一种铷原子钟双钟热备相位无扰切换系统的设计

邢彦超，杨俊，汤超，秦蕾，高伟，陈智勇，余钫，盛荣武



一种铷原子钟双钟热备相位无扰切换系统的设计

邢彦超，杨俊，汤超，秦蕾，高伟，陈智勇，余钫，盛荣武

（中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉 430071）

为了满足时间统一系统中主钟与备份钟的时间、频率信号在切换时的连续性要求，提出并实现了一种铷原子钟双钟热备相位无扰切换系统的技术方案，阐述了双钟间频率与相位同步和信号无扰切换的方案原理，给出了系统组成与主要控制程序的框图及测试结果。采用本方案可使主钟与备份钟输出信号的时差小于±0.55 ns，并实现了信号的无扰切换，满足了工程应用的要求。

铷原子钟；热备份；同步；切换

在所有的原子钟中，铷原子钟在工程和科学领域有着最广泛的应用[1]366-367。但是单台铷原子钟的可靠性不能满足一些对可靠性要求高的长期工作的系统。这些系统工作关联面广，不能被中断。为此，本文提出了一种铷原子钟双钟热备技术，可有效地解决这一问题。在工作钟发生异常时，采用该技术可以相位无扰地切换到备份钟上，实现信号连续输出，从而保证系统的连续工作。

1 双钟热备相位无扰切换系统的原理与方案

双钟热备相位无扰切换系统的方案如图1所示，2钟信号路径对称且地位同等，互为备份。

图1 双钟热备相位无扰切换系统的原理框图

本文所述系统采用时差法实现2台钟之间输出频率差的测量。它根据2钟输出的1 PPS（1 pulse per second）信号的时间差()随时间的变化情况来确定二者的频率差。在时刻，工作钟与备份钟的时差为()，经过时间后，变为()，则2钟的相对频差()如式（1）[2]20-25所示。

根据式（1）纠正备份钟的输出频率，使2台钟输出频率差趋于极小值。其中，()由TDC（时间数字转换器）直接测量。2台钟输出频率差趋于极小值后，时差()将近似不随时间变化，设为0。2台钟相位趋于一致时，0为0。为使2钟输出信号相位一致，将备份钟频率调偏0，等待一段时间后，再还原备份从钟的频率，即可使0趋于0，从而使2钟输出信号相位趋于一致。使0＝0的条件是下式成立：

控制程序框图如图2所示。在系统中无论是A钟还是B钟，系统自行选择先锁定者为工作主钟，另一钟为备份从钟。

由式（2）知，0越小，最终控制误差就越小，但等待时间会越长。在移相阶段需根据当前的时差来选择不同的0，以实现相位快速同步。2台钟时差达到给定的同步指标后，进入保持阶段。

在保持阶段采用固定的小频差0微调2钟1 PPS信号的时差，以保持双钟同步。但是，铷原子钟长期运行中由于漂移而产生的累积频差使得时差呈现单方向变化，按照双钟频率同步精度的要求设置最小频差修正量0/2，对备份从钟的输出频率进行微调，使双钟频差维持在±0/2以内。

处理漂移频差的具体方法如图2中的保持阶段所示，即连续2次发现纠正后的2路1 PPS信号的时差大于报警值，则认为有0/2的漂移频差产生，并给予纠正。报警值的设置有助于避免对累积频差的误纠，它的大小与TDC的测量精度相当。2钟间的残余频差对同步指标影响的具体分析见第3节。

2钟有锁定失效信号产生后，会触发中断程序，重新进行同步。

图2 控制程序框图

2 系统的整体设计

本文所述系统中，分频器与控制部分分别由CPLD（复杂可编程逻辑器件）和MCU（微控制器）实现。

为便于时差的测量与切换的控制，2钟信号输出后被转换为方波（转换电路在图1中被略去），该方波驱动2个分离的非门器件，获得2路信号输出。

上述2路信号输出中，一路送入切换信号控制下的“二选一开关”，即信号切换电路。该电路与其他电路之间采取电源隔离措施，以避免数字电路工作时产生的杂波影响输出信号的质量。最后，经过滤波器将方波转换为正弦波作为系统的输出。上述2路信号输出中的另一路经分频后送入TDC器件，进行时差的测量。

为了在2钟的锁定失效信号产生后实现及时切换，主钟选择信号由2钟锁定信号经组合逻辑电路综合后给出。该组合逻辑电路在CPLD中实现。为实现相位无扰切换，需对主钟选择信号做进一步处理（详见3.1节讨论），才可作为图1中的“切换控制”信号。

