СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY STANDARD

Изобретение относится к радиотехнике, а конкретно, к средствам формирования стабильных по частоте радиотехнических сигналов.
Среди средств данного назначения распространены устройства, основанные на использовании подстраиваемого кварцевого генератора, замкнутого в кольцо автоматической подстройки частоты относительно спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу атомов вещества (переходу с одного энергетического уровня на другой). Обобщенная структурная схема таких устройств, называемых квантовыми стандартами частоты, представлена, например, в книге [1] - Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов / А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др., под ред. Б.П. Фатеева // М, Сов. Радио, 1978, с. 5-9, рис. В.3. Примеры вариантов выполнения таких квантовых стандартов частоты представлены, в частности, в патентах: [2] - RU 2208905 (C1), H03L 7/26, 20.07.2003; [3] - RU 2378756 (C1), H03L 7/16, H01S 3/10, 10.01.2008; [4] - RU 2452086 (C1), H03L 7/26, H01S 1/06, 27.05.2012; [5] - US 6300841 (B1), H03L 7/26, 09.10.2001; [6] - US 6710663 (В1), H03L 7/26, 23.03.2004. Высокая стабильность, реализуемая в этих стандартах частоты, обеспечиваемой тем, что в качестве эталона для подстройки номинала частоты кварцевого генератора используются частоты, связанные с определенными спектральными линиями квантовых переходов атомов используемого рабочего вещества (переходами с одного энергетического уровня к другому). В силу своей стабильности эти частоты относят к мировым константам. При этом, поскольку эти частоты на порядки выше частот выходных сигналов обычных кварцевых генераторов, то отсутствует возможность их непосредственного использования в цепях автоподстройки. Поэтому для решения задач автоподстройки в стандартах частоты [1]-[6] используются особые устройства - квантовые дискриминаторы, объединяющие в себе механизмы квантовой и радиоэлектронной техники. Например, в стандартах частоты, представленных в патентах [5]-[6], применены квантовые дискриминаторы, выполненные на основе газовой ячейки с рабочим веществом в виде паров рубидия. Газовая ячейка размещается в СВЧ резонаторе, на который воздействуют возбуждающим модулированным по частоте СВЧ сигналом, формируемым на основе выходного сигнала кварцевого генератора. Через ячейку пропускается световое излучение, формируемое, например, безэлектродной спектральной лампой, и фиксируется прохождение света с помощью фотодетектора. Это прохождение имеет ярко выраженный резонансный минимум, наблюдаемый при совпадении несущей частоты возбуждающего СВЧ сигнала с резонансной частотой, определяемой квантовыми свойствами рабочего вещества газовой ячейки. Отклонение этой несущей частоты от резонансного минимума характеризует отклонение частоты выходного сигнала кварцевого генератора от номинала, что позволяет использовать данное явление для подстройки частоты кварцевого генератора. Формирование управляющего сигнала для кварцевого генератора из выходного сигнала фотодетектора происходит с использованием синхронного детектирования. Под действием сформированного управляющего сигнала частота выходного сигнала кварцевого генератора стабилизируется, минимизируя отклонение от своего номинального значения.
Этот же принцип стабилизации частоты подстраиваемого генератора реализован в стандарте частоты, представленном в патенте [7] - RU 2220499 (С2), H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003, принятом в качестве прототипа.
Стандарт частоты, выбранный в качестве прототипа, содержит соединенные в кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты, преобразователь частоты, блок формирования сигнала ошибки, выполненный на основе квантового дискриминатора на газовой ячейке, и формирователь управляющего воздействия, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора. Опорные входы преобразователя частоты и формирователя управляющего воздействия связаны с выходами синтезатора частоты, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Выход стандарта частоты образован выходом делителя частоты, подключенного к выходу умножителя частоты.
