JP2004048454A

JP2004048454A - Atomic oscillator

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Publication number: JP2004048454A
Application number: JP2002204177A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Atami; 熱海　健; Yoshibumi Nakajima; 中島　義文; Akira Kikuchi; 菊池　顕; Hideyuki Matsuura; 松浦　秀行; Yoshito Furuyama; 古山　義人
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】原子発振装置の小型化及び位相雑音特性の改善を図る。
【解決手段】オーブン水晶発振器１０は、制御電圧にもとづき発振した、原子共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を装置出力とする。信号発生部２１は、発振信号を入力クロックとして、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、信号に位相変調をかけた変調信号を出力する。ＰＬＬ部２２は、信号発生部２１からの出力周波数を逓倍化する。原子共鳴器３０は、周波数合成部２０の出力信号からマイクロ波を発生させ、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する。周波数制御部４０は、共鳴信号を同期検波して制御電圧を生成する。
【選択図】　　　　図１An atomic oscillation device is reduced in size and phase noise characteristics are improved.
An oven crystal oscillator (10) outputs an oscillation signal oscillated based on a control voltage and stabilized to the same degree as the stability of an atomic resonance frequency as an output of the device. The signal generation unit 21 outputs a signal having a frequency that is an integer ratio of the atomic resonance frequency using the oscillation signal as an input clock, and outputs a modulated signal obtained by performing phase modulation on the signal. The PLL unit 22 multiplies the output frequency from the signal generation unit 21. The atomic resonator 30 generates a microwave from an output signal of the frequency synthesizer 20, and outputs a resonance signal based on a discharge lamp light amount that changes according to a frequency difference between the microwave and the atomic resonance frequency. The frequency control unit 40 synchronously detects the resonance signal and generates a control voltage.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子発振装置に関し、特にルビジウム原子を励起して発振する原子発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ルビジウム原子発振装置は、安定度の高いルビジウム（Ｒｂ）原子の共鳴周波数で周波数を安定化させたもので、その出力周波数は、ルビジウム原子によって制御されるため、極めて安定な周波数を得ることができる。このため、放送用基準源、ディジタル同期網、移動体通信網のクロック源等、幅広い分野で利用されている。
【０００３】
図１２はルビジウム原子発振装置の基本構成を示す図である。ルビジウム原子発振装置１００は、スレーブ発振器１０１、周波数合成部１０２、原子共鳴器１０３、周波数制御部１０４から構成される。
【０００４】
スレーブ発振器１０１は、水晶発振器であり、周波数制御部１０４から出力される制御電圧を受けて発振信号を外部へ出力すると共に、周波数合成部１０２へ送信する。周波数合成部１０２は、発振信号に対して、周波数制御部１０４から出力される低周波信号により位相変調を与え、周波数合成（逓倍化を含む）により、ルビジウム原子の共鳴周波数（ルビジウム原子固有の周波数）６．８３４６８…ＧＨｚを生成する。
【０００５】
原子共鳴器１０３は、周波数合成部１０２からの出力信号を受信して共鳴信号を出力する。周波数制御部１０４は、低周波信号を生成して周波数合成部１０２へ送信し、また、受信した共鳴信号をこの低周波信号により同期検波して制御電圧を生成し、スレーブ発振器１０１へ送信する。
【０００６】
このように、ルビジウム原子発振装置１００では、ルビジウムの原子共鳴器１０３の出力（共鳴信号）から、スレーブ発振器１０１の出力を引き出しているので、ルビジウム原子の共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記で説明したルビジウム原子発振装置１００を実際に使用する場合は、発振信号の周波数は、ルビジウム原子発振装置１００をクロック源として用いる周辺装置が利用しやすい値にする必要がある。
【０００８】
このため、従来では、ルビジウム原子発振装置１００内部に、出力周波数を可変制御できるダイレクト・ディジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ：Ｄｉｒｅｃｔ　ＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）を設けて、発振信号にもとづき、ディジタル的に周波数を合成して、ＤＤＳの出力を外部出力としている。
【０００９】
図１３はＤＤＳを設けたルビジウム原子発振装置を示す図である。ＤＤＳを設けたルビジウム原子発振装置２００は、スレーブ発振器２０１、周波数合成部２０２、原子共鳴器２０３、周波数制御部２０４、ＤＤＳ２０５から構成される（図１２と異なる箇所は、ＤＤＳ２０５を設けたことであり、その他の構成は同じである）。ＤＤＳ２０５は、スレーブ発振器２０１からの発振信号を受信して、外部発振信号（周辺装置が利用しやすい周波数の値）を出力する。
【００１０】
ここで、例えば、１０ＭＨｚの外部発振信号を発生させようとした場合、サンプリング定理により、理論上は１０ＭＨｚの２倍、実用上では３または４倍以上の発振信号をスレーブ発振器２０１から出力させて、ＤＤＳ２０５へ入力しなければならない。