3 实验结果分析与讨论

3.1 相位无扰切换

“二选一输出”开关在切换信号时应同时关闭一路信号并打开另一路信号。如果关闭时刻先于打开时刻，那么输出端会存在一个无信号输出的时间间隙。在2方波信号都为高电平时实施切换，无信号输出的时间间隙（表现为低电平），称为突波干扰[3]，会扰动输出信号相位。为实现相位无扰切换，切换点需选在2路方波同为低电平的时间内。为此，将主钟选择信号送入控制部分中的D触发器的D端，由从钟的方波下降沿触发，将D端信号同步到Q端输出。采用Q端信号作为图1中的“切换控制”信号，可实现相位无扰切换。

采用本文所述的切换方法实施2路同步信号的切换时，切换前后的输出波形如图3中A线所示，由A线可知在切换点处没有附加的相位扰动。C线为主钟选择信号。系统在图3中“切换点”处完成切换。B线为D触发器的触发方波的示意波形。d为D触发器的延时。

图3 切换输出波形图

3.2 系统误差校准

TDC的时差测量过程是以1 PPS_B触发为开始，以1 PPS_A触发为结束的。因此，每秒钟只能完成一次测量，并获得一个测量值。那么，测量值为正则代表1 PPS_A滞后于1 PPS_B，测量值为负则代表1 PPS_B滞后于1 PPS_A。文中的时差测量值均满足此定义。

现在讨论校准过程。实际条件下，因为如图4所标注的信号路径的延时各不相等，所以，2钟信号在系统输出端同步时，TDC测得的时差0并不为0，而是：0＝(1-2)-(1-2)，即系统误差rror。

图4 系统误差校准原理图

为测量rror的值，设计了如图4所示的校准原理图，利用10MHz的同源信号代替A钟与B钟信号，输入系统。

首先，测得1 PPS_B与1 PPS_A的时差值1＝1-1。

然后，将系统输出的10 MHz信号送入“校准分频器”，获得1 PPS_B/A信号。由1 PPS_B/A信号代替1 PPS_A信号送入TDC做时差测量，如图4中双虚线所示。在B钟为主钟输出的状态下测得2＝(2+3)-1，在A钟为主钟输出的状态下测得3＝(2+3)-1。那么rror＝1-(3-2)。

因为图4中10 MHz信号到系统板的引线延时不影响rror结果，所以，1，2，3的测量均未考虑引线延时的影响。校准时的“校准分频器”以及辅助电路均由CPLD实现。

3.3 误差分析及实验结果

式（3）中，是采样时间为1 s时的艾伦方差的平方根，实验条件下＝3×10-11。

结束时差的测量后，停止系统对2台钟输出频率的控制，测量A钟与B钟的残余频差，测量结果为6.62×10-12，符合小于0/2的预期。

4 结语

本文提出的双钟热备相位无扰切换技术方案，实现了工作钟与备份钟的1 PPS信号间±0.55 ns的同步精度，频率同步精度优于±2×10-11，并结合相位的无扰切换实现了铷原子钟信号连续输出，从而解决了单台铷原子钟的可靠性不能满足一些对可靠性要求比较高的长期工作的系统的问题。

[1] 王义遒, 王庆吉, 傅济时, 等. 量子频标原理[M]. 北京: 科学出版社, 1986.

[2] 黄秉英, 马凤鸣, 肖明耀, 等. 时间频率的精确测量[M]. 北京: 中国计量出版社, 1986.

[3] SWOBADA G L. Apparatus for cleanly switching between various clock sources in a data processing system: USA, 5790609[P]. 1998-08-04.

A design of dual rubidiumclock hot standby systemwith a switching method of no-phase-perturbation

XING Yan-chao, YANG Jun, TANG Chao, QIN Lei, GAO Wei, CHEN Zhi-yong, YU Fang, SHENG Rong-wu

(Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

A design of dual rubidium clockhot standby system with a no-phase-perturbation switching method is proposed and realized in order to meet the continuity requirement of the time/frequency signals in the timing system. The method of the frequency and phase synchronizationand the no-phase-perturbation switching between the master clock and the slave clockare described. Thesystemcomposition, the key control program and the test result are given. By adopting this proposed design the time difference between the output signal of the master clock and that of the slave clock is within±0.55ns, and the signal switching without phase perturbation is realized, meeting the requirements of engineering application.

rubidium frequency standard; hot standby; synchronization; switching

TM935.11+5

A

1674-0637(2011)02-0101-06

2011-02-28

邢彦超，男，硕士研究生，主要从事铷原子频标原理与应用方面的研究。