用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设备的原子钟模件.pdf

一种用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设备的原子钟模件，包括有中心控制电路(1)，频合/调制电路(2)，微弱信号检测电路(3)和原子钟物理系统(4)，共四个部分相结合构成一个整体。利用相干布局囚禁效应原理设计出专用量子物理系统模块，将VCSEL激光光源、四分之一玻片、铯Cs蒸汽腔、光电池等光学器件，封装在一个物理模块；同时采用DDS+PLL频率合成技术，输出高精度的4.56GHz的调制频率，满足原子钟系统10-12频率稳定度的要求。授时设备采用原子钟模件作为守时模块，授时精度也随之提高，可以满足现代通信对时间信号的高精确性的要求，具有设计合理、可靠性高、环境适应性强、体积小、使用方便等特点。

权利要求书1.  一种用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设备的原子钟模 件，包括有中心控制电路(1)，频合/调制电路(2)，微弱信号检测 电路(3)和原子钟物理系统(4)，共四个部分相结合构成一个整体， 其特征是： 所述中心控制电路(1)，包括CPU模块U1，A/D模块U2，VCXO 模块U3；用以控制频合/调制电路(2)输出高频率的信号；接收微弱 信号检测电路(3)输出的纠偏电压值；根据纠偏电压值，调节VCXO 模块U3，输出稳定度为10-12的标准频率10MHz；其中： 所述CPU模块U1的第72，73，74，20～27脚分别与所述A/D 模块U2的15，17，21，26～33脚相连接； 所述VCXO模块U3的1脚与所述CPU模块U1的第56脚相连 接，所述VCXO模块U3的2脚输出标准频率10MHz。 2.  如权利要求1所述的用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设 备的原子钟模件，其特征是： 所述频合/调制电路(2)，包括缓冲模块U4，DDS1模块U5，PLL 模块U6，调制模块U7，放大模块U8，DDS2模块U9；用以分别接收 中心控制电路(1)输出的控制字，一路输出给DDS1模块U5，输出 100MHz的频率，经PLL模块U6，倍频出4.56GHz的本振信号；另一 路输出给DDS2模块U9，输出10KHz调制信号；4.56GHz的本振信号 与10KHz的调制信号经调制模块U7，放大模块U8处理后，输出 4.56GHz的调制频率；其中： 所述缓冲模块U4的2，3，5，6，8，9，11，12脚与所述CPU 模块U1的28～35脚相连接； 所述DDS1模块U5的1～7脚与所述缓冲模块U4的47，46，44， 43，41，40，38，37脚相连接； 所述PLL模块U6的23脚与所述DDS1模块U5的17脚相连接； 所述DDS2模块U9的1～4，25～28脚与所述CPU模块U1的50～57 脚相连接； 所述调制模块U7的68脚，29脚分别与所述PLL模块U6的18 脚，所述DDS2模块U9的27脚相连接； 所述放大模块U8的34脚与所述调制模块U7的51脚相连接。 3.  如权利要求1所述的用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设 备的原子钟模件，其特征是： 所述微弱信号检测电路(3)，包括微弱信号检测模块U11，解调 模块U12，DDS3模块U13；用以一方面接收原子钟物理系统(4)输 出的计时频率，经微弱信号检测模块U11处理，输出给解调模块U12； 另一方面接收中心控制电路(1)输出的控制字，DDS3模块U13输出 10KHz解调信号，送入解调模块U12。计时频率和10KHz解调信号， 经解调模块U12处理后，输出纠偏电压值；其中： 所述解调模块U12的2脚，7脚，28脚分别与所述微弱信号检测 模块U11的17脚，所述DDS3模块U13的5脚，所述A/D模块U2 的35脚相连接； 所述DDS3模块U13的1～4，25～28脚与所述CPU模块U1的 50～57脚相连接。 4.  