【００１１】
一方、図１２に基本構成を示したルビジウム原子発振装置１００の位相雑音特性について見ると、制御ループ帯域のキャリアオフセット周波数以上では、原子共鳴器１０３を制御するスレーブ発振器１０１の位相雑音特性がそのまま現れる。したがって、ルビジウム原子発振装置１００の位相雑音特性を良好にするためには、スレーブ発振器１０１として、本来位相雑音特性の優れたオーブン水晶発振器（ＯＣＸＯ：Ｏｖｅｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｘ’ｔａｌ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を用いるのが望ましい。
【００１２】
ところが、１０ＭＨｚの３から４倍の周波数を発生できるＯＣＸＯとなると、汎用品ではないため形状が大きくなってしまい、また周波数が高くなるほど位相雑音特性も劣化する傾向にある。このような理由から、従来では、スレーブ発振器には位相雑音特性が特に優れていないＶＣＸＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｘ’ｔａｌ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を採用しており、位相雑音特性を犠牲にして小型化を優先する構成をとっている。
【００１３】
図１４はＶＣＸＯを用いた従来のルビジウム原子発振装置の構成を示す図である。従来のルビジウム原子発振装置２００ａは、ＶＣＸＯ２０１ａ、周波数合成部２０２、原子共鳴器２０３、周波数制御部２０４、ＤＤＳ２０５、波形整形部２０６から構成される。ルビジウム原子発振装置２００ａは、図１３に示したルビジウム原子発振装置２００に対して、スレーブ発振器２０１にＶＣＸＯを用い、また、ＤＤＳ２０５の出力に波形整形部２０６を付加している。
【００１４】
次に波形整形部２０６が付加されている理由について説明する。近年になって高い位相雑音特性が要求されてきているが、スレーブ発振器にＶＣＸＯを用いた従来のルビジウム原子発振装置２００ａで、高い位相雑音特性を実現しようとすると、ＶＣＸＯ２０１ａからの出力を、極力低い周波数にして、ＶＣＸＯ２０１ａの位相雑音を小さくする必要がある。
【００１５】
また、ＤＤＳ２０５の出力信号の波形品位は、入力クロックと出力クロックとの周波数比（入力クロック／出力クロック）により決定するが（周波数比が大きいほど波形劣化は少ない）、位相雑音特性を高めようとして、ＶＣＸＯ２０１ａからの出力周波数を低い値にすると（すなわち、ＤＤＳ２０５の入力クロックを低い値にすると）、周波数比が小さくなるため、波形が劣化してくる。
【００１６】
すると、波形劣化を改善するために、ＤＤＳ２０５の後段に波形整形部２０６として、複数段のＬＰＦを設置したり、またはＰＬＬ回路を設置するなどの対策を施す必要があり、小型化を阻害することになっていた。
【００１７】
以上説明したように、従来では、小型化するためにスレーブ発振器にＶＣＸＯを使用していたが、この構成状態で位相雑音特性を改善しようとすると、そのための回路部品を付加しなければならず、小型化と位相雑音特性の改善対策とに矛盾が生じてしまう。このように従来のルビジウム原子発振装置２００ａの構成では、小型でかつ良好な位相雑音特性を得ることは困難であった。
【００１８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、小型で位相雑音特性に優れた原子発振装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、原子を励起して発振する原子発振装置１において、制御電圧にもとづき発振した、原子共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を装置出力とするオーブン水晶発振器１０と、発振信号を入力クロックとして用い、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、信号に位相変調をかけた変調信号を出力する信号発生部２１と、信号発生部２１からの出力周波数を逓倍化するＰＬＬ部２２と、から構成されて、原子共鳴周波数の信号を出力する周波数合成部２０と、周波数合成部２０の出力信号からマイクロ波を発生させ、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する原子共鳴器３０と、共鳴信号を同期検波して制御電圧を生成する周波数制御部４０と、を有することを特徴とする原子発振装置１が提供される。
【００２０】
ここで、オーブン水晶発振器１０は、制御電圧にもとづき発振した、原子共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を装置出力とする。信号発生部２１は、発振信号を入力クロックとして、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、信号に位相変調をかけた変調信号を出力する。ＰＬＬ部２２は、信号発生部２１からの出力周波数を逓倍化する。原子共鳴器３０は、周波数合成部２０の出力信号からマイクロ波を発生させ、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する。周波数制御部４０は、共鳴信号を同期検波して制御電圧を生成する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の原子発振装置の原理図である。本発明の原子発振装置１は、ルビジウム原子を励起してクロックを発振する発振装置であり、オーブン水晶発振器１０（以下、ＯＣＸＯ１０）、周波数合成部２０、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。
【００２２】
ＯＣＸＯ１０は、周波数制御部４０からの制御電圧を受けて発振信号を出力する（原子共鳴周波数（６．８３４６８…ＧＨｚ）の安定度と同等に安定化した発振出力である）。この発振信号は、装置外部へ出力される共に、周波数合成部２０へ送信される。
【００２３】
なお、ＯＣＸＯとは、恒温槽入り水晶発振器のことである。ＯＣＸＯは、水晶発振器内部に恒温槽を内蔵し、内部の温度を高温（＋７０℃〜８０℃）に安定させることにより、水晶振動子の周波数変化を極力小さくし、それにより極めて高い安定度の周波数を出力する（水晶発振器の中では最も高安定である）。
【００２４】
周波数合成部２０は、信号発生部２１、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）部２２から構成される。信号発生部２１は、発振信号を入力クロックとして、ルビジウム原子共鳴周波数（６．８３４６８…ＧＨｚ）の整数比となる周波数を持つ信号を生成し、また、この信号に位相変調をかけて変調信号を出力する。ＰＬＬ部２２は、信号発生部２１からの出力周波数を、原子共鳴周波数の値まで逓倍化する。
【００２５】
原子共鳴器３０は、周波数合成部２０の出力信号からマイクロ波を発生させ、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する。周波数制御部４０は、共鳴信号を同期検波して制御電圧を生成し、ＯＣＸＯ１０へ送信する。
【００２６】
