸如几秒钟) 记录分子钟误差信号。
64.在1208处，控制器130计算误差信号的标准偏差，该偏差与基准振荡器 的相位噪声成比例。控制器130在1210确定是否期望进一步迭代。如果不是 (12时间处为否)，则控制器130估计最佳调谐值并在1214处将其作为新的 标称值应用于基准振荡器120。如果期望进一步迭代(12时间处为是)，则控 制器130在1200时间处改变相位噪声调谐参数，并且过程1200返回到1206， 如前所述。一旦基准振荡器相位噪声校准过程1200完成，控制器130就恢复 在上面图2中的202处的正常操作。曲线图1300和图13示出了相位噪声随 不同调谐参数的数字设置值(标记为“dset”)而变化的若干曲线1301-1305。 曲线1301示出了针对调谐参数值为-40的相位噪声；曲线1302示出了针对调 谐参数为0的相位噪声；曲线1303示出了针对调谐参数为+25的相位噪声； 曲线1304示出了针对调谐参数为+85的相位噪声；并且曲线1305示出了针对 调谐参数为+125的相位噪声。图14中的曲线图1400示出了针对10hz的核 的相位噪声曲线14020，其中在水平轴线调谐值为5.0时具有局部最小值。
65.现在参考图15-图18，图15示出了示例振荡器温度校准过程1500。在一 个示例中，在初始系统预热时执行振荡器温度校准过程1500。在该实施方式 或另一实施方式中，振荡器温度校准过程1500在操作期间周期性地重复，例 如，在224处和上面的图2。方法1500在1502处开始，并且控制器130在 1504处改变振荡器烘箱温度设置。在一个实施方式中，控制器130在基准控 制输出133处设置基准控制信号refcon，以控制基准振荡器120的内部加 热器，以设置基准振荡器120的操作温度。在1506处，控制器130基于输入 131处的信号记录来自分子钟环路的频率误差。控制器130在15处仅确定是 否期望进一步迭代。如果是(在
1508处为是)，则方法1500返回到如上所述 的1504。否则(1508处为否)，控制器在1510处确定频率温度系数(tcf) 最小或为零的振荡器烘箱温度设置。一旦振荡器温度校准过程1500完成，控 制器就恢复在上面图2中的202处的正常操作。
66.图16示出了曲线图1600，其中振荡器频率温度系数(δf，单位为ppm) 随基准振荡器120的温度变化的示例曲线1602。控制器130实施校准过程1500 以表征温度斜坡对基准振荡器120的影响。温度对基准振荡器120的影响在 闭环的环路锁定频率中产生偏移δf_locking并且影响振荡器输出信号 vosc的频率的长期稳定性。在一个示例中，控制器130确定图16中的曲线1602的局部最大值，在该局部最大值处曲线1602的斜率处于或接近零。
67.图17示出了曲线1700，其中曲线1702和1704是频率变化随斜坡频率阶 跃变化的温度而变化。曲线1702表示当基准振荡器120在第一温度下操作时 在控制器130在第一方向上阶跃增大第一除数值fmodcon期间的频率变 化，并且控制器130同时在相反的第二方向上偏移第二除数值focon。曲线 1704示出了当基准振荡器120在不同的第二温度下操作时，控制器130通过 在第一方向上增大第一除数值fmodcon而进行的类似的阶跃频率增加，并 且控制器130同时在相反的第二方向上偏移第二除数值focon。在一个示例 中，控制器130在图15中的1504和1506处的输入131处实施响应信号的类 似扰动和测量，以评估两个或更多不同温度下的基准振荡器性能。
68.图18示出了曲线图1800，其中曲线1801、1802、1803、1804、1805和 1806示出了单位为hz/hz的相对频率变化锁定(例如标记为δflocking)，其指 示不同振荡器温度变化值δt的温度漂移随振荡器温度变化率δt/δt(单位 为摄氏度/分钟)而变化。曲线1801对应于温度变化值δt＝0；曲线1802对 应于温度变化值δt＝1；曲线1803对应于温度变化值δt＝2；曲线1804对应 于温度变化值δt＝5；曲线1805对应于温度变化值δt＝10；曲线1806示出了 1.3ppm/摄氏度的振荡器性能。
