基于弛豫时间的信号控制装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于弛豫时间的信号控制装置和方法，属于原子频标领域。所述方法包括：获取装置的环路相应时间；确定装置的弛豫时间；根据弛豫时间，调节调制信号的频率和同步信号的频率，得到改变后的调制信号和改变后的同步信号，改变后的同步信号的频率与改变后的调制信号的频率均为弛豫时间倒数的1/10～1/2倍；根据改变后的调制信号，得到新的量子鉴频信号；根据第一用户指令调节改变后的调制信号的相位或改变后的同步信号的相位，使新的量子鉴频信号的不稳定状态位于改变后的同步信号的稳定状态内。本发明通过调节调制信号或同步信号的相位，使新的量子鉴频信号的不稳定状态位于改变后的同步信号的稳定状态内，便于对采样信号进行准确分析。
【专利说明】基于弛豫时间的信号控制装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种基于弛豫时间的信号控制装置和方法。
【背景技术】
[0002] 原子钟的弛豫时间（即系统中某变量由不稳定状态趋于稳定状态所需要的时间， 例如，信号从稳定的高电平转换为稳定的低电平时所需要的转换时间）反映了一台原子钟 的物理系统响应外部激励信号的快慢程度，因为现有电子线路都有是用半导体构成，电传 输速度相当高，故对整个系统而言，弛豫时间在很大程度上决定了系统闭环的环路响应时 间的极限值，这对研发人员在后续伺服模块中，对同步信号相位的调节有很大的帮助。
[0003] 现有技术中的原子钟的弛豫时间一般是通过原子物理理论，根据经验进行理论估 计得到的一个估算值。因为每个原子钟系统中的电场、磁场、射频场、以及温度场等都不尽 相同，各个原子钟系统各自的弛豫时间也都大不相同，因此，采样的量子鉴频信号与同步信 号存在量子鉴频信号的高低电平变化位于同步信号的高低电平发生变化的时间范围内的 情况，这种采样信号不便于进行分析，进而造成分析结果不准确。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术中采样信号分析不准确的问题，本发明实施例提供了一种基于 弛豫时间的信号控制装置和方法。所述技术方案如下：
[0005] -方面，本发明实施例提供了一种基于弛豫时间的信号控制装置，所述装置包括： 包括量子系统、伺服环路、处理器、压控晶体振荡器VCX0和信号处理电路，所述处理器控制 输出的调制信号和所述VCX0的输出信号同时经过所述信号处理电路后得到微波探询信 号，所述微波探询信号经过所述量子系统后生成量子鉴频信号，所述伺服环路用于将所述 量子鉴频信号进行鉴相得到同步鉴相信号，所述处理器在产生所述调制信号的同时产生同 步f目号，
[0006] 所述处理器还用于获取所述装置的环路响应时间；
[0007] 根据所述环路响应时间，确定所述装置的弛豫时间；
[0008] 根据所述弛豫时间，调节所述调制信号的频率所述同步信号的频率，得到改变后 的调制信号和改变后的同步信号，所述改变后的调制信号的频率为所述弛豫时间倒数的 1/10?1/2倍，所述改变后的同步信号的频率与所述改变后的调制信号的频率相同；
[0009] 根据所述改变后的调制信号，得到新的量子鉴频信号；
[0010] 根据第一用户指令调节所述改变后的调制信号的相位或所述改变后的同步信号 的相位，使所述新的量子鉴频信号的不稳定状态位于所述改变后的同步信号的稳定状态 内。
[0011] 进一步地，所述装置还包括：
[0012] 采集模块，用于根据所述改变后的同步信号采集所述新的量子鉴频信号；
[0013] 信号显示器，用于显示所述改变后的同步信号和所述新的量子鉴频信号，得到显 不结果；
[0014] 接收模块，用于接收用户输入的根据所述显示结果得到的所述第一用户指令。
[0015] 进一步地，所述装置还包括环形振荡器，用于将所述伺服环路的输出信号反相后 输出；
[0016] 所述处理器还用于获取所述环形振荡器的周期，并获取所述量子系统、所述伺服 环路、所述处理器和所述环形振荡器形成的振荡环路的周期；
[0017] 所述处理器还用于根据所述环形振荡器的周期和所述振荡环路的周期，确定所述 装置的环路响应时间。
[0018] 可选地，所述伺服环路中设有相敏放大器，用于将所述同步鉴相信号转换为电压 控制信号；
[0019] 所述装置还包括：数模转换器，用于将所述电压控制信号转换为模拟信号后，输出 给所述VCX0。
[0020] 可选地，所述装置还包括：移相器，用于根据第二用户指令调节所述电压控制信号 的相移，所述第二用户指令由用户根据所述显示结果通过所述接收模块输入。
[0021] 另一方面，本发明实施例提供了 一种基于弛豫时间的信号控制方法，米用如第一 方面所述的装置实现，所述方法包括：