如权利要求1所述的用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设 备的原子钟模件，其特征是： 所述原子钟物理系统(4)，包括专用量子物理系统模块U10；用 以接收频合/调制电路(2)输出的4.56GHz的调制信号，对专用量子 物理系统模块U10内部的VCSEL(垂直腔体表面发光激光器)进行调 制，得到两束相干光，用1/4波片实现两束光的圆偏振态，当两束光 同时照射铯Cs蒸汽腔时，导致电磁诱导透明，产生CPT(相干布局囚 禁)效应；通过鉴相器检测VCSEL透射光强的变化形成反馈，对调 制频率4.56GHz进行锁定，输出计时频率；其中： 所述专用量子物理系统模块U10的1脚，2脚分别与所述放大模 块U8的21脚，所述微弱信号检测模块U11的12脚相连接。

说明书用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设备的原子钟模件
技术领域
本发明涉及一种原子钟模件，特别是一种用于北斗/GPS时间信 号通信网络授时设备的原子钟模件。
背景技术
在传统跳频电台的设计过程中，受限于精度较低的温补晶体，使 得跳频通信网络建立时间偏长，同步保持时间偏短等方面存在问题， 因此，一种用于北斗/GPS时间信号的通信网络授时设备应运而生。
授时设备在北斗/GPS无法覆盖情况下，设备的授时精度受限于 设备内部的守时模块——恒温晶体的精度。首先，晶体的频率来源于 机械振荡源，其频率受限于机械尺寸和压力的变化，这样使得晶体频 率精度不高；其次，晶体的计时精度受限于环境因素如：温度、振动、 辐射等，另外石英晶体本身的离散性也影响了石英时钟计时精度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述已有技术存在的缺陷，采用原子 钟模块进行守时，提供一种设计合理，结构简单的用于北斗/GPS时 间信号通信网络授时设备的原子钟模件。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设备的原子钟模件， 包括有中心控制电路1，频合/调制电路2，微弱信号检测电路3和原 子钟物理系统4，共四个部分相结合构成一个整体，其中：
所述中心控制电路1，又包括CPU模块U1，A/D模块U2，VCXO 模块U3。用以控制频合/调制电路2输出高频率的信号；接收微弱信号 检测电路3输出的纠偏电压值；根据纠偏电压值，调节VCXO模块U3， 输出稳定度为10-12的标准频率10MHz。
所述频合/调制电路2，又包括缓冲模块U4，DDS1模块U5，PLL 模块U6，调制模块U7，放大模块U8，DDS2模块U9。用以分别接收 中心控制电路1输出的控制字，一路输出给DDS1模块U5，输出 100MHz的频率，经PLL模块U6，倍频出4.56GHz的本振信号；另一 路输出给DDS2模块U9，输出10KHz调制信号。4.56GHz的本振信号 与10KHz的调制信号经调制模块U7，放大模块U8处理后，输出 4.56GHz的调制频率。
所述微弱信号检测电路3，又包括微弱信号检测模块U11，解调 模块U12，DDS3模块U13。用以一方面接收原子钟物理系统4输出的 计时频率，经微弱信号检测模块U11处理，输出给解调模块U12；另 一方面接收中心控制电路1输出的控制字，DDS3模块U13模块输出 10KHz解调信号，送入解调模块U12。计时频率和10KHz解调信号， 经解调模块U12处理后，输出纠偏电压值。
所述原子钟物理系统4，包括专用量子物理系统模块U10。用以 接收频合/调制电路2输出的4.56GHz的调制信号，对专用量子物理系 统模块U10内部的VCSEL(垂直腔体表面发光激光器)进行调制，得 到两束相干光，用1/4波片实现两束光的圆偏振态，当两束光同时照 射铯(Cs)蒸汽腔时，导致电磁诱导透明，产生CPT(相干布局囚禁) 效应；通过鉴相器检测VCSEL透射光强的变化形成反馈，对调制频率 4.56GHz进行锁定，输出计时频率。
特别值得提出的是：
本发明为满足指标要求，采用了DDS+PLL频率合成技术和专用 量子物理系统模块。
所述DDS+PLL频率合成技术，是用一个DDS模块U5，激励一 个PLL模块U6，用PLL环路将DDS输出信号倍频至所需高频频 段，用滤波器滤除DDS输出信号的杂散干扰。从而使DDS+PLL系 统输出信号兼具DDS和PLL的优点，电路结构简单，输出4.56GHz 本振信号，满足原子钟系统10-12频率稳定度的要求。