69.图19示出了具有外部输出时钟电路1980以提供输出时钟信号fout的 另一时钟系统1900。在一个实施方式中，外部输出时钟电路1980是或包括分 数输出除法器(fod)。在另一实施方式中，外部输出时钟电路1980是或包 括高性能/低噪声分数n pll，称为抖动清洁器。在另一实施方式中，外部输 出时钟电路1980是或包括整数n pll，例如，用于诸如有线通信或基站等高 性能应用。时钟系统1900包括可操作地耦合到外部输出时钟电路1980和外 部基准振荡器1920的分子钟电子设备1901。电子设备1901包括物理单元 1902、接收器1906、发射器1910、振荡器控制输出端子1911、振荡器输入端 子1912和向外部输出时钟电路1980提供除数值的输出端子1916。电子设备 1901及其示意性图示的电路是或包括内部电路部件，诸如晶体管、电阻器、 电容器、已编程的和/或可编程处理或逻辑电路和部件以配置为实施本文所述 功能。
70.物理单元1902具有输入1903和输出1904。接收器1906具有输入1907 和输出1908。接收器1906的输入1907耦合到物理单元1902的输出1904。 发射器1910具有信号输出1914和信号输入1918。系统1900包括具有控制输 入1921和信号输出1922的基准振荡器1920。基准振荡器1920的控制输入 1921耦合到振荡器控制输出端子1911。基准振荡器1920的信号输出1922耦 合到振荡器输入端子1912。
71.接收器1906包括低噪声放大器1924(例如，标记为“lna”)、平方律检 测器1926(例如，标为“x2”)和基带放大器1928(例如，标记为“bb”)。 低噪声放大器1924的输入耦合到输
入1907，并且低噪声放大器192的输出耦 合到平方律检测器1926的输入。平方律检测器1926的输出耦合到基带放大 器1928的输入。基带放大器1928的输出耦合到接收器1906的输出1908。接 收器1906以及低噪声放大器1924、平方律检测器1926及其基带放大器1928 接收来自物理单元1902的输出1904的信号，并响应于并至少部分基于来自 物理单元1900的信号在输出1908处生成或以其它方式提供模拟接收器输出 信号rxout。
72.低噪声放大器1924、平方律检测器1926和基带放大器1928是或包括rf 电路。在一个示例中，低噪声放大器1924以约分子频率(例如120ghz)操 作。在另一个示例中，根据平方律检测器1926的性能，可以省略低噪声放大 器1924。在一个示例中，平方律检测器1926是检测输入的rf信号的功率和 幅度并执行幅度解调的标准平方律检测器。在一个示例中，输入为120ghz， 平方律检测器1926的输出仅为幅度调制。在一个示例中，发射器的乘法器1950 以分子钟环路的调制频率(例如5khz或接近dc)对提供给物理单元1902 的信号进行幅度调制。基带放大器1928放大来自平方律检测器1926的信号， 以改进adc 1936的性能。在另一实施方式中，例如，根据adc 1936的性能， 基带放大器1928被省略，adc 193可以包括内部自动增益控制(agc)电路。
73.发射器1910包括控制器1930(例如，标记为“微控制器”、模数转换器 1936(例如，标记为“adc”)、pll 1940(例如，标记为“frac-n pll”)、 倍频器1950(例如，标记为“x24”)、低通滤波器1960(例如，标记为“lpf”)， 以及输出时钟电路1980(例如标记为“fod或pll”)。发射器1910的控制 器1930、pll 1940和倍频器1950与物理单元1902和接收器1906闭环耦合。 输出时钟电路1980提供具有输出频率的输出时钟信号fout。该示例中的控 制器1930被配置用于如上结合控制器130所述的操作。
