数字通信网的定时与测量
上QQ阅读APP看本书,新人免费读10天
设备和账号都新为新人

3.2 基准时钟

基准时钟产生频率标准。目前最精准的频率标准是原子频率标准,即原子时钟,简称原子钟。它是根据原子物理学与量子力学的原理制成的高准确度和高稳定度的频率发生器。

原子钟的基本工作原理是利用铯、铷等稀有金属原子的能级跃迁和原子的谐振特性,产生频率标准。通常原子处于一个相对稳定的能量状态,当受到外界激励后,会产生能量改变,称为能级跃迁。在能级跃迁过程中产生电磁辐射能。根据量子力学研究,不同能量差与电磁辐射能谐振频率的关系式是:

此式就是著名的普朗克定律,其中E2-E1为高、低能态的能量差,h为普朗克常量(h=6.626×10-34J·s),f为谐振频率。由于原子的能级差是固定的,h是常数,故发生能级跃迁时产生的谐振频率也是固定的,保证了频率标准的高度稳定与可靠。

通信领域中常用的原子钟是铯原子钟和铷原子钟,分别简称铯钟和铷钟。

3.2.1 铯钟

铯钟主要由铯束管、频率变换与误差校正单元组成。

铯束管

图3.1是铯束管的组成,其中A为铯元素与加热器,B为选态磁场,C为微波谐振腔,D为原子监测器,E为电子倍增器。

图3.1 铯束管的组成

铯钟工作过程

在加热器中将铯元素加热到100℃左右时即产生铯原子束,经选态磁场B将高能态与低能态的原子分开,占绝大多数的高(或低)能态的原子进入微波谐振腔C,受到微波辐射激励。当激励信号频率与原子跃迁的频率相同时,原子激发产生跃迁,能态随之改变,当这些原子再次穿过选态磁场时,原子按高、低能态分为两束。在铯束管中的原子监测器D只能检测产生能量变化的原子,这些原子撞击监测器产生电离,经电子倍增器E将离子电流放大输出。铯束管产生的谐振频率为9192631770Hz,它是铯原子钟的原始频率。此频率也用来定义UTC的原子秒标准时间。

频率变换和误差校正单元

铯束管产生的9192631770Hz频率处于微波频段,不适宜通信网的实际应用,需要一套频率变换设备,通过锁相环电路,使高稳定度压控晶体振荡器的信号(如5MHz)锁定到铯束管的谐振频率上。其工作原理如图3.2所示。

5MHz压控振荡器VCXO的一路输出信号送至5/180倍频器,倍频数为36,同时加入137Hz的相位调制,输出180MHz信号。再经180/9180二次倍频(倍频数为51),输出9180MHz信号。5MHz压控振荡器的另一路输出信号送到缓冲放大器,放大器的一路输出信号经频率综合器送至压控振荡器(产生12.631770MHz),与上面二次倍频的输出信号综合成9192.631770MHz信号。此信号与铯束管产生的信号进行比较,通过伺服单元检测频率误差,再通过其输出电压,控制5MHz压控振荡器,调整其频率,并通过缓冲放大器放大输出,作为铯钟的实用频率标准。在实际应用中通过分频和倍频,铯钟还提供1MHz、10MHz和2.048MHz等标准频率。

铯钟除在通信中作为同步网的基准频率外,还常用做各种测量的基准。

图3.2 频率变换和误差校正单元

3.2.2 铷钟

铷钟的工作原理与铯钟相近,它利用铷元素中原子的能级跃迁产生的谐振频率作为基准,其频率是6.834GHz。据图3.3,铷钟由两大部分构成。第一部分有铷灯A(又称铷泡),谐振腔和恒温箱B,光探测器C;第二部分是频率变换和误差检测单元,包括幅度相位检测及伺服控制,压控振荡器,调制器和综合器等。其简要工作过程是:铷元素在铷灯A内受激励后形成等离子束,发射到谐振腔,在腔内经光学方式选态,再受激后发生能级跃迁,然后到达光检测器C,产生铷原子能级跃迁的谐振频率6.834GHz信号。此信号控制第二部分外围电路,产生5MHz或10MHz实用频率标准,也可通过变频产生2.048MHz标准频率。

图3.3 铷钟的组成