趙廣東， 陳鵬飛， 劉 杰， 黃 奕， 李思衡

(1. 上海航天電子技術研究所，上海 201109；2. 中國科學院上海天文臺，上海 200030)

1 引 言

衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)實際上是衛(wèi)星測距和定時系統(tǒng)。無論在星上或者地面的主控站或監(jiān)測站都需要有高精度的原子鐘。被動型星載氫原子鐘作為星載原子鐘的一個分類，可適用于配置我國自主研發(fā)的導航組網衛(wèi)星，提供高精度時間和頻率基準。該系統(tǒng)主要為各類用戶提供定位、導航、測速、授時和通信等服務，且系統(tǒng)的時間基準信號的穩(wěn)定性及漂移率對系統(tǒng)的定位精度有著決定性的影響。目前國際上只有歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)以及我國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)配備了星載氫原子鐘。目前星載氫原子鐘的指標可以達到頻率準確度≤±5×10-12，秒穩(wěn)定度≤1×10-12，萬秒穩(wěn)定度≤1×10-14，天穩(wěn)定度≤7×10-15，頻率漂移率≤1×10-14/天。

被動型星載氫原子鐘有單頻以及雙頻兩種工作模式，單頻電路采用一種調制頻率，實現對微波腔和晶振信號的復用控制，完成系統(tǒng)閉環(huán)；與之相對，雙頻電路采用兩種探測頻率，分時對微波腔和晶振信號進行閉環(huán)控制。相比之下，雙頻電路在長期穩(wěn)定性指標和溫度系數等方面較容易控制。本文討論了被動型星載氫鐘電路系統(tǒng)雙頻方案中，如何從物理部分調制信號中提取檢出微波腔及晶振的分時誤差信號，并通過模擬開關實現誤差信號分離，分別送入AD模數轉換器數字采樣，實現誤差閉環(huán)控制，并最終實現微波腔及原子信號的鎖定。本研究探討的是如何將其中兩路誤差調制信號進行包絡檢波解調的實現方法。

2 原理分析

被動型星載氫原子鐘與主動型原子鐘的工作原理差異在于其需要電路系統(tǒng)給物理系統(tǒng)外部激勵信號，激發(fā)內部提純出來的氫原子躍遷，對躍遷出來的信號進行誤差提取、分離，通過PID算法，實現對誤差量的控制，從而實現原子鐘的鎖定。原理示意圖如圖1所示。

圖1 被動型星載氫原子鐘原理框圖Fig.1 Functional block diagram of the space-borne hydrogen atomic clock

2.1 探測信號分析

被動型星載氫原子鐘的雙頻實現方案中，假設晶振探測信號的中心頻點為f0，微波腔探測信號的中心頻點為f1，在一個T時間探測周期內，對氫原子的探測時間為T1，對微波腔的探測時間為T2。在T1時間內，以探測信號中心f0為基準，實現f0+fc與f0-fc的頻點跳變，跳變周期為t1；進入T2時間后，以探測信號中心f1為基準，實現f1+fd與f1-fd的頻點跳變，跳變周期為t2。T2時間結束后，重新進入T1時間循環(huán)激勵。一般情況下，探測信號的頻率綜合輸出，令f0=f1，下文均用f0來表示探測信號中心頻點。其中，f0初始理論值為1 420.405 751 MHz，fc=12.5 Hz，fd=50 kHz；T1=4.04 s，T2=400 ms，t1=t2=40 ms；

星載氫原子鐘物理腔激勵信號按上述周期交替饋入物理腔，持續(xù)探測物理微波腔以及氫原子的能級躍遷信號。經過伺服控制電路分別反饋控制物理變容二極管容值以及晶振壓控電壓后，探測信號頻率進入可控范圍，微波腔幅度調制的誤差信號以及電路系統(tǒng)的恒溫晶振的誤差信號逐漸變得清晰，直至可以被系統(tǒng)解調并通過相應的反饋通道控制并鎖定。

物理系統(tǒng)的微波腔可以看作帶寬很窄的門限濾波器，周期內的探測信號通過后形成了調幅波，當微波腔中心頻點與f0存在頻率差，則微波腔的探測輸出信號在T2時間內，存在+fd與-fd的相鄰跳頻時間內的信號幅度差，經過包絡檢波后獲取的就是其誤差信號，當該誤差信號進入一定范圍內后即可經過比例積分運算后經過內部的變容二極管進行調整，從而將微波腔的中心頻點最終鎖定在系統(tǒng)需要的頻點上。