所述专用量子物理系统模块，将VCSEL激光光源、四分之一玻片、 铯(Cs)蒸汽腔、光电池等光学器件，封装在一个物理模块，满足系 统要求的体积小，可靠性高，精度高的需求。
本发明的工作过程是：
中心控制电路输出数字信号对频合/调制电路输出进行调控，频合 /调制电路输出的4.56GHz调制信号，经专用量子物理系统模块处理， 输出计时频率；计时频率经微弱信号检测电路处理，输出纠偏电压值， 中心控制电路根据该纠偏电压值，一方面调节输出数字信号，重新对 频合/调制电路输出进行调控，形成伺服环路；另一方面调控VCXO 模块，输出标准频率。
综上所述，本发明采用了DDS+PLL频率合成技术和专用量子物 理系统模块，原子钟输出频率稳定度达到10-12，授时设备的授时精度 也随之提高，可以满足现代通信对时间信号的高精确性的要求；且本 发明设计合理、可靠性高、环境适应性强、体积小、使用方便。
附图说明
图1为本发明电路原理图。
图中符号说明：
1中心控制电路；
2频合/调制电路；
3微弱信号检测电路；
4原子钟物理系统。
其中：
U1是CPU模块；
U2是A/D转换模块；
U3是VCXO模块；
U4是缓冲模块；
U5是DDS1模块；
U6是PLL模块；
U7是调制模块；
U8是放大模块；
U9是DDS2模块；
U10是专用量子物理系统模块；
U11是微弱信号检测模块；
U12是解调模块；
U13是DDS3模块。
具体实施方式
请参阅图1所示，为本发明的具体实施例。
一种用于北斗/GPS时间信号通信网络授时设备的原子钟模件， 包括有中心控制电路1，频合/调制电路2，微弱信号检测电路3和原 子钟物理系统4，共四个部分相结合构成一个整体，其中：
所述中心控制电路1，包括CPU模块U1，A/D模块U2，VCXO模 块U3；且：
CPU模块U1的72，73，74，20～27脚分别与A/D模块U2的15， 17，21，26～33脚相连接；
VCXO模块U3的1脚与CPU模块U1的56脚相连接，VCXO 模块U3的2脚输出标准频率10MHz。
所述频合/调制电路2，包括缓冲模块U4，DDS1模块U5，PLL模块 U6，调制模块U7，放大模块U8；且：
缓冲模块U4的2，3，5，6，8，9，11，12脚与CPU模块U1 的28～35相连接；
DDS1模块U5的1～7脚与缓冲模块U4的47，46，44，43，41， 40，38，37脚相连接；
PLL模块U6的23脚与DDS1模块U5的17脚相连接；
DDS2模块U9的1～4，25～28脚与CPU模块U1的50～57脚相 连接；
调制模块U7的68脚，29脚分别与PLL模块U6的18脚，DDS2 模块U9的27脚相连接；
放大模块U8的34脚与调制模块U7的51脚相连接。
所述微弱信号检测电路3，包括微弱信号检测模块U11，解调模 块U12，DDS3模块U13。且：
解调模块U12的2脚，7脚，28脚分别与微弱信号检测模块U11 的17脚，所述DDS3模块U13的5脚，A/D模块U2的35脚相连 接；
DDS3模块U13的1～4，25～28脚与CPU模块U1的50～57脚相 连接。
所述原子钟物理系统4，包括专用量子物理系统模块U10；且：
专用量子物理系统模块U10的1脚，2脚分别与放大模块U8的 21脚，微弱信号检测模块U11的12脚相连接。
本发明主要元器件型号规格如下：
U1：SPCE061A；
U2：ADS8402；
U3：KV14-33-SINE-B-J-10MHz；
U4：SN74LVC16244A；
U5、U7、U12：AD9854；
U6：ADF4106；
U8：MAX3971A；
U9、U13：AD9850；
U10：专用量子物理系统模块；
U11：AD630；
其余部件均为工业级通用件。
以上实施例仅为本发明较佳实施例，用以说明本发明的技术特征 和可实施性，并非用以限定本发明的专利权利；同时以上描述，对于 熟知本技术领域的专业人士应可明了并加以实施。因此，在未脱离本 发明所揭示的前提下，所完成的等效的改变或修饰，均包含在所述的 权利要求范围内。
本发明为一个不可多得的一种用于北斗/GPS时间信号通信网络 授时设备的原子钟模件。该模件具备创造性、新颖性、实用性和进步 性，符合发明专利申请要件，故依据专利法提出申请。