原子钟频率标准.ppt

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1、,高性能的时间频率标准,Ideal for telecommunications,metrology and electronics industry.,安 排,钟的工作原理仪器常用指标及实现相关产品介绍其它竞争产品比较总结,钟的工作原理,根据量子物理学的基本原理，原子是按照围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精

2、确的时间。波尔能量关系公式:,铯钟的工作原理（铯束管）,磁选态铯钟(德国PTB)：利用磁偏转的方式将符合工作要求的特定能量态的铯原子选取出来，并将其输入铯束管（微波谐振腔），铯束在微波谐振腔中与外部受控震荡器相作用发生能级跃迁。输出的铯束与高温金属丝相作用形成铯离子电流，当铯离子电流输出达到最大的时候，谐振腔的可控震荡器频率与铯的共振频率相同。,铯钟的工作原理（铯束管）,光抽运铯钟(法国LPTF）：在光抽运铯束频标中，利用激光（第一光学区）对铯束照射，使得不同能量态的原子发生跃迁达到统一的能量态。再利用谐振腔的受控外部震荡器对铯束管中的铯原子加以作用，形成能级跃迁。最后发生跃迁的原子在第二光学

3、区被加以检测，以测定原子的共振频率。,铯钟的工作原理（喷泉钟）（美国NIST）,由铯原子组成的气体，被引入到时钟的真空室中，用激光减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近绝对零度。两束垂直的激光轻轻地将这个铯原子气球向上举起，穿过微波腔，形成“喷泉”式的运动。在地心引力的作用下，铯原子气球开始向下落并将所吸收的能量全部释放出来。在微波腔的出口处，另一束激光射向铯原子气，探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。,铷钟的工作原理,铷钟的工作原理：光源灯泡中的铷87在无极放电的工作状态下产生特定波长的电磁波，通过超精细滤光泡对某些波长的光进行滤除后照射进入谐振泡。利用光抽运技术使得谐振泡中的铷87发生能级

4、跃迁。调整微波腔的频率，当光电转换电路的输出电流达到最大的时候可得到铷的共振频率。,GPS的工作原理,GPS系统操作原理为:每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。GPS的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号，然后计算出在地球上的位置。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较，通过二者之差计算出远离卫星的距离。通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间，接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。,GPS的工作原理,铯钟或者铷钟原子钟通过 NIST 和 USNO加以校准每一个卫星传输时间和位置编码信(1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载

5、波)所传送的GPS时间&频率基准对于NIST 和 UTC是可追踪的。,已有的时间频率标准,独立工作源首选标准铯,氢钟第二选择铷,OCXO（高稳晶振）发送系统卫星无线电系统 GPS,GLONASS,伽利略地面无线电系统 Loran-C,DCF-77光纤同步系统E1,T1(SSU),安 排,钟的工作原理仪器常用指标及实现公司相关产品介绍其它竞争产品比较总结,频率准确度：表征信号的实际频率值与理想的或定义的频率值（以UTC为标准的频率，实际是国际原子时ATI的频率）的偏离或符合程度，一般用相对频率偏差来表示。频率稳定度：频率稳定度表示时钟输出频率因受噪声影响产生的随机起伏特性。可以从时域和频域来分析

6、频率稳定度。频率稳定度用阿伦方差的平方根来表征。频率漂移率（老化率）：频率漂移率是指时钟输出频率随运行时间单调变化的线性率。随时间单位的不同，有日漂移率?p月漂移率和年漂移率。对于高稳石英晶体振荡器，由于频率漂移通常是由石英晶体的老化造成的，因此它的频率漂移率称为频率老化率。原子钟的漂移主要由内部器件造成，包括由量子结构的频率漂移、相检及运放的漂移引起。,仪器常用指标,仪器常用指标,老化率：频率值随时间呈单方向的变化，称为频率漂移或老化。近似描述频率老化特性的直线用最小二乘法计算。其主要的计算公式为：,为N次测量的平均频率,为N次测量的测量时序平均值,仪器的常用指标,频率稳定度阿伦偏差（All

7、an Deviation）:描述输出频率受噪声影响而产生随机起伏程度的量，在数学上用Allan(阿伦)方差的平方根值来加以表示。其主要的计算公式为：,频率标准的准确度,频率标准的选择,频率标准的稳定度,铷原子钟稳定度：1E-11，体积小、重量轻，便于携带，可作为工作基准。铯原子钟稳定度：1E-131E-14。大铯钟，专用实验室高稳定度频率基准；小铯钟，频率工作基准。氢原子钟短期稳定度高：1E-141E-15，但准确度较低（1E-12）。,对于不同频率标准的一般性比较,时间频率标准的应用范围,测量和测试行业研究所企业生产行业电信部门航空电子设备，导航设备制造企业其他电子生产企业服务行业广播与电信

8、网络运营商/安装商军方独立的校准/维护承包商,移动时钟网结构图,中国移动时钟网,北京，武汉，广州和沈阳4地各建一套以铯钟为基础的基准钟PRC；在其余的12个城市及北京皂君庙各建一套以卫星接收机（GPS和GLONASS）为基础的区域性基准钟LPR；带GPS的铷钟在这16个城市建多个二级节点时钟BITS，BITS跟踪于同城的PRC/LPR。晶体振荡器,安 排,钟的工作原理仪器常用指标及实现相关产品介绍其它竞争产品比较总结,主要时间频率标准产品,氢钟：Kvarz CH1-90A CH1-75A Ch1-76AVCH 1003M 1006Symmetricom MHM 2010T4 Science i