次に従来のルビジウム原子発振装置２００ａと本発明の原子発振装置１による位相雑音特性の違いについて説明する。図２はルビジウム原子発振装置１００の伝達特性を示す図である。縦軸は伝達関数Ｆ（ｓ）、横軸は周波数（Ｈｚ）であり、図１２に基本構成を示したルビジウム原子発振装置１００の制御ループの伝達特性を示している。
【００２７】
制御ループとは、スレーブ発振器１０１→周波数合成部１０２→原子共鳴器１０３→周波数制御部１０４→スレーブ発振器１０１の部分のループのことである。図に示すように、制御ループの伝達特性はローパス応答を示す。また、３ｄＢ低下位置の周波数は１０Ｈｚ付近となる。
【００２８】
図３は位相雑音を示す図である。縦軸が位相雑音（ｄＢｃ／Ｈｚ）、横軸が周波数（Ｈｚ）であり、スレーブ発振器１０１にＶＣＸＯを用いた従来のルビジウム原子発振装置２００ａ（図１４）の位相雑音を示している。
【００２９】
座標内にＶＣＸＯ２０１ａの位相雑音と、原子共鳴器２０３の位相雑音とをプロットすると、図中の斜線部分がルビジウム原子発振装置２００ａ全体の位相雑音となる。制御ループ帯域内（キャリアオフセット周波数１０Ｈｚを境に左側）には、原子共鳴器２０３の位相雑音が現れ、制御ループ帯域外（キャリアオフセット周波数１０Ｈｚを境に右側）には、スレーブ発振器１０１の位相雑音（この場合、ＶＣＸＯ２０１ａの位相雑音）が現れる。
【００３０】
図４は位相雑音を示す図である。縦軸が位相雑音（ｄＢｃ／Ｈｚ）、横軸が周波数（Ｈｚ）であり、スレーブ発振器１０１にＯＣＸＯを用いた本発明の原子発振装置１の位相雑音を示している。
【００３１】
座標内にＯＣＸＯ１０の位相雑音と、原子共鳴器３０の位相雑音とをプロットすると、図中の斜線部分が原子発振装置１全体の位相雑音となる。制御ループ帯域内には、原子共鳴器３０の位相雑音が現れ、制御ループ帯域外には、スレーブ発振器１０１の位相雑音（この場合、ＯＣＸＯ１０の位相雑音）がそのまま現れる。
【００３２】
図３、図４からわかるように、スレーブ発振器にＯＣＸＯを用いている本発明の原子発振装置１の方が、従来のルビジウム原子発振装置２００ａよりも位相雑音を示す面積が小さくなっており、位相雑音特性が改善されていることがわかる。
【００３３】
次に原子発振装置１の構成及び動作について詳しく説明する。図５は原子発振装置の構成を示す図である。原子発振装置１−１は、図１に示した原子発振装置１を具体的に構成した第１の実施の形態である。
【００３４】
第１の実施の形態の原子発振装置１−１は、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部２０−１、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。周波数合成部２０−１は、信号発生部２１ａ、ＰＬＬ部２２から構成され、周波数制御部４０は、低周波発振器４１ａ、増幅器４２ａ、同期検波器４３ａ、積分器４４ａから構成される。
【００３５】
さらに、信号発生部２１ａは、ＤＤＳ２１ａ−１、ＬＰＦ２１ａ−２、変調器２１ａ−３から構成され、ＰＬＬ部２２は、ＰＬＬ回路２２ａ、逓倍器（以下、ＦＥＴ−ＭＵＬＴと呼ぶ）２２ｂから構成される。
【００３６】
ＯＣＸＯ１０は、１０ＭＨｚまで出力可能な発振器である（このレベルのクロック周波数であれば、汎用品として存在するため、形状は小型であり、位相雑音特性も良好である）。ＯＣＸＯ１０は、制御電圧を受けて、１０ＭＨｚの発振信号を原子発振装置１−１の出力として装置外部へ出力すると共に、信号発生部２１ａへ送信する。
【００３７】
信号発生部２１ａ内のＤＤＳ２１ａ−１は、発振信号（１０ＭＨｚ）を入力クロックとして受信し、ルビジウム原子共鳴周波数（６．８３４６８…ＧＨｚ）の整数比となる周波数（例えば、２．２７８２ＭＨｚ（３０００分周））の信号を出力する。
【００３８】
ここで、ＤＤＳの基本動作について説明する。ＤＤＳは、アドレス演算器、波形メモリを有している。波形メモリには、正弦波のディジタルデータが書き込まれており、アドレス演算器が入力クロックを用いてアドレスを発生することで正弦波を発生させる。また、アダーを加えることで任意の周波数の正弦波を発生させることができる。なお、ＤＤＳ内部でＤ／Ａ変換されるので、ＤＤＳの出力はアナログ信号である。
【００３９】
一方、ＬＰＦ２１ａ−２は、ＤＤＳ２１ａ−１の出力信号（２．２７８２ＭＨｚ）を波形整形する。ＤＤＳ２１ａ−１の出力信号の波形品位は、入力信号と出力信号との周波数比（入力信号／出力信号）により決定するが、この場合、周波数比が十分に大きいため（１０／２．２７８２…＝４．３８であり、出力すべき周波数に対して入力周波数は十分に大きい、すなわち、サンプリング定理を十分に満たす）、波形劣化は少なく、ここでのＬＰＦ２１ａ−２は段数の少ない簡易な構成をとれる。
【００４０】
変調器２１ａ−３は、ＬＰＦ２１ａ−２の出力信号に対して、周波数制御部４０で生成された低周波信号により位相変調を与えて、変調信号（２．２７８２…ＭＨｚ）を生成する。
【００４１】
ＰＬＬ回路２２ａは、位相比較器（ＰＤ）２２ａ−１、ループフィルタ２２ａ−２、ＶＣＯ（ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）２２ａ−３、Ｎ分周器２２ａ−４から構成される。ＰＬＬ回路２２ａは、基準周波数とする変調信号と、ＶＣＯ２２ａ−３からの出力と、の位相差が一定になるようにフィードバック制御をかけて発振させて、変調信号に同期した発振出力（２．２７８２…ＧＨｚ）を生成する。
【００４２】
なお、ＰＤ２２ａ−１は、変調信号と、Ｎ分周器２２ａ−４の出力信号との位相差を出力し、ループフィルタ２２ａ−２は、ＰＤ２２ａ−１からの出力を平均化する。ＶＣＯ２２ａ−３は、平均化された信号に応じて出力周波数を制御し、Ｎ分周器２２ａ−４は、ＶＣＯ２２ａ−３からの出力信号をＮ分周（１／Ｎ）して、分周信号をＰＤ２２ａ−１へ送信する。ここのＮの値は、Ｎ＝２．２７８２…ＧＨｚ／２．２７８２…ＭＨｚ＝１０００である。
【００４３】
ＦＥＴ−ＭＵＬＴ２２ｂは、ＰＬＬ回路２２ａからの出力（２．２７８２…ＧＨｚ）を３逓倍して、ルビジウム原子の共鳴周波数である６．８３４６８…ＧＨｚを出力する。
【００４４】
ＦＥＴ−ＭＵＬＴ２２ｂの出力は、原子共鳴器３０内の空胴共振器にアンテナで結合されることで、空胴共振器内にマイクロ波が発生する。そして、原子共鳴器３０は、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する。なお、原子共鳴器３０の構成及び動作の詳細については図６、図７で後述する。
【００４５】
周波数制御部４０内の低周波発振器４１ａは、低周波信号を生成して変調器２１ａ−３と、同期検波器４３ａへ送信する。増幅器４２ａは、共鳴信号を増幅し、同期検波器４３ａは、増幅された共鳴信号を低周波信号により同期検波して誤差信号を生成する。積分器４４ａは、この誤差信号を直流電圧に変換して、制御電圧として、ＯＣＸＯ１０へ送信する。
【００４６】
このように、周波数制御部４０では、共鳴信号を受信して、ＯＣＸＯ１０の出力周波数がルビジウム原子の共鳴周波数の安定度と同等に安定化するような制御電圧を生成して、この制御電圧をＯＣＸＯ１０へ与えている。すなわち、原子発振装置１−１では、ルビジウムの原子共鳴器３０の出力（共鳴信号）から、ＯＣＸＯ１０の出力を引き出しているので、ルビジウム原子の共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を得ることができる。