同上，當探測信號f0+fc與f0-fc相鄰周期的信號進入氫原子躍遷條件的誤差范圍內后，原子躍遷的誤差信息經過包絡檢波后獲取，同樣經過比例積分運算后反饋至恒溫晶振的壓控電壓端調整晶振的輸出頻率，最終消除了相鄰周期的探測誤差，實現晶振輸出頻率鎖定在氫原子的躍遷頻率上。

被動型氫鐘的探測信號用指數形式表示的函數Ainc如下。令：

Ainc=A0exp{i{[ω0+φc(t)]t}}

(1)

則：

Ainc=A0exp{i[ω0t+mg(t)]}

(2)

式中：A0為探測信號的幅度；ω0為探測信號的中心頻率；jc(t)為調制信號的函數；t為時間；m為調制指數;g(t)為調制函數。

在單頻方案的被動型星載氫鐘應用中，調制信號函數jc(t)一般為正弦波；在雙頻方案中，jc(t)為按照一定周期跳動的4個常數，兩兩一組分別用以探測微波腔以及原子信號，如圖2的工作模式。

圖2 探測信號工作時序Fig.2 Detection signal time sequence

2.2 誤差信號的特性分析

如上所述，微波腔及晶振兩路的探測信號以f0為中心頻點，在各自時間周期內經過物理系統(tǒng)后，攜帶著相應的誤差信號輸出至電路系統(tǒng)。如圖1所示，經過下變頻組件將頻譜搬移至中心頻點為 19.6 MHz 的中頻信號。

在探測信號初始饋入物理微波腔時，中心頻率偏差較大，無法激勵出微波腔誤差信號及晶振誤差信號，誤差自測信號顯示為噪聲。當微波腔溫度穩(wěn)定后，變容二極管控制電壓以及晶振壓控電壓進入可控范圍后，被動型星載氫原子鐘探測出來的輸出信號均為各自帶有幅度信息的調制信號，誤差信號示意如圖3所示。

圖3 誤差信號示意圖Fig.3 Schematic diagram of error signals

3 方案實現

3.1 誤差信號包絡檢波方案的實現

包含有兩種誤差信號的調幅波，載波信號經過下變頻組件后頻譜被搬至19.6 MHz，再通過信號放大、積分濾波、包絡檢波、信號分離以及電平變換的方法從而實現誤差信號的分離、提取。信號流程如圖4所示。

在物理系統(tǒng)分別激勵出的T1和T2周期的晶振誤差信號和微波腔誤差信號由于相應的探測信號功率相差11 dB，因此解調出的誤差信號功率也相差較大，故需要找到一個合適的包絡檢波二極管入口功率。方案中前級的中頻放大器以及阻抗匹配電路實現了電平的可調整性以及阻抗的50 Ω匹配，避免了因放大鏈路自激從而導致檢波二極管功率堵塞頂飽和。圖1中的下變頻組件與中頻放大器鏈路總增益共約75 dB，如阻抗匹配失配或中頻放大器在工程設計中接地效果不佳，則極易發(fā)生信號自激。

在二極管包絡檢波將圖3的誤差信息從調幅波以包絡的形式檢出后，直流電平較低，信號中可能混有串擾的載波信號以及復雜多變的系統(tǒng)噪聲，對誤差信號的采樣計算精度會有一定程度的影響，該影響足以惡化被動型氫原子鐘輸出基準信號的性能。故后級通過窄帶低通濾波器進行濾波平滑。通過其S(2,1)參數仿真結果如圖5可知，方案中采用的濾波電路在載波頻點處約有45 dB的抑制能力，足以防止干擾信號對誤差信號檢波電平產生影響。

圖4 誤差信號提取分離框圖Fig.4 Block diagram of error signal’s extraction and separation

圖5 濾波特性Fig.5 Characteristics of filter

根據前文分析可知，因在T1和T2周期內的探測信號的功率特性不一樣，故包絡檢波出的包絡電平也是有區(qū)別的。在T1周期內的晶振誤差信號較弱，在T2周期內的微波腔誤差信號較強，故在實現誤差分離前，需對解調出來的誤差信號進行電平運算，以滿足后級的采樣精度要求。因為物理系統(tǒng)的原子躍遷信號增益是有差異的，信號的信噪比同樣也有所區(qū)別，故包絡檢波的通道設計的原則是讓兩路誤差信號盡量清晰，并處在通道的線性區(qū)，不允許有失真情況存在。因此，設計了檢波濾波后的第一級運算放大電路如圖6所示。因采取的是調幅信號負包絡檢波，故對解調出的包絡電平進行反向放大。同時為了防止外部參考偏置電壓的抖動或者噪聲對信號的提取有影響，圖6中+6 V外部參考偏置電壓源采用高精度穩(wěn)壓二極管獨立電路，有效地防止了上述可能的負面影響。