Стандарт частоты, выбранный в качестве прототипа, работает следующим образом. Сигнал подстраиваемого кварцевого генератора проходит через умножитель частоты и поступает на вход делителя частоты, а также на сигнальный вход преобразователя частоты. С выхода делителя частоты сигнал поступает на выход устройства, при этом произведенные операции умножения и деления частоты несколько уменьшают его шумовую составляющую. Сигнал с выхода подстраиваемого кварцевого генератора также поступает на вход синтезатора частоты. Синтезатор частоты формирует опорные сигналы, которые поступают на опорные входы преобразователя частоты и формирователя управляющего воздействия. Преобразователь частоты на основе сигналов, поступающих на его сигнальный и опорный входы, формирует модулированный СВЧ сигнал, параметры которого определяются текущим значением частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора. Этот СВЧ сигнал подается на возбуждающий вход квантового дискриминатора, образованный возбуждающим входом СВЧ резонатора, в котором располагается газовая ячейка. Квантовый дискриминатор реализует функцию высокодобротного резонансного устройства, в котором величина светового излучения, проходящего через газовую ячейку, имеет максимум поглощения при совпадении частоты возбуждающего СВЧ сигнала, с частотой определенного энергетического перехода атомов рабочего вещества газовой ячейки. Этот резонанс поглощения света выявляется фотодетектором, выходной сигнал которого несет в себе информацию об отклонении частоты СВЧ сигнала (и, следовательно, частоты выходного сигнала подстраиваемого генератора) от эталона. Величина этого отклонения выявляется в формирователе управляющего воздействия путем синхронного детектирования с использованием опорного сигнала, формируемого синтезатором частоты, и преобразуется в управляющий сигнал, под действием которого частота подстраиваемого генератора стабилизируется относительно номинала.
Недостатком стандарта частоты [7], выбранного в качестве прототипа, как и аналогов [1]-[6], является сложность реализации, обусловленная необходимостью использования сложных квантовых устройств типа квантового дискриминатора, а также сложных радиотехнических средств, используемых для некратного преобразования частоты сигнала кварцевого генератора и выделения сигнала ошибки. При этом присущая радиотехническим средствам собственная нестабильность вносит свой вклад в нестабильность частоты выходного сигнала кварцевого генератора, причем, чем больше этих средств, тем больше вносимый ими вклад в нестабильность выходного сигнала.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является создание более простого стандарта частоты, реализующего принцип стабилизации частоты кварцевого генератора путем ее подстройки относительно определенного эталона, характеризующегося сниженным фактором внутренней нестабильности, обусловленным предлагаемым новым выбором эталона для оценки стабильности частоты и упрощением радиотехнической части стандарта частоты.
Сущность изобретения заключается в следующем. Стандарт частоты содержит последовательно соединенные подстраиваемый кварцевый генератор и синтезатор частоты, а также последовательной соединенные блок формирования сигнала ошибки и формирователь управляющего воздействия, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора. В отличие от прототипа, блок формирования сигнала ошибки содержит оптоэлектронную линию задержки, состоящую из последовательно соединенных электронно-оптического преобразователя, светопроводящего канала и оптоэлектронного преобразователя, а также первого и второго аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и процессора цифровой обработки. При этом вход электронно-оптического преобразователя соединен с квантующим входом первого АЦП, образуя опорный вход блока формирования сигнала ошибки, который соединен с выходом синтезатора частоты. Выход оптоэлектронного преобразователя соединен с квантующим входом второго АЦП, сигнальный вход которого, соединенный с сигнальным входом первого АЦП, образует сигнальный вход блока формирования сигнала ошибки, который соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Выходы первого и второго АЦП соединены с входами процессора цифровой обработки, выход которого образует выход блока формирования сигнала ошибки, соединенный с входом формирователя управляющего воздействия.
Сущность изобретения и его осуществимость поясняются структурной схемой стандарта частоты.
Стандарт частоты в рассматриваемом примере реализации содержит подстраиваемый кварцевый генератор 1, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя 2 управляющего воздействия, вход которого соединен с выходом блока 3 формирования сигнала ошибки.
Выход кварцевого генератора 1 образует выход стандарта частоты, который соединен с входом синтезатора частоты 4 и сигнальным входом блока 3 формирования сигнала ошибки.