74.控制器1930具有输入1931、第一控制输出1932、基准控制输出1933、 第二控制输出1934和输出1935。控制器1930的输出1935耦合到接收器1906。 adc 1936具有输入和输出1938。在一个示例中，控制器1930经由输出1935 向接收器1906提供一个或多个控制信号，例如，以校准接收器1906的参数。 例如，如果低噪声放大器1924或基带放大器1928的增益相对于温度存在已 知的下降，则响应于控制器1930确定温度已经足够漂移，控制器1930经由 输出1935向接收器1906发送数字信号，以控制增益以补偿该增益损失。在 另一个示例中，控制器1930通过响应于在控制器输入1931处从adc 1936 的输出1938接收的转换值具有低振幅来调整放大器1924、1928中的一个或 两个的增益来执行自动增益控制，以利用adc 1935的更多输入范围。
75.pll 1940具有控制输入1941、基准输入1942和输出1943，并在上文结 合图1a所述的一个示例中操作，包括具有耦合到pll输出1943的输入的除 法器电路和具有耦合到pll 1940的控制输入1941的输入的调制除法器控制 电路。
76.倍频器1950具有耦合到pll 1940的输出1943的输入1952和耦合到发 射器1910的输出1914的输出。低通滤波器1960具有输入1961和输出1962。 输出时钟电路1980具有控制输入1981、耦合到振荡器输出1922的基准输入 1982和提供频率输出信号fout的输出1983。pll 1940的基准输入1942耦 合到振荡器输入端子1912，并且pll 194的输出1943耦合到发射器1910的 信号输出1914。
77.低通滤波器1960的输入1961耦合到控制器1930的第二控制输出1934。 低通滤波器1960的输出1962经由输出端子1916耦合到外部输出时钟电路 1980的控制输入1981。在
另一实施方式中，省略了低通滤波器1960，并且控 制器1930的第二控制输出1934直接耦合到输出端子1916。输出时钟电路1980 的控制输入1981耦合到控制器1930的第二控制输出1934。输出时钟电路1980 的基准输入1982耦合到振荡器输入端子1912。输出时钟电路1980的输出1983 耦合到输出端子1916。控制器1930的第一控制输出1932耦合到pll 1940的 控制输入1941。
78.控制器1930的基准控制输出1933耦合到振荡器控制输出端子1911。在 一个示例中，控制器1930在基准控制输出1933处提供基准控制信号 refcon，以控制基准振荡器1920的振荡器操作参数，诸如温度、频率、噪 声调谐等。在一个示例中，基准控制信号refcon是数字信号，例如通过数 字控制总线从控制器1930作为一个或多个命令消息传送到基准振荡器1920。 在一个实施方式中，基准振荡器1920包括用于控制振荡器电路的温度的加热 元件，并且基准控制信号refcon控制振荡器温度，例如，用于温度校准操 作，如下所述。在该实施方式或另一实施方式中，基准控制信号refcon控 制基准振荡器1920的噪声调谐参数，例如以控制或增强噪声性能。在该实施 方式或另一实施方式中，基准控制信号refcon设置或控制基准振荡器1920 的粗频率调整特征，例如，以使振荡器输出信号的频率足够接近分子钟环路 操作(例如，在几ppm以内)。
79.基准振荡器1920在信号输出1922处提供振荡器输出信号vosc。振荡 器输出信号vosc向pll 1940的基准输入1942和外部输出时钟电路1980的 基准输入1982提供频率基准输入。在一个示例中，输出时钟电路1980是或 包括pll。在另一示例中，输出时钟电路1980是或包括分数输出除法器 (fod)，其能够通过除了整数值外的分数值进行频率乘法。在一个示例中， fod通过移动输出时钟的边缘来执行分数除法。
80.在一个示例中，控制器1930是或包括可编程或已编程的逻辑电路(诸如 已编程处理器)，以及模拟和数字接口电路，用于生成模拟和数字信号，并接 收模拟和/或数字信号。控制器1930的输入1931耦合到adc输出1938。在 操作中，控制器1930在第一控制输出1932处提供第一除数值fmodcon， 以基于控制器1930的输入1931处的信号rxout调节包括物理单元1902、 接收器1906和pll 1940的闭环。闭环频率输出信号fcl的频率由乘法器电 路1950相乘，并且乘法器1950向物理单元1902的输入1903提供输出信号。