【００４７】
ここで、図１４に示したような、ＤＤＳ２０５の出力（１０ＭＨｚ）を装置出力とし、かつＤＤＳ２０５の入力（スレーブ発振器の出力）を基準信号として、この基準信号から原子共鳴周波数を発生させる従来のルビジウム原子発振装置２００ａの構成では、スレーブ発振器には、ＯＣＸＯを用いることができず（なぜなら、この構成では、ＤＤＳ２０５の入力に１０ＭＨｚの３、４倍の信号を入力しなければならず、１０ＭＨｚの３、４倍の信号を発振できるＯＣＸＯは形状が大きくなるから）、位相雑音特性の劣るＶＣＸＯを用いていた。また、ＶＣＸＯを設けた場合に、位相雑音特性を改善しようとすると、波形整形のための付加回路が必要であった。
【００４８】
一方、本発明ではＤＤＳの出力を装置出力とするのではなく、スレーブ発振器から装置出力を直接得るようにし、かつＤＤＳを原子発振のループ内に組み込んで、ＤＤＳ２１ａ−１の出力を原子共鳴周波数を発生させる基準信号とした。これにより、スレーブ発振器に位相雑音特性の優れたＯＣＸＯを用いることができ、また、このＯＣＸＯは出力が１０ＭＨｚが上限なので、小型の汎用品を使用することができる。さらに、波形整形するための付加回路も不要となる。
【００４９】
次に原子共鳴器３０の構成及び動作について説明する。図６は原子共鳴器３０の構成を示す図である。原子共鳴器３０は、励振回路３１と、共鳴信号出力部３２から構成される。共鳴信号出力部３２は、空胴共振器３２ａ、共鳴セル３２ｂ、光検出器（フォトダイオード）３２ｃ、プリアンプ３２ｄ、励振アンテナ３２ｅから構成される。
【００５０】
次に動作について説明する。周波数合成部２０から出力された原子共鳴周波数は、空胴共振器３２ａ内に設けた励振アンテナ３２ｅに加えることにより、空胴共振器３２ａ内にはマイクロ波が発生する。この空胴共振器３２ａは、ルビジウム原子の共鳴周波数６．８３４６８ＧＨｚに同調されている。また、空胴共振器３２ａ内部には、ルビジウム蒸気が封入された共鳴セル３２ｂが内蔵されている。
【００５１】
励振回路３１から発出された放電ランプ光（ルビジウムランプ光）は、共鳴セル３２ｂ内のルビジウム蒸気に照射される。すると、ルビジウムランプ光は、ルビジウム蒸気の中を通り抜け、透過量（放電ランプ光量）が光検出器３２ｃで検出される。
【００５２】
また、入力したマイクロ波の周波数が、ルビジウム原子の共鳴周波数と一致したときには、原子共鳴が起こり、ルビジウム蒸気によるルビジウムランプ光の吸収量が増大して、光検出器３２ｃの出力が低下する（検出されるルビジウムランプ光量が減少する）。
【００５３】
ここで、マイクロ波は位相変調されている。この位相変調されたマイクロ波と、ルビジウム共鳴周波数が一致したときに、光検出器３２ｃの出力が最も低下するのであるから、このときの光検出器３２ｃは、入力したマイクロ波と同じ信号（マイクロ波周波数とルビジウム共鳴周波数との周波数ずれのない信号）を検出することになる。
【００５４】
また、光検出器３２ｃの出力が最も低下する以外の場合というのは、マイクロ波の周波数がルビジウム原子固有の周波数を基準にして、正または負のいずれかにずれていることであり、この場合、光検出器３２ｃからの信号は、ルビジウム共鳴周波数を中心に位相がπずれている。
【００５５】
このような検出がなされて、光検出器３２ｃから出力される交流信号は、プリアンプ３２ｄによって増幅され、共鳴信号として出力される。この共鳴信号は、周波数制御部４０で、マイクロ波を位相変調したときの低周波で同期検波され、直流の制御電圧となって出力される。
【００５６】
図７は周波数のずれと制御電圧との関係を説明するための図である。マイクロ波周波数ｆとルビジウム共鳴周波数ｆ０とに対し、ｆ＜ｆ０の場合は正、ｆ＝ｆ０の場合はゼロ、ｆ０＜ｆの場合は負の制御電圧が生成される。この制御電圧でＯＣＸＯ１０を制御すれば、ＯＣＸＯ１０の出力周波数は、常にｆ０に保たれて、ルビジウム共鳴周波数の安定度と同じ周波数安定度を得ることができる。
【００５７】
次に原子発振装置１の第２の実施の形態について説明する。図８は原子発振装置の構成を示す図である。第１の実施の形態では、ＤＤＳ２１ａ−１の出力に変調器２１ａ−３を用いて、位相変調を与えたが、第２の実施の形態の原子発振装置１−２では、ＤＤＳ２１ｂ−１で直接、位相変調をかけるものである。以下、第１の実施の形態と同じ構成要素には同符号を付けて、第１の実施の形態と異なる点を中心にして第２の実施の形態について説明する。
【００５８】
第２の実施の形態の原子発振装置１−２は、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部２０−２、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。周波数合成部２０−２は、信号発生部２１ｂ、ＰＬＬ部２２から構成され、信号発生部２１ｂは、ＤＤＳ２１ｂ−１、ＬＰＦ２１ｂ−２、Ａ／Ｄ部２１ｂ−４から構成される。
【００５９】
信号発生部２１ｂ内のＤＤＳ２１ｂ−１は、ＯＣＸＯ１０からの発振信号（１０ＭＨｚ）を入力クロックとして受信し、ルビジウム原子共鳴周波数（６．８３４６８…ＧＨｚ）の整数比となる周波数（例えば、２．２７８２ＭＨｚ（３０００分周））の信号を出力する。
【００６０】
ここで、第２の実施の形態では、ＤＤＳ２１ｂ−１の位相シフト機能（出力周波数と同様、出力の位相を位相設定データで可変できる機能である）を用いて、ＤＤＳ２１ｂ−１で直接位相変調をかける。
【００６１】
具体的には、Ａ／Ｄ部２１ｂ−４は、周波数制御部４０内の低周波発振器４１ａからの低周波信号を受信してディジタル信号に変換し、このディジタル信号を位相設定データとしてＤＤＳ２１ｂ−１へ入力する。ＤＤＳ２１ｂ−１は、この位相設定データにもとづき、出力位相を設定する。これによりＤＤＳ２１ｂ−１の出力は、低周波発振器４１ａの出力周波数で位相変調がかけられた状態となる。なお、その他の動作は第１の実施の形態と同様なので説明は省略する。
【００６２】
次に原子発振装置１の第３の実施の形態について説明する。図９は原子発振装置の構成を示す図である。第３の実施の形態では、第２の実施の形態の周波数制御部４０内部の処理をディジタル化したものである。以下、第２の実施の形態と同じ構成要素には同符号を付けて、第２の実施の形態と異なる点を中心にして第３の実施の形態について説明する。
【００６３】
第３の実施の形態の原子発振装置１−３は、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部２０−３、原子共鳴器３０、周波数制御部４０−３から構成される。周波数合成部２０−３は、信号発生部２１ｃ、ＰＬＬ部２２から構成され、信号発生部２１ｃは、ＤＤＳ２１ｃ−１、ＬＰＦ２１ｃ−２から構成される。また、周波数制御部４０−３は、Ａ／Ｄ部４５、ディジタル処理部（マイコンやＤＳＰ等）４６、Ｄ／Ａ部４７で構成される。その他の構成要素は第２の実施の形態と同様である。
【００６４】
周波数制御部４０−３内のＡ／Ｄ部４５は、原子共鳴器３０から共鳴信号を受信すると、Ａ／Ｄ変換してディジタル共鳴信号に変換する。ディジタル処理部４６は、内部で生成したディジタルの低周波信号（位相設定データ）をＤＤＳ２１ｃ−１へ送信すると共に、ディジタル共鳴信号を位相設定データにより同期検波してディジタルの制御データを生成する。Ｄ／Ａ部４７は、この制御データをアナログ信号に変換して直流電圧にし、制御電圧として、ＯＣＸＯ１０へ送信する。なお、その他の動作は第２の実施の形態と同様なので説明は省略する。