Выход синтезатора частоты 4 соединен с опорным входом блока 3 формирования сигнала ошибки.
Блок 3 формирования сигнала ошибки содержит оптоэлектронную линию задержки, состоящую из последовательно соединенных электронно-оптического преобразователя 5, светопроводящего канала 6 и оптоэлектронного преобразователя 7. Для обеспечения стабильности параметров светопроводящего канала 6, обеспечивающих постоянство времени прохождения через него световых импульсов, он размещается в термостабилизированной среде (в рамках данной заявки вопросы термостабилизации светопроводящего канала 6 не рассматриваются как не относящиеся к сущности изобретения).
Вход электронно-оптического преобразователя 5 соединен с квантующим входом первого АЦП 8, образуя опорный вход блока 3 формирования сигнала ошибки, который соединен с выходом синтезатора частоты 4.
Выход оптоэлектронного преобразователя 7 соединен с квантующим входом второго аналого-цифрового преобразователя 9.
Сигнальные входы АЦП 8 и 9 соединены между собой и образуют сигнальный вход блока 3 формирования сигнала ошибки, который соединен с выходом подстраиваемого генератора 1.
Выходы АЦП 8 и 9 соединены с входами процессора 10 цифровой обработки. Выход процессора образует выход блока 3 формирования сигнала ошибки, соединенный с входом формирователя 2 управляющего воздействия.
Стандарт частоты работает следующим образом. Гармонический сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 подается на вход синтезатора частоты 4, а также на сигнальный вход блока 3 формирования сигнала ошибки, то есть на сигнальные входы АЦП 8 и 9.
Синтезатор частоты 4 формирует импульсы квантующей частоты, которая выбирается из соотношения , где n=0,1,2,3 …, а  - частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1.
Сформированные синтезатором частоты 4 импульсы квантующей частоты поступают на вход электронно-оптического преобразователя 5, а также на квантующий вход АЦП 8.
В электронно-оптическом преобразователе 5 происходит преобразование электрических импульсов в световые, которые далее поступают в светопроводящий канал 6.
0
0
0
Время t, затрачиваемое одним световым импульсом на прохождение светопроводящего канала 6, определяется как t=S/ν, где S - длина светопроводящего канала 6, a ν - скорость распространения света в светопроводящем канале 6. В условиях обеспечения стабильности светопроводящей среды интервал времени t является постоянной величиной, которая далее используется в качестве эталона времени для измерения приращений фаз выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1.
С выхода светопроводящего канала 6 световые импульсы поступают на вход оптоэлектронного преобразователя 7, где преобразовываются в электрические импульсы, которые далее поступают на квантующий вход АЦП 9.
В АЦП 8 осуществляется квантование выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 импульсами квантующей частоты, поступившими с выхода синтезатора частоты 4.
0
В АЦП 9 осуществляется квантование выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 задержанными на время t импульсами квантующей частоты, прошедшими через электронно-оптический преобразователь 5, светопроводящий канал 6 и оптоэлектронный преобразователь 7.
0
С выходов АЦП 8 и 9 результаты квантования выходного сигнала подстраиваемого генератора 1 в виде отсчетов (цифровых кодов выборок) поступают на соответствующие входы процессора 10 цифровой обработки, в котором осуществляется цифровая обработка этих отсчетов, определение приращений фаз выходного сигнала подстраиваемого генератора 1 по отношению к эталонному промежутку времени t и формирование на этой основе сигнала ошибки для последующей автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1.
Осуществляется это следующим образом.
0
1
2
3
0
Процессор 10 цифровой обработки считывает потоки цифровых кодов выборок из АЦП 8 и 9, осуществляет разбиение их на тетрады опорного U(k), U(k), U(k), U(k) и измеряемого  каналов (каналов, образованных, соответственно, АЦП 9 и АЦП 8), вычисляет фазы φ(k), φ(k) и далее на их основе определяет отклонение (уход) частоты y(k) текущего сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 в соответствии с выражениями:
где: k - номер текущей тетрады,
0
f - номинальное значение частоты сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1.