81.在一个示例中，第一除数值fmodcon是表示整数或分数除数值n的数 字值。在一个实施方式中，控制器1930直接在信号fmodcon中发送值n。 在另一实施方式中，pll 1940包括在查找表中存储一组除数值(整数和/或分 数)的内部存储器(未示出)，并且控制器1930将信号fmodcon作为单个 控制位发送，该控制位控制pll 194前进到查找表值中的下一个条目。在另 一个示例中，第一除数值fmodcon是由pll 1940解码以设置控制闭环频 率输出信号fcl的输出频率的除数的编码值。在另一实施方式中，第一除数 值fmodcon是脉冲或单个数据位，指示pll 1940增大或减小除数值，或 从输出时钟电路1980中存储的一组除数值中进行选择，以控制闭环频率输出 信号fcl的输出频率。
82.在一个示例中，pll 1940是整数n pll，并且闭环频率输出信号fcl的 频率是振荡器输出信号vosc的基准频率的有理倍数。在另一示例中，pll 1940是分数n(frac-n)pll。
83.控制器1930基于控制器1930的输入1931处的信号在第二控制输出1934 处提供第二除数值focon，以控制(例如调节)由外部输出时钟电路1980 生成的输出时钟信号fout的输出频率。在一个示例中，第二除数值focon 是表示整数除数值的数字值。在另一示例中，
第二除数值focon是由输出时 钟电路1980解码以设置控制输出时钟信号fout的输出频率的除数的编码 值。在另一实施方式中，第二除数值focon是脉冲或单个数据位，指示输出 时钟电路1980增大或减小除数值，或从输出时钟电路198中存储的一组除数 值中进行选择，以控制输出时钟信号fout的输出频率。
84.低通滤波器1960包括在一个实施方式中，并提供由控制器1930在第二 控制输出1934处提供的第二除数值focon的数字低通滤波。在另一实施方 式中，省略了低通滤波器1960，并且第二控制输出1934直接连接到输出端子 1916。在一个实施方式中，外部输出时钟电路1980是pll，诸如整数n pll 或分数n pll。在操作中，控制器1930通过经由相应的信号fmodcon和 focon改变其整数或分数除数“n”，来控制pll 1940和外部输出时钟电路 1980。低通滤波器是数字低通滤波器。当基准振荡器1920由于温度或老化而 开始漂移时，包括pll 1940、乘法器1950、物理单元1902、接收器1906、 adc 1936和控制器1930的环路基于控制器1930的输入1931处的信号检测 分子钟操作中的频移。作为响应，在稳态操作中，控制器1930在输出1934 处施加第二除数值focon来调整输出时钟电路1980的除数，以补偿振荡器 输出信号vosc中的漂移，并将频率输出信号fout的频率维持在固定或大 致恒定的值。
85.低通滤波器1960限制了数字校正信号的带宽，并减轻或避免了在较高偏 移处干扰输出相位噪声。在一个实施方式中，低通滤波器1960实施抽取，例 如，在此分子钟环路以每秒10000个频率测量的采样率运行，并且控制器1930 以每秒第二除数值focon的形式生成10000个相应的校正信号。在该示例中， 第二除数值focon可能被限制为少量位，从而导致较大的量化噪声。在操作 中，在一个示例中，低通滤波器1960对第二除数值focon的数量进行平均， 例如1000个样本，并在低通滤波器的输出1962处产生少量样本(例如，每 秒10个值)。输出时钟电路1980的除数由每秒10个样本设置，并且使用低 通滤波器1960减少了量化噪声并减轻或避免输出时钟电路1980的输出频谱 的污染，输出时钟电路1980的除数的分辨率可以比来自控制器1930的输出 1934的第二除数值focon的分辨率高得多。在一个示例中，包括低通滤波 器1960提供了额外的自由度，对分子钟环路带宽和输出时钟电路1980进行 了单独控制。基准振荡器1920将振荡器输出信号vosc作为频率基准输入提 供给输出时钟电路1980的基准输入1982。