[0022] 获取所述装置的环路相应时间；
[0023] 根据所述环路响应时间，确定所述装置的弛豫时间；
[0024] 根据所述弛豫时间，调节所述调制信号的频率和所述同步信号的频率，得到改变 后的调制信号和改变后的同步信号，所述改变后的调制信号的频率为所述弛豫时间倒数的 1/10?1/2倍，所述改变后的同步信号的频率与所述改变后的调制信号的频率相同；
[0025] 根据所述改变后的调制信号，得到新的量子鉴频信号；
[0026] 根据第一用户指令调节所述改变后的调制信号的相位或所述改变后的同步信号 的相位，使所述新的量子鉴频信号的不稳定状态位于所述改变后的同步信号的稳定状态 内。
[0027] 优选地，所述方法包括：
[0028] 根据所述改变后的同步信号采集所述新的量子鉴频信号；
[0029] 显示所述改变后的同步信号和所述新的量子鉴频信号，得到显示结果；
[0030] 接收用户输入的根据所述显示结果得到的所述第一用户指令。
[0031] 进一步地，所述获取所述装置的弛豫时间，包括：
[0032] 获取环形振荡器的周期和振荡环路的周期；
[0033] 根据所述环形振荡器的周期和所述振荡环路的周期，确定所述装置的环路响应时 间。
[0034] 可选地，所述方法还包括：
[0035] 接收用户输入的第二用户指令，所述第二用户指令由用户根据所述显示结果输 入；
[0036] 根据所述第二用户指令，调节电压控制信号的相移，所述电压控制信号根据同步 鉴相信号得到。
[0037] 优选地，所述调制信号的频率为所述弛豫时间倒数的1/5倍或1/10倍。
[0038] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0039] 通过获取原子钟的弛豫时间，将处理器输出的调制信号的频率和同步信号的频率 同时调为弛豫时间倒数的若干倍后，得到新的量子鉴频信号，并根据用户指令调节改变后 的调制信号或改变后的同步信号的相位，使量子鉴频信号的不稳定状态（即高低电平发生 变化的区域）位于改变后的同步信号的稳定状态的区域（即高电平区域或者低电平区域） 内，便于对采样信号进行分析，进而提高了分析结果的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
[0041] 图1是本发明实施例一提供的一种基于弛豫时间的信号控制装置的结构示意图；
[0042] 图2是本发明实施例二提供的一种基于弛豫时间的信号控制装置的结构示意图；
[0043] 图3是本发明实施例二提供的量子鉴频信号的输出结果示意图；
[0044] 图4是本发明实施例三提供的一种基于弛豫时间的信号控制方法的流程图；
[0045] 图5是本发明实施例四提供的一种基于弛豫时间的信号控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0046] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
[0047] 实施例一
[0048] 本发明实施例提供了一种基于弛豫时间的信号控制装置，参见图1，该装置包 括：量子系统 11、伺服环路 12、处理器 13、VCX0(VoltageControlledX'tal(crystal) Oscillator，压控晶体振荡器）14和信号处理电路15,处理器13输出的调制信号和VCXO 14的输出信号同时经过信号处理电路15后得到微波探询信号，微波探询信号经过量子系 统11后生成量子鉴频信号，伺服环路12用于将量子鉴频信号进行鉴相得到同步鉴相信号， 处理器13在产生调制信号的同时产生同步信号，处理器13还可以用于获取该装置的环路 响应时间；
[0049] 根据环路响应时间，确定装置的弛豫时间；
[0050] 根据弛豫时间，调节调制信号的频率和同步信号的频率，得到改变后的调制信号 和改变后的同步信号；其中，改变后的调制信号的频率为弛豫时间倒数的1/10?1/2倍，改 变后的同步信号的频率与改变后的调制信号的频率相同；
[0051] 根据改变后的调制信号，得到新的量子鉴频信号；
[0052] 根据第一用户指令调节改变后的调制信号的相位或改变后的同步信号的相位，使 新的量子鉴频信号的不稳定状态位于改变后的同步信号的稳定状态内。
[0053] 实现时，该装置可以是原子钟（即原子频标）。
[0054] 本发明实施例通过获取原子钟的弛豫时间，将处理器输出的调制信号的频率和同 步信号的频率同时调为弛豫时间倒数的若干倍后，得到新的量子鉴频信号，并根据用户指 令调节改变后的调制信号或改变后的同步信号的相位，使量子鉴频信号的不稳定状态（即 高低电平发生变化的区域）位于改变后的同步信号的稳定状态的区域（即高电平区域或者 低电平区域）内，便于对采样信号进行分析，进而提高了分析结果的准确性。
