被动型星载氢原子钟的直接数字频率合成系统

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1、DDSDesignforSatellite．bornePassiveHydrogen■■■■■■■■■■■■■■■_________一III11_______MaserByLIUShanminADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulffilmentoftherequirementForthedegreeofMasterofSciencesShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyof^‘SciencesMay2

2、7，2013摘要lIIIIlUIlltillUIIIY2381900时间是人类文明社会用以描述物质运动过程或者时间发生过程的基本物理量之一，时间的衡量标准即为时间频率标准。虽然对时间精度要求不同，但是无论是日常生活还是科研国防事业，都离不开时间的计量。由此可见，时间频率标准在人们的生产、生活等各种活动中起到了极其重要的作用。氢原子钟是一种高精度的时间频率标准，它的各项性能指标都十分优越，尤其在中短期稳定度方面，明显优于传统应用中的铷钟。在基础理论研究、导航、雷达、大地测量、天文观测和通信等领域应用广泛。随着卫星定位系统在国家科技、军事、工业等领域的进一步推广使用

3、，星载氢原子钟的研究也随之变得越来越迫切。本文在完成了被动型氢原子钟小型化工程的基础上，对氢原子钟进行航天工程化设计改造，针对系统的频率合成系统进行方案设计选择。本课题是基于芯片AD9854和FPGA的功能特性，对频率合成系统提出三种可行性方案设计，通过比较系统的参数性能指标、航天环境适应性、空间长期稳定性和可靠性，综合考虑和优化各种因素，从而选择星载最佳设计方案。本文在对当前时间频率标准的发展状况、国内外卫星导航系统对星载原子钟的应用情况和被动型星载氢原子钟的基本原理及频率合成系统的设计原理进行综述的基础上，提出了三种具体的设计实施方案，FPGA与AD9854

4、实现FSK频率输出，FPGA数字电路实现频率输出以及Xilinx系列FPGA的DDSIP核调用频率输出，详细叙述了系统的硬件设计与软件设计。最后对各个方案进行测试测量，通过数据参数对比、性能指标比对和综合分析，选择最优设计方案，并附作者完成的其他相关被动型星载氢原子钟的电路设计改造工作。整个设计研讨过程，为被动型氢原子钟的空间应用提供了充足的实验数据和参考依据，提供了详细的实验结果分析与坚实的理论论述，最后探讨了未来氢原子钟的频率合成系统的设计方向，以促进氢钟以最优的性能实现星载空间应用。关键词：被动型氢原子钟，星载，直接频率合成系统，FPGA，工程化可靠性AB

5、STRACTTimeisoneofbasicphysicalparametersinthehumancivilizedsocietytodescribethemotionofmatterandtime．Thestandardforthetimemeasurementistime&frequencystandard．Despitethedifferentrequirementsfortheaccuracyoftime，whateverOurdailylifeorscientificresearchesinnationaldefenseareinseparablef

6、romthemeasurementoftime．Hence，thetime&frequencystandardplaysacrucialroleinpeople’Sproductionandlifeactivitiesetc．．Hydrogenatomicclockisaprecisetime&frequencystandardwithsuperiorperformanceindicators，especiallyitslongtermstability,whichisapparentlybetterthanrubidiumatomicclockappliedt

7、raditionally．Ithasbeenwidelyusedinbasictheoreticalresearch，navigation，radar,geodesy,astronomicalobservationandcommunicationetc．．Itisbecomingmoreandmoreurgentfortheresearchofspacebomehydrogenatomicclock、析t11thefurtherpromotionofsatellitepositioningsysteminthefieldofnationalscienceandt

8、echnology,mi