9、Maser 3000OSA 3700 PHM上海天文台 SOHM-4,氢钟指标对比表,主要时间频率标准产品,铯钟：Symmetricom 5071ACs4000 CsIII44004500OSA5585B PRS 3230 Cesium Clock,主要时间频率标准产品,铷钟：Pendulum 6689 GPS-12RSRS FS725OSA 5581C Symmetricom 8040C，TSC4400,Pendulum主要时间频率标准产品,GPS控制的铷钟GPS-12R,带铷钟的6689,高稳恒温晶振的6688,高稳定度频率标准6688和6689,6688和6689的主要特点,以铷钟和高稳

10、晶振作为参考标准具有良好的性能与价格比，经济实惠标准配置为510MHz和15MHz的频率标准输出可选择的1010MHz的频率输出在十年之内的老化率为0.001ppm（铷时基频率标准）便于携带，适用于通信测试和校准实验室,GPS控制的频率标准GPS-12R,Pendulum公司生产的GPS-12R是一款便携式、受GPS控制的超高稳定度的铷钟基准源；其高稳定度和低噪声输出使之成为通信和测试设备的理想基准源。当GPS-12R锁定到GPS时，更是具有接近铯钟的稳定度。,GPS-12R,GPS-12R的主要特点,GPS控制的铷钟，接近铯钟稳定性的。适用于通信行业的2.048(or 1.544 MHz)&

11、1-pps 标准输出。适用于普通实验室的1,5&10 MHz可选择低噪声输出。高稳定性1-pps 输出（24小时后的飘移量1us）。适用于运输和本地频率标准的内置式电池 和+12V 直流选件。适用于电信交换机房固定测量的-48 VDC 选件。适用于紧急或者非紧急警报状况的可配置的警报输出。易使用性(UI图,面向菜单的设置)。作为GPS控制的铷钟具有极高的性价比。,GPS-12R的便携特点,可用于汽车运输的12V DC 电源,可随处使用的电池电源,频率稳定性和预热时间,高稳晶振（OCXO）的环境稳定性,频率稳定性和预热时间,铷钟（Rb）的环境稳定性,频率稳定性和预热时间相关指标对比,安 排,钟的

12、工作原理仪器常用指标及实现公司相关产品介绍其它竞争产品比较总结,独立时间频率标准竞争比较,Symmetricom Rubisource 2000(Acterna TSR-37)独立的铷钟配合外部GPS模式5/10/2.048/1.544 MHz,2.048/1.544 Mbps,独立时间频率标准竞争比较,Stanford Research FS725 独立的铷钟 3x 10 MHz/1x 1pps的输出,独立时间频率标准竞争比较,GPS控制的时间频率标准竞争比较,Symmetricom 58503BGPS控制的高稳晶振（OCXO）10 MHz,1-pps,1-pp2s,GPS-12R与5850

13、3B的比较,GPS-12R铷的低额外花费稳定性锁定到铷的1-pps输出多种输出方式选择电池电源选件,58503B可选用的1pp2s,GPS控制的时间频率标准竞争比较,Schomandl FN-GPS/RGPS控制的铷钟10 MHz,2.048 MHz(选件),1-pps,GPS-12R与Schomandl FN-GPS/R的比较,GPS-12R锁定到铷的1-pps输出多种输出方式选择电池电源选件,FN-GPS/R对于频率补偿量的存储(非永久性存储器)PC显示的软件,GPS控制的时间频率标准竞争比较,Symmetricom Rubisource 2000(Acterna TSR-37)独立的铷钟

14、配合外部GPS模式5/10/2.048/1.544 MHz,2.048/1.544 Mbps,GPS-12R与Rubisource 2k的比较,GPS-12R锁定到铷的1-pps输出电池电源选件较低的价格,Rubisource 2k更多标准输出(5,10,2.048 and 1.544 MHz 外加 2.048/1.544 Mbps),GPS控制的时间频率标准竞争比较,Berkeley Varitronics Rhino-2GPS控制的铷钟，并有电池选件。10 MHz,19 MHz,1-pps,1-pps 以及可调相位,GPS-12R与Rhino-2的比较,Rhino-2专用于 CDMA 输出

15、19 MHz1-pps 可调节相位,GPS-12R多种输出方式选择较低的价格,GPS控制的时间频率标准竞争比较,Tekelec Epsilon 2TGPS控制的高稳晶振（OCXO）4x2.048 MHz,1-pps,3x 2.048 Mbps(选件),时间编码输出,GPS-12R与Epsilon 2T的比较,Epsilon 2T时间编码输出PC显示软件,GPS-12R锁定到铷的1-pps输出多种输出方式选择电池电源选件,GPS控制的时间频率标准竞争比较,Datum ExacTime 6000GPS控制的铷钟10 MHz,1-pps,2.048/1.544 MHz/Mbps(选件),脉冲输出到

16、10 MHzIRIG-B 时间编码输出,比较输入,GPS-12R与ExacTime 6000的比较,ExacTime 6000IRIG B 时间编码输出相频测量输出3 可编程限制型输出 1/10/100 pps1/10/100 kpps1/10 Mpps,GPS-12R锁定到铷的1-pps输出电池电源选件较低的价格,GPS控制的时间频率标准竞争比较,安 排,钟的工作原理仪器常用指标及实现公司相关产品介绍其它竞争产品比较总结,总 结,作为独立的时间频率标准，6688和6689具有老化率小，预热时间短，测量精确度高等特点。6688和6689可为生产、测试、实验室校准提供理想的频率参考标准。作为GPS控制的时间频率标准，GPS-12R具有方便携带、预热时间短、信号输出方式多样化、稳定性强、电池电源等特点。在与GPS锁定时，可以达到铯钟的性能标准。是计量和测试领域中理想的校准仪器。,谢 谢！,