【００６５】
次にＤＤＳをＰＬＬのループ内に組み込んだ場合の原子発振装置について説明する。図１０は原子発振装置の原理図である。原子発振装置１ａは、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部５０、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。図１で上述した原子発振装置１と異なる点は周波数合成部５０だけなので、以降の説明では、同じ構成要素には同符号を付けて、周波数合成部５０を中心に説明する。
【００６６】
周波数合成部５０は、変調器５１と、信号発生部５２ａをＰＬＬループ内に含むＰＬＬ部５２とから構成される。変調器５１は、ＯＣＸＯ１０の発振信号に低周波信号で位相変調を与えて変調信号を出力する。ＰＬＬ部５２は、ＶＣＯからの出力信号を分周して分周信号を生成し、分周信号を入力クロックとして、発振信号と同一周波数を出力する信号発生部５２ａをＰＬＬループ内に含み、変調信号を逓倍化する。
【００６７】
次に原子発振装置１ａの構成及び動作について詳しく説明する。図１１は原子発振装置の構成を示す図である。原子発振装置１ａ−１は、図１０に示した原子発振装置１ａを具体的に構成した第１の実施の形態である。
【００６８】
第１の実施の形態の原子発振装置１ａ−１は、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部５０−１、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。周波数合成部５０−１は、変調器５１、ＰＬＬ部５２から構成され、ＰＬＬ部５２は、ＰＬＬ回路５２ａとＦＥＴ−ＭＵＬＴ５２ｂから構成される。
【００６９】
ＯＣＸＯ１０は、制御電圧を受けて、１０ＭＨｚの発振信号を原子発振装置１ａ−１の出力として装置外部へ出力すると共に、変調器５１へ送信する。変調器５１は、低周波信号により位相変調を与えて、変調信号（１０ＭＨｚ）を生成する。
【００７０】
ＰＬＬ回路５２ａは、位相比較器（ＰＤ）５２ａ−１、ループフィルタ５２ａ−２、ＶＣＯ５２ａ−３、信号発生部５２−１から構成され、信号発生部５２−１は、プリスケーラ（分周器）５２ａ−４、ＤＤＳ５２ａ−５、ＬＰＦ５２ａ−６から構成される。
【００７１】
ＰＬＬ回路５２ａは、基準周波数とする変調信号と、ＶＣＯ５２ａ−３からの出力と、の位相差が一定になるようにフィードバック制御をかけて発振させて、変調信号に同期した発振出力（２．２７８２…ＧＨｚ）を生成する。
【００７２】
また、ＶＣＯ５２ａ−３の出力は、プリスケーラ５２ａ−４にも入力される。プリスケーラ５２ａ−４は、入力信号を後段のＤＤＳ５２ａ−５がクロック周波数として動作可能な周波数（上限が１００ＭＨｚ程度）まで分周する。
【００７３】
ＤＤＳ５２ａ−５は、プリスケーラ５２ａ−４の出力を入力クロックとし、出力周波数は、ＯＣＸＯ１０と同値である１０ＭＨｚに設定する。なお、ＤＤＳ５２ａ−５の入力周波数は、上限が１００ＭＨｚ程度で、出力周波数との比は十分大きいため、ＤＤＳ５２ａ−５後段に配置されるＬＰＦ５２ａ−６は、段数の少ない簡易なもので構成できる。なお、その他の動作は上述した実施の形態と同様なので説明は省略する。
【００７４】
このように、ＰＬＬループ内にＤＤＳ５２ａ−５を設けるような構成にしても、同様な効果として、スレーブ発振器としてＶＣＸＯではなくＯＣＸＯを用いて原子発振制御を行うことができ、装置を小型化し、かつ位相雑音特性の改善を図ることが可能になる。
【００７５】
なお、原子発振装置１ａ−１では、ＶＣＯ５２ａ−３の出力周波数が２．２７８２…ＧＨｚとしたので、ＶＣＯ５２ａ−３の後段にはＦＥＴ−ＭＵＬＴ５２ｂを設けることで３逓倍して原子共鳴周波数を生成しているが、出力周波数が直接ルビジウム原子の共鳴周波数６．８３４６…ＧＨｚのＶＣＯを用いれば、ＦＥＴ−ＭＵＬＴ５２ｂは不要となる（ただし、プリスケーラ５２ａ−４の分周数は大きくなる）。
【００７６】
以上説明したように、本発明によれば、ＤＤＳの出力を基準信号にして、周波数分周・合成後に逓倍化して、原子共鳴周波数を発生させ、スレーブ発振器に、出力周波数１０ＭＨｚといった汎用的な小型のＯＣＸＯを用いる構成とした。これにより、従来のような波形整形を行う付加回路が不要となり、ＯＣＸＯ自体が小型なために、装置全体を小型化することができ、かつ位相雑音特性に優れたルビジウム原子発振装置を実現することが可能になる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の原子発振装置は、原子共鳴周波数の信号を出力する周波数合成部内に、発振信号を入力クロックとして、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、この信号に位相変調をかけた変調信号を出力する信号発生部と、信号発生部からの出力周波数を逓倍化するＰＬＬ部とを含ませ、また、制御電圧を受けて発振信号を出力する水晶発振器に、オーブン水晶発振器を用いる構成とした。これにより、スレーブ発振器としてＶＣＸＯではなくＯＣＸＯを用いて原子発振制御を行うことができるので、装置を小型化し、かつ位相雑音特性の改善を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発振装置の原理図である。
【図２】ルビジウム原子発振装置の伝達特性を示す図である。
【図３】位相雑音を示す図である。
【図４】位相雑音を示す図である。
【図５】原子発振装置の構成を示す図である。
【図６】原子共鳴器の構成を示す図である。
【図７】周波数のずれと制御電圧との関係を説明するための図である。
【図８】原子発振装置の構成を示す図である。
【図９】原子発振装置の構成を示す図である。
【図１０】原子発振装置の原理図である。
【図１１】原子発振装置の構成を示す図である。
【図１２】ルビジウム原子発振装置の基本構成を示す図である。
【図１３】ＤＤＳを設けたルビジウム原子発振装置を示す図である。
【図１４】ＶＣＸＯを用いた従来のルビジウム原子発振装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１　原子発振装置
１０　オーブン水晶発振器
２０　周波数合成部
２１　信号発生部
２２　ＰＬＬ部
３０　原子共鳴器
４０　周波数制御部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an atomic oscillator, and more particularly, to an atomic oscillator that excites and oscillates rubidium atoms.
[0002]
[Prior art]
The rubidium atom oscillator stabilizes the frequency at the resonance frequency of highly stable rubidium (Rb) atoms, and since the output frequency is controlled by the rubidium atoms, an extremely stable frequency can be obtained. . Therefore, it is used in a wide range of fields such as a reference source for broadcasting, a digital synchronous network, and a clock source for a mobile communication network.