86.在所示示例中，控制器1930提供第二除数值focon以控制第一和第二 模式下的输出时钟信号fout的输出频率。控制器1930在用于稳态操作的第 一模式下操作，并且在第二模式下执行校准操作，具有包括发射器1910、物 理单元1902、接收器1906和pll 1940的闭环的扰动。控制器1930通过调整 或偏移第一除数值fmodcon在包括物理单元1902、接收器1906、发射器 1910和pll 1940的闭环中创建扰动。控制器1930监视来自接收器输出1908 的、由adc 1936转换并在控制器1930的输入1931处接收的数字值的形式的 接收器输出信号rxout。在各种实施方式中，控制器1930评估闭环响应， 其包括物理单元1902对所施加扰动的响应。在第一模式下的正常研究状态操 作中，控制器1930基于在输入1931处接收的信号实施输出频率调节，以尝 试维持频率输出信号fout的频率恒定。
87.在第二模式中，控制器1930执行一个或多个校准操作，包括通过调整或 偏移第一除数值fmodcon而对闭环施加扰动，此处称为偏移。控制器1930 基于在输入1931处接收的信号测量物理单元和闭环的其它部件的响应。此外， 控制器1930在第二模式中的这种扰
动/测量校准操作期间，单独偏移第二除数 值focon以减轻或避免频率输出信号fout的恒定频率在相反方向上的中 断。在一个实施方式中，在稳态操作期间，相应的第一除数值fmodcon和 第二除数值focon基本相等。在另一实施方式中，除数值fmodcon和 focon在第一模式中的稳态操作期间不相等，并且在控制器1930的控制下， 这些值中的一个或两个值可能略有变化。
88.在第二模式中，控制器1930在第一方向上偏移第一除数值fmodcon 以引起闭环中的扰动，并且同时在相反的第二方向上偏移第二除数值 focon，以抵消闭环对扰动的响应并调节输出时钟信号fout的输出频率。 控制器1930基于控制器1930的输入1931处的信号分析闭环对扰动的响应。 闭环内的pll 1940和闭环外的输出时钟电路1980的配置使得控制器1930能 够在正常操作期间执行各种操作，诸如校准，而不干扰输出时钟信号fout 的频率。该控制器1930被配置为实施上面结合图2、图3、图8、图12和图 15描述的方法和过程，并允许校准温度、老化和信号通道上的其它影响，这 些影响在闭环内生成输出频率的分子钟系统中无法解决。
89.在一个实施方式中，控制器将第一除数值fmodcon在第一方向上偏移 第一量以引起闭环中的扰动，并将第二除数值focon在相反的第二方向上偏 移第一量以抵消闭环对扰动的响应并调节输出时钟信号fout的输出频率。 在另一实施方式中，控制器1930将相应的第一除数值fmodcon和第二除 数值focon在相反方向上偏移不同的量。
90.在一个示例中，控制器1930通过偏移相应的第一除数值fmodcon和 第二除数值focon，在闭环电路中引起单脉冲型扰动，然后将相应的第一除 数值fmodcon和第二除法值focon偏移回其起始值。在其它示例中，控 制器1930通过在相反方向上逐步、或通过斜坡、或扫描、或其它形式的值偏 移或其组合同时偏移相应的第一除数值fmodcon和第二除数值focon来 施加扰动，例如，以在发射器输出中执行频移。在一个实施方式中，控制器 1930执行一个或多个校准操作，包括对在控制器输入1931处接收的响应信号 施加扰动和相关分析。
91.控制器1930分析接收信号，以确定物理单元1902的吸收参数的局部最 小值处或附近的除数值和相应频率。第一模式和第二模式中的控制器操作有 助于使用基准振荡器1920和电子设备1901作为时钟源，该时钟源通过具有 闭环中的物理单元1902的分子钟配置进行校正。所示的电路配置和控制器操 作也有助于校准能力，以适应老化、温度变化和其它误差源，同时维持输出 时钟信号fout的超稳定频率(例如十亿分之几或sub-ppb)。
92.在权利要求的范围内，在所述示例中修改是可能的，其它实施方式是可 能的。