Вычисленные значения отклонения частоты y(k) сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 подвергаются цифровой фильтрации, формируя выходной сигнал блока 3 формирования сигнала ошибки, который поступает на вход формирователя 2 управляющего воздействия.
Формирователь 2 управляющего воздействия в зависимости от астатизма системы автоподстройки и конкретного выполнения подстраиваемого кварцевого генератора 1 формирует управляющий сигнал, например в виде кода подстройки, который поступает на его управляющий вход.
Под действием управляющего сигнала частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 изменяется в сторону уменьшения сигнала ошибки и приближения значения текущей частоты к номинальному значению.
0
1
2
3
Для иллюстрации формирования кодов y(k) запишем выражения для k-ых тетрад выборок U(k), U(k), U(k), U(k) опорного и  измеряемого каналов:
где: i - номер выборки в тетраде, принимающий значения i=0,1,2 и 3;
α - постоянный фазовый сдвиг;
f - частота сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1;
- период сигнала дискретизации, где j=0,1,2,3,…
Такой выбор интервала временной дискретизации обеспечивает ортогональность смежных выборок (фазовый сдвиг между соседними выборками равный π/2), то есть формирование квадратурных выборок комплексного сигнала последовательно во времени, что, в отличие от традиционного формирования параллельных квадратурных каналов, позволяет исключить ошибку из-за неидентичности амплитуд квадратурных сигналов.
s
В самом деле, подставляя выражение для t в (4) и (5), получим:
Из (1) и (2) с учетом (6) и (7), получим:
Решая систему (8) и (9) относительно y(k), получим выражение (3).
Рассмотренный алгоритм определения ухода частоты y(k) текущего сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 в части, относящейся к обработке выходных сигналов АЦП 8 и АЦП 9, основан на показавшем свою практическую эффективность способе измерения частоты, представленном в патенте [8] - RU 2591742 (C1), G01R 23/00, 20.07.2016, что дополнительно подтверждает реализуемость изобретения.
Точность поддержания (стабильность) номинала частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 при практической реализации заявляемого изобретения зависит от стабильности параметров оптоэлектронной линии задержки, формирующей эталон времени. При применении средств прецизионной термостабилизации светопроводящего канала 6, а также выборе для него светопроводящей среды с наименьшим значением коэффициента температурного расширения, значение долговременной стабильности заявляемого устройства будет близко к долговременной стабильности, обеспечиваемой квантовыми стандартами частоты, то есть заявляемое устройство реализует свое назначение как стандарта частоты, то есть средства формирования стабильных по частоте радиотехнических сигналов.
При этом заявляемое устройство выгодно отличается от прототипа - стандарта частоты, использующего в качестве эталона частоты частоту определенного квантового перехода рабочего вещества газовой ячейке, отсутствием сложных квантовых устройств типа квантового дискриминатора и существенным упрощением радиотехнической части, что резко снижает факторы внутренней нестабильности устройства, обусловленные присущей радиотехническим средствам собственной нестабильности.
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании более простого стандарта частоты, характеризующегося сниженным фактором внутренней нестабильности, обусловленным предлагаемым новым выбором эталона для оценки стабильности частоты и упрощением радиотехнической части стандарта частоты.
Источники информации
1. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов / А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др., под ред. Б.П. Фатеева // М., Сов. Радио, 1978, с. 5-9, рис. В.3.
2. RU 2208905 (C1), H03L 7/26, 20.07.2003.
3. RU 2378756 (C1), H03L 7/16, H01S 3/10, 10.01.2008.
4. RU 2452086 (C1), H03L 7/26, H01S 1/06, 27.05.2012.
5. US 6300841 (B1), H03L 7/26, 09.10.2001.
6 US 6710663 (B1), H03L 7/26, 23.03.2004.
7. RU 2220499 (С2), H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003
8. RU 2591742 (C1), G01R 23/00, 20.07.2016.