[0003]
FIG. 12 is a diagram showing a basic configuration of a rubidium atom oscillation device. The rubidium atomic oscillator 100 includes a slave oscillator 101, a frequency synthesizer 102, an atomic resonator 103, and a frequency controller 104.
[0004]
The slave oscillator 101 is a crystal oscillator, receives a control voltage output from the frequency control unit 104, outputs an oscillation signal to the outside, and transmits the oscillation signal to the frequency synthesis unit 102. The frequency synthesizer 102 performs phase modulation on the oscillation signal using a low-frequency signal output from the frequency controller 104, and performs frequency synthesis (including multiplication) to determine the resonance frequency of the rubidium atom (the frequency unique to the rubidium atom). ) Generate 6.83468... GHz.
[0005]
The atomic resonator 103 receives an output signal from the frequency synthesizer 102 and outputs a resonance signal. The frequency control unit 104 generates a low-frequency signal and transmits the low-frequency signal to the frequency synthesizing unit 102, and also performs synchronous detection on the received resonance signal based on the low-frequency signal to generate a control voltage and transmits the control voltage to the slave oscillator 101.
[0006]
As described above, in the rubidium atom oscillation device 100, the output of the slave oscillator 101 is derived from the output (resonance signal) of the rubidium atom resonator 103, so that the stability of the resonance frequency of the rubidium atom is stabilized. An oscillation signal can be obtained.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
When the rubidium atomic oscillator 100 described above is actually used, the frequency of the oscillation signal needs to be a value that can be easily used by a peripheral device using the rubidium atomic oscillator 100 as a clock source.
[0008]
For this reason, conventionally, a direct digital synthesizer (DDS: Direct Digital Synthesizer) capable of variably controlling the output frequency is provided inside the rubidium atomic oscillator 100, and the frequency is digitally synthesized based on the oscillation signal, and the DDS is synthesized. Is an external output.
[0009]
FIG. 13 is a diagram showing a rubidium atomic oscillator provided with a DDS. The rubidium atomic oscillator 200 provided with a DDS includes a slave oscillator 201, a frequency synthesizer 202, an atomic resonator 203, a frequency controller 204, and a DDS 205 (a point different from FIG. 12 is that the DDS 205 is provided. And other configurations are the same). The DDS 205 receives an oscillation signal from the slave oscillator 201 and outputs an external oscillation signal (a value of a frequency that can be easily used by peripheral devices).
[0010]
Here, for example, when an external oscillation signal of 10 MHz is to be generated, the slave theorem 201 outputs an oscillation signal that is twice as high as 10 MHz in theory and 3 or 4 times or more in practice according to the sampling theorem. Must be input to DDS 205.