[0055] 实施例二
[0056] 本发明实施例提供了一种基于弛豫时间的信号控制装置，参见图2,该装置包括： 量子系统21、伺服环路22、处理器23、VCX0 24、信号处理电路25、环形振荡器26、移相器 27、D/A (Digital to Analog，模数）转换器28、采样模块29、信号显示器30和接收模块31， 处理器23输出的调制信号和VCX0 24的输出信号同时经过信号处理电路25后得到微波探 询信号，微波探询信号经过量子系统21后生成量子鉴频信号，伺服环路22于将量子鉴频信 号进行鉴相得到同步鉴相信号，处理器23在产生调制信号的同时产生同步信号，处理器23 还可以用于获取该装置的环路响应时间；
[0057] 根据环路响应时间，确定装置的弛豫时间；
[0058] 根据弛豫时间，调节调制信号的频率和同步信号的频率，得到改变后的调制信号 和改变后的同步信号；其中，改变后的调制信号的频率为弛豫时间倒数的1/10?1/2倍，改 变后的同步信号的频率与改变后的调制信号的频率相同；
[0059] 根据改变后的调制信号，得到新的量子鉴频信号；
[0060] 根据第一用户指令调节改变后的调制信号的相位或改变后的同步信号的相位，使 新的量子鉴频信号的不稳定状态位于改变后的同步信号的稳定状态内。
[0061] 实现时，采集模块29用于根据改变后的同步信号采集新的量子鉴频信号；
[0062] 信号显示器30用于显示改变后的同步信号和新的量子鉴频信号，得到显示结果；
[0063] 接收模块31用于接收用户输入的根据显示结果得到的第一用户指令。
[0064] 其中，同步信号的稳定状态即为高电平或低电平对应的时间区域（例如图3中的 同步信号X中D点与D点之间的区域），量子鉴频信号的不稳定状态即为高电平转换为低电 平对应的时间区域或者低电平转换为高电平对应的时间区域（例如图3中的量子鉴频信号 Y中的A点与B点之间的区域）。实现时，优选将量子鉴频信号的不稳定状态调节为位于同 步信号的高电平或低电平的正中间。具体地，工作人员（即用户）可以根据信号显示器30 的显示结果，人为设定需要调节的改变后的调制信号的相位或改变后的同步信号的相位。 [0065] 优选地，改变后的调制信号的频率设为弛豫时间倒数的1/5倍或1/10倍。
[0066] 在本实施例中，伺服环路22中设有相敏放大器221，用于将同步鉴相信号转换为 电压控制信号。移相器27用于根据第二用户指令调节电压控制信号的相移，第二用户指令 由用户根据显示结果输入。具体地，工作人员（即用户）可以根据信号显示器30的显示结 果，人为设定电压控制信号需要调节的相移。数模转换器28用于将电压控制信号转换为模 拟信号后，输出给VCX0 24。
[0067] 具体地，环形振荡器26用于将伺服环路22的输出信号反相后输出；
[0068] 处理器23还用于获取环形振荡器26的周期，并获取量子系统21、伺服环路22、处 理器23和环形振荡器26形成的振荡环路32的周期，并根据环形振荡器26的周期和振荡 环路32的周期，确定装置的环路响应时间。
[0069] 实现时，环形振荡器26可以由奇数个非门构成，且非门的个数至少为3个。该量 子系统21至少包括腔泡系统211、光源212和高速开关（Shutter) 213。
[0070] 具体地，确定环路响应时间的过程如下：
[0071] 假设某时刻，高速开关213的状态为"开"，光源211激励的光通过高速开关213后 直接进行腔泡系统211中，在传统原子钟原理的作用下，完成量子系统21的量子鉴频得到 量子鉴频信号，该量子鉴频信号通过伺服环路22后得到输出信号（即电压控制信号）一方 面经移相器27和D/A转换器28后作用于VCX0 24,同时，处理器21还会控制生成调制信 号，另一方面反馈到环形振荡器26中，由于量子系统21完成了量子鉴频，所以输出到环形 振荡器26的信号为高电平"1"，该高电平"1"经过环形振荡器26的奇数个非门后变为低电 平"0"，该低电平"0"经过处理器23后作用到高速开关213,使其状态变为"关"，此时量子 系统21不能完成量子鉴频，伺服环路22的输出信号为低电平"0"，该低电平"0"经过环形 振荡器26后变化为高电平" 1"可以再次使高速开关的状态变为"开"，至此，完成了振荡环 路的一个周期。在实际应用中，可以由处理器23检测连续两次高速开关的状态为"开"或 者"关"的时间差值，以获得振荡环路的周期。
[0072] 假设振荡环路32的周期为T1，环形振荡器26中的每个非门的平均延迟时间t，非 门的个数为N，根据环形振荡器的基本特性可知，环形振荡器26的周期为2Nt，则根据环形 振荡器26的周期和振荡环路32的周期，确定的环路响应时间的公式如下：
