一种基于铷原子钟的频率基准源冗余设计方案浅析

张守中　赵瑞青

摘要：针对单一频标在时统系统中暴露出来的局限性，提出了以铷原子钟作为主用频标、石英晶振作为备用频标的双冗余热备份设计方案，对提高时统系统同步精度和可靠性具有重要意义。

关键词：铷原子钟;频率;冗余;设计方案

中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0181-02

0 引言

标准化时间统一系统（简称时统）在工作过程中无论是保持全系统时间统一，还是向不同用户提供高稳定、高精确的频率信号，都离不开频率标准[1]。因此任何一台时统设备都必须配置高精准的时间频率基准源，所以时间频率基准源又被认为是时统设备的心脏。任何一个时间频率基准源的基本功能是为用户提供各种类型的高精准频率信号。传统的时统设备在同步精度要求不高的情况下大部分以石英晶振为频率标准，由于时间同步精度要求越来越高，单一的石英晶振频率源已达不到设计要求。目前国际基准和国家基准主要采用精度已经达到2E-15的铯原子钟，不过铯原子钟的成本较高，在实用性方面不占优势[2]。在实际使用中，更常使用的频率基准源是铷原子钟和石英晶振冗余组合。其中铷原子钟以其低功耗、快速预热、优良的准确度、低相噪和低杂波等优点得到了更为广泛的应用。

1 方案设计

由于不同用户有不同的需求，频率基准源的设计要求也各不相同，本文提出的设计方案是将原有采用石英晶振作为频标的频率基准源，更换为采用各方面性能更为优越的铷原子钟作为主用频标、石英晶振作为备用频标的雙冗余热备份设计方案，为达到指标设计要求，设计采用了先进的数字集成及处理技术，主要由整形电路、切换电路、分频电路以及输出驱动电路等几部分组成，可提供以下4种高精度的频率信号，一是提供时间同步基准信号（如10Mbit）;二是提供数字通信网的同步时钟信号（如2048Kbit、64Kbit、8Kbit）;三是提供用于GPS接收机校频的频率信号（如10MHz、1C/S）;四是提供备用的频标信号（如5MHz、1MHz）。

系统组成框如图1（虚线部分为原有电路，实线部分为改进电路）。

2 基本工作原理

（1）基准时钟的产生：铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成，压控晶体振荡器的频率经过倍频和频率合成，送到量子系统与铷原子跃迁频率进行比较，误差信号送回到压控晶体振荡器，对其频率进行调节，使其锁定在铷原子特有的能级跃迁所对应的频率上，输出高度稳定的10MHz，并送入整形电路，同时原有的外频标10MHz和晶振10 MHz也分别送入各自的整形电路，使三路频标信号分别经波形变换由正弦信号变为三路10Mbit的TTL电平信号，由切换电路选择一路最佳信号，经缓冲后输出产生基准时钟10Mbit信号。同时将缓冲输出的一路10Mbit信号分别输入2分频器、10分频器，经低通滤波和隔离放大器后分别输出5MHz、1MHz的正弦信号。

（2）切换电路的主要功能是按照约定好的优先级采取自动选择或手动选择最佳信号输出到下一级缓冲器，一般情况下优先级按照外频标、铷频标、石英晶振的顺序进行，当优先级高的频标出现故障时自动或手动切换到下一级的频标，当优先级高的频标恢复后能够自动或手动切换回去，并且所有切换过程都要做到保持时间的连续性。

（3）通信网同步时钟的产生：经缓冲输出的另一路基准时钟10Mbit信号经1250分频器产生8Kbit的TTL信号，送入缓冲器经电平转换后输出RS422接口的8Kbit，同时送入E1系统频率综合器产生2048 Kbit信号，经输入缓冲器后输出2路2048 Kbit信号，一路经线路驱动、耦合变压后形成通信网同步时钟2048 Kbit，另一路依次经8分频器、4分频器后产生64 Kbit信号，经电平转换后输出RS422接口的64Kbit时钟信号。

（4）校频时钟的产生：铷钟10MHz经整形电路后输出的铷10Mbit信号送入另一个缓冲器，经分频、处理后产生与外秒标（通常为GPS 1pps信号）前沿对齐的铷1C/S信号，经驱动后输出作校频用。

3 结语

经实践使用验证，采用以铷原子钟作为主用频标、石英晶振作为备用频标的双冗余热备份频率基准源，不仅提高了时统系统的时间同步精度，而且还提高了系统的可靠性，这种设计方案必将在系统设计中得到广泛应用。

参考文献

[1] 童宝润.时间统一技术[M].北京：国防工业出版社，2004：62.

[2] 杨刚，刘晋.时间频率基准源的原理和设计[J].中国传媒大学学报自然科学版，2010，17（2）：63-65.

Analysis of A redundancy Design Scheme of Frequency Reference Source Based on Rubidium Atomic Clock

ZHANG Shou-zhong，ZHAO Rui-qing

（91604 troops，Longkou  Shandong  265700）

Abstract：In view of the limitations of a single frequency standard exposed in the time system， A design scheme of double redundant waste heat backup with rubidium atomic clock as the main frequency standard and quartz crystal oscillator as the standby frequency standard is proposed， which is of great significance to improve the synchronization accuracy and reliability of the time series system.

Key words：Rubidium Atomic clock;Frequency;Redundancy;Design Scheme