[0011]
On the other hand, looking at the phase noise characteristic of the rubidium atomic oscillator 100 whose basic configuration is shown in FIG. 12, above the carrier offset frequency of the control loop band, the phase noise characteristic of the slave oscillator 101 that controls the atomic resonator 103 appears as it is. . Therefore, in order to improve the phase noise characteristic of the rubidium atomic oscillator 100, it is desirable to use an oven controlled X'tal oscillator (OCXO) that originally has excellent phase noise characteristics as the slave oscillator 101.
[0012]
However, an OCXO that can generate a frequency three to four times that of 10 MHz is not a general-purpose product, and therefore has a large shape, and the higher the frequency, the more the phase noise characteristics tend to deteriorate. For this reason, conventionally, a VCXO (Voltage Controlled X'tal Oscillator), which is not particularly excellent in phase noise characteristics, is adopted as a slave oscillator, and a configuration in which miniaturization is prioritized at the expense of phase noise characteristics is adopted. I'm taking.
[0013]
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a conventional rubidium atomic oscillator using VCXO. The conventional rubidium atomic oscillator 200a includes a VCXO 201a, a frequency synthesizer 202, an atomic resonator 203, a frequency controller 204, a DDS 205, and a waveform shaping unit 206. The rubidium atom oscillating device 200a differs from the rubidium atom oscillating device 200 shown in FIG. 13 in that a VCXO is used for the slave oscillator 201 and a waveform shaping section 206 is added to the output of the DDS 205.
[0014]
Next, the reason why the waveform shaping unit 206 is added will be described. In recent years, high phase noise characteristics have been required. However, in order to realize high phase noise characteristics with the conventional rubidium atomic oscillator 200a using VCXO as a slave oscillator, the output from the VCXO 201a is reduced as low as possible. In terms of frequency, it is necessary to reduce the phase noise of the VCXO 201a.
[0015]
The quality of the waveform of the output signal of the DDS 205 is determined by the frequency ratio (input clock / output clock) between the input clock and the output clock (the larger the frequency ratio, the less the waveform is deteriorated). When the output frequency from the VCXO 201a is set to a low value (that is, when the input clock of the DDS 205 is set to a low value), the frequency ratio becomes small and the waveform deteriorates.
[0016]
Then, in order to improve the waveform deterioration, it is necessary to take measures such as installing a plurality of stages of LPFs or installing a PLL circuit as the waveform shaping unit 206 after the DDS 205, which hinders downsizing. Had become.
[0017]
As described above, in the past, VCXO was used as a slave oscillator in order to reduce the size, but in order to improve the phase noise characteristic in this configuration state, it was necessary to add circuit components for that purpose. There is a contradiction between miniaturization and measures to improve the phase noise characteristic. As described above, in the configuration of the conventional rubidium atom oscillation device 200a, it is difficult to obtain a compact and good phase noise characteristic.
[0018]
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a small-sized atomic oscillator having excellent phase noise characteristics.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above-described problem, in an atomic oscillation device 1 that excites and oscillates atoms, as shown in FIG. An oven crystal oscillator 10 that outputs an oscillation signal as a device output, a signal that uses the oscillation signal as an input clock, outputs a signal having a frequency that is an integer ratio of the atomic resonance frequency, and outputs a modulated signal obtained by applying phase modulation to the signal. A frequency synthesizing unit 20 that outputs a signal of an atomic resonance frequency; and a PLL unit 22 that outputs a signal of an atomic resonance frequency. An atomic resonator 30 that generates a wave and outputs a resonance signal based on the discharge lamp light amount that changes according to the frequency difference between the microwave and the atomic resonance frequency is the same as the atomic resonator 30. A frequency control unit 40 for generating a control voltage detection to, atomic oscillator 1, characterized in that it has a provided.
[0020]
Here, the oven crystal oscillator 10 outputs an oscillation signal, which is oscillated based on the control voltage and is stabilized to the same degree as the stability of the atomic resonance frequency, as a device output. The signal generation unit 21 outputs a signal having a frequency that is an integer ratio of the atomic resonance frequency using the oscillation signal as an input clock, and outputs a modulated signal obtained by performing phase modulation on the signal. The PLL unit 22 multiplies the output frequency from the signal generation unit 21. The atomic resonator 30 generates a microwave from an output signal of the frequency synthesizer 20, and outputs a resonance signal based on a discharge lamp light amount that changes according to a frequency difference between the microwave and the atomic resonance frequency. The frequency control unit 40 synchronously detects the resonance signal and generates a control voltage.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of an atomic oscillation device according to the present invention. The atomic oscillation device 1 of the present invention is an oscillation device that excites rubidium atoms to oscillate a clock, and includes an oven crystal oscillator 10 (hereinafter, OCXO 10), a frequency synthesizer 20, an atomic resonator 30, and a frequency controller 40. Is done.
[0022]
The OCXO 10 receives a control voltage from the frequency control unit 40 and outputs an oscillation signal (an oscillation output that is stabilized to be equal to the stability of the atomic resonance frequency (6.83468... GHz)). This oscillation signal is output to the outside of the device and transmitted to the frequency synthesizer 20.
[0023]
The OCXO is a crystal oscillator in a thermostat. The OCXO has a built-in thermostat inside the crystal oscillator, and stabilizes the internal temperature to a high temperature (+ 70 ° C. to 80 ° C.), thereby minimizing the frequency change of the crystal unit, thereby achieving a very high stability frequency. (The most stable among the crystal oscillators).
[0024]
The frequency synthesizer 20 includes a signal generator 21 and a PLL (Phase-Locked Loop) unit 22. The signal generation unit 21 uses the oscillation signal as an input clock to generate a signal having a frequency that is an integer ratio of the rubidium atomic resonance frequency (6.83468... GHz), and applies a phase modulation to this signal to generate a modulation signal. Output. The PLL unit 22 multiplies the output frequency from the signal generation unit 21 to the value of the atomic resonance frequency.
[0025]
The atomic resonator 30 generates a microwave from an output signal of the frequency synthesizer 20, and outputs a resonance signal based on a discharge lamp light amount that changes according to a frequency difference between the microwave and the atomic resonance frequency. The frequency control unit 40 synchronously detects the resonance signal, generates a control voltage, and transmits the control voltage to the OCXO 10.