【权利要求】
1. 一种基于弛豫时间的信号控制装置，所述装置包括量子系统、伺服环路、处理器、压 控晶体振荡器VCXO和信号处理电路，所述处理器控制输出的调制信号和所述VCXO的输出 信号同时经过所述信号处理电路后得到微波探询信号，所述微波探询信号经过所述量子系 统后生成量子鉴频信号，所述伺服环路用于将所述量子鉴频信号进行鉴相得到同步鉴相信 号，所述处理器在产生所述调制信号的同时产生同步信号，其特征在于， 所述处理器还用于获取所述装置的环路响应时间； 根据所述环路响应时间，确定所述装置的弛豫时间； 根据所述弛豫时间，调节所述调制信号的频率所述同步信号的频率，得到改变后的 调制信号和改变后的同步信号，所述改变后的调制信号的频率为所述弛豫时间倒数的 1/10?1/2倍，所述改变后的同步信号的频率与所述改变后的调制信号的频率相同； 根据所述改变后的调制信号，得到新的量子鉴频信号； 根据第一用户指令调节所述改变后的调制信号的相位或所述改变后的同步信号的相 位，使所述新的量子鉴频信号的不稳定状态位于所述改变后的同步信号的稳定状态内。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 采集模块，用于根据所述改变后的同步信号采集所述新的量子鉴频信号； 信号显示器，用于显示所述改变后的同步信号和所述新的量子鉴频信号，得到显示结 果； 接收模块，用于接收用户输入的根据所述显示结果得到的所述第一用户指令。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括环形振荡器，用于将所述 伺服环路的输出信号反相后输出； 所述处理器还用于获取所述环形振荡器的周期，并获取所述量子系统、所述伺服环路、 所述处理器和所述环形振荡器形成的振荡环路的周期； 所述处理器还用于根据所述环形振荡器的周期和所述振荡环路的周期，确定所述装置 的环路响应时间。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述伺服环路中设有相敏放大器，用于将 所述同步鉴相信号转换为电压控制信号； 所述装置还包括：数模转换器，用于将所述电压控制信号转换为模拟信号后，输出给所 述 VCXO。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：移相器，用于根据第二 用户指令调节所述电压控制信号的相移，所述第二用户指令由用户根据所述显示结果通过 所述接收模块输入。
6. -种采用如权利要求1-5所述的装置的基于弛豫时间的信号控制方法，其特征在 于，所述方法包括： 获取所述装置的环路相应时间； 根据所述环路响应时间，确定所述装置的弛豫时间； 根据所述弛豫时间，调节所述调制信号的频率和所述同步信号的频率，得到改变后 的调制信号和改变后的同步信号，所述改变后的调制信号的频率为所述弛豫时间倒数的 1/10?1/2倍，所述改变后的同步信号的频率与所述改变后的调制信号的频率相同； 根据所述改变后的调制信号，得到新的量子鉴频信号； 根据第一用户指令调节所述改变后的调制信号的相位或所述改变后的同步信号的相 位，使所述新的量子鉴频信号的不稳定状态位于所述改变后的同步信号的稳定状态内。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括： 根据所述改变后的同步信号采集所述新的量子鉴频信号； 显示所述改变后的同步信号和所述新的量子鉴频信号，得到显示结果； 接收用户输入的根据所述显示结果得到的所述第一用户指令。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取所述装置的环路相应时间，包 括： 获取环形振荡器的周期和振荡环路的周期； 根据所述环形振荡器的周期和所述振荡环路的周期，确定所述装置的环路响应时间。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 接收用户输入的第二用户指令，所述第二用户指令由用户根据所述显示结果输入； 根据所述第二用户指令，调节电压控制信号的相移，所述电压控制信号根据同步鉴相 号得到。
10. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调制信号的频率为所述弛豫时间倒 数的1/5倍或1/10倍。
【文档编号】H03L7/26GK104410414SQ201410695902
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】朱小龙 申请人:江汉大学