圖6 檢波后電平轉換電路Fig.6 Convertor circuit

圖6中，檢波電平偏置及放大輸出計算等式如下：

令

(3)

(4)

式中：Vc為外部參考偏置電平;Vout為誤差信號經過運放放大后的電平。則

(5)

分析式(4)得知，電路中的電阻R4決定了包絡檢波出的誤差信號的放大倍數，而Vc決定了誤差信號的直流偏置電平位置。根據不同的原子鐘的誤差信號特性，需要將誤差信號盡量放大清晰并處在合適的偏置電平位置。

3.2 誤差信號的分離提取

在完成了誤差信號包絡檢波及電平變換后，要考慮如何將T1和T2時間范圍內的兩路誤差信號分離出來分別做處理。本研究采用的是三路二選一的模擬開關CC4053來實現分離方案。原理如圖7所示。

圖7 誤差信號分離開關原理圖Fig.7 Principle diagram of error signal separation switch

兩路經過電平變換后的誤差信號通過第一路X(和Z通道并聯使用)通道后，通過開關控制信號S1將T1時間內的晶振誤差信號從X1通路經過隔直電容后取出，波形如圖3(b)所示；T2時間內的腔頻誤差信號送入Y通道，并通過開關控制信號S2提取出T2周期時間內的誤差信息同樣經過隔直電容后取出，波形如圖3(b)所示,進而實現了兩路誤差信號的分離。誤差信號分離控制時序需和探測信號頻點跳變時序一致，才能盡可能多的有效采集到誤差信號。

圖8 誤差信號分離控制時序Fig.8 Error signal separation control sequence

3.3 遙測信號的實現

被動型星載氫原子鐘鎖定后的穩(wěn)定狀態(tài)應是恒溫晶振鎖定在了氫原子的躍遷頻率上，該鎖定環(huán)路消除了上述的兩路誤差之一的晶振誤差，即圖3(b)中的A3及A4幅度值無限接近相等。在第1.4節(jié)中實現誤差分離后，根據兩路誤差信號的特性，再次分別進行濾波放大。原子躍遷信號被鎖定后，由于幅度誤差被消除，物理系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的類似正弦波信號。同樣采用CC4053開關，先通過X通道取出了誤差信號的正半周信號，其次對該正半周信號的峰值進行了采樣保持，平滑濾波后作為遙測電壓輸出。該信號的遙測值除了反映星載氫原子鐘是否鎖定外，一定程度上反映了激蕩出的氫原子躍遷出的信號的質量，是在軌時對星載氫原子鐘性能判斷的主要手段。

圖9 鎖定遙測生成原理圖Fig.9 Diagram of locking telemetry’s generation

圖10 遙測電壓采樣時序Fig.10 Telemetry voltage sampling sequence

4 結果分析

根據對被動型星載氫原子鐘物理部分輸出的調幅信號功率及下變頻組件鏈路增益計算后可知，中頻放大器入口調制電平總范圍約為-10～-32 dBm。通過輸入純載波信號(幅度不變，檢波后為固定電平)，設步進為1 dBm，測出包絡檢波解調通道中第一級運算放大器輸出電平的標校情況如表1所示，均在通道的線性區(qū)內。

現模擬物理部分輸出信號，通過信號模擬器生成載波19.6 MHz的AM調幅信號，調制信號25 Hz，調制深度設為40%，輸入調制信號波形如圖11所示。

表1 檢波電平標校Tab.1 Voltage of detector

圖11 調制信號輸入波形Fig.11 Waveform of modulated signal

圖12 解調后誤差信號波形Fig.12 Error signal waveform after demodulation

5 結 論

本文研究了被動型星載氫原子鐘雙頻方案的幅度調制誤差信號通過包絡檢波的實現方法，分析了如何將氫原子鐘兩路誤差信號分離提取。通過相關通道的理論分析以及驗證測試表明，本方法能夠實現被動型星載氫鐘兩路誤差調幅信號的精確解析，后續(xù)研究將考慮誤差調幅信號數字解調的方案，其優(yōu)點是硬件資源使用較少，控制時序配置更加靈活，且更加有利于實現后續(xù)的原子鐘小型化設計。