[0026]
Next, the difference in the phase noise characteristic between the conventional rubidium atomic oscillator 200a and the atomic oscillator 1 of the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram showing the transfer characteristics of the rubidium atomic oscillation device 100. The vertical axis represents the transfer function F (s), and the horizontal axis represents the frequency (Hz), and shows the transfer characteristics of the control loop of the rubidium atomic oscillator 100 whose basic configuration is shown in FIG.
[0027]
The control loop is a loop of a portion including the slave oscillator 101 → the frequency synthesizer 102 → the atomic resonator 103 → the frequency controller 104 → the slave oscillator 101. As shown, the transfer characteristic of the control loop shows a low-pass response. Further, the frequency at the 3 dB lowering position is around 10 Hz.
[0028]
FIG. 3 is a diagram illustrating phase noise. The vertical axis represents the phase noise (dBc / Hz) and the horizontal axis represents the frequency (Hz), and shows the phase noise of the conventional rubidium atomic oscillator 200a (FIG. 14) using the VCXO as the slave oscillator 101.
[0029]
When the phase noise of the VCXO 201a and the phase noise of the atomic resonator 203 are plotted in the coordinates, the hatched portion in the figure indicates the phase noise of the entire rubidium atomic oscillator 200a. The phase noise of the atomic resonator 203 appears inside the control loop band (on the left side with a carrier offset frequency of 10 Hz), and the phase noise of the slave oscillator 101 outside the control loop band (on the right side with a carrier offset frequency of 10 Hz). (In this case, the phase noise of the VCXO 201a) appears.
[0030]
FIG. 4 is a diagram illustrating phase noise. The vertical axis indicates the phase noise (dBc / Hz), and the horizontal axis indicates the frequency (Hz), and indicates the phase noise of the atomic oscillation device 1 of the present invention using the OCXO as the slave oscillator 101.
[0031]
When the phase noise of the OCXO 10 and the phase noise of the atomic resonator 30 are plotted in the coordinates, the hatched portion in the figure becomes the phase noise of the entire atomic oscillator 1. The phase noise of the atomic resonator 30 appears in the control loop band, and the phase noise of the slave oscillator 101 (in this case, the OCXO 10) appears outside the control loop band.
[0032]
As can be seen from FIGS. 3 and 4, the atomic oscillator 1 of the present invention using OCXO as the slave oscillator has a smaller area showing the phase noise than the conventional rubidium atomic oscillator 200a, and It can be seen that the noise characteristics have been improved.
[0033]
Next, the configuration and operation of the atomic oscillation device 1 will be described in detail. FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the atomic oscillation device. The atomic oscillator 1-1 is a first embodiment in which the atomic oscillator 1 shown in FIG. 1 is specifically configured.
[0034]
The atomic oscillation device 1-1 according to the first embodiment includes an OCXO 10, a frequency synthesizer 20-1, an atomic resonator 30, and a frequency controller 40. The frequency synthesizer 20-1 includes a signal generator 21a and a PLL unit 22, and the frequency controller 40 includes a low-frequency oscillator 41a, an amplifier 42a, a synchronous detector 43a, and an integrator 44a.
[0035]
Further, the signal generator 21a includes a DDS 21a-1, an LPF 21a-2, and a modulator 21a-3, and the PLL unit 22 includes a PLL circuit 22a and a multiplier (hereinafter, referred to as an FET-MULT) 22b. .
[0036]
The OCXO 10 is an oscillator capable of outputting up to 10 MHz (if the clock frequency is at this level, since it exists as a general-purpose product, the shape is small and the phase noise characteristics are good). The OCXO 10 receives the control voltage, outputs a 10 MHz oscillation signal to the outside of the atomic oscillation device 1-1 as an output of the atomic oscillation device 1-1, and transmits the signal to the signal generation unit 21a.
[0037]
The DDS 21a-1 in the signal generator 21a receives the oscillation signal (10 MHz) as an input clock, and has a frequency (for example, 2.2782 MHz (3000 frequency division)) having an integer ratio of the rubidium atomic resonance frequency (6.883468... GHz). )) Is output.
[0038]
Here, the basic operation of the DDS will be described. The DDS has an address calculator and a waveform memory. Sine wave digital data is written in the waveform memory, and the address calculator generates an address using an input clock to generate a sine wave. Further, a sine wave of an arbitrary frequency can be generated by adding an adder. In addition, since the D / A conversion is performed inside the DDS, the output of the DDS is an analog signal.
[0039]
On the other hand, the LPF 21a-2 shapes the waveform of the output signal (2.2782 MHz) of the DDS 21a-1. The waveform quality of the output signal of the DDS 21a-1 is determined by the frequency ratio between the input signal and the output signal (input signal / output signal). In this case, since the frequency ratio is sufficiently large, (10 / 2.2782. 4.38, the input frequency is sufficiently large relative to the frequency to be output, that is, the sampling theorem is sufficiently satisfied), the waveform deterioration is small, and the LPF 21a-2 here can have a simple configuration with a small number of stages. .
[0040]
The modulator 21a-3 performs phase modulation on the output signal of the LPF 21a-2 using the low-frequency signal generated by the frequency control unit 40, and generates a modulated signal (2.2782... MHz).
[0041]
The PLL circuit 22a includes a phase comparator (PD) 22a-1, a loop filter 22a-2, a VCO (Voltage Controlled Oscillator) 22a-3, and an N frequency divider 22a-4. The PLL circuit 22a performs feedback control so that the phase difference between the modulation signal having the reference frequency and the output from the VCO 22a-3 is constant, and oscillates the oscillation signal (2.2782) in synchronization with the modulation signal. ... GHz).
[0042]
Note that the PD 22a-1 outputs the phase difference between the modulation signal and the output signal of the N divider 22a-4, and the loop filter 22a-2 averages the output from the PD 22a-1. The VCO 22a-3 controls the output frequency according to the averaged signal, and the N frequency divider 22a-4 divides the output signal from the VCO 22a-3 by N (1 / N) to generate a divided signal. Is transmitted to the PD 22a-1. The value of N here is N = 2.2782... GHz / 2.2782.
[0043]
The FET-MULT 22b triples the output (2.2782... GHz) from the PLL circuit 22a and outputs 6.83468... GHz which is the resonance frequency of the rubidium atom.
[0044]
An output of the FET-MULT 22b is coupled to a cavity resonator in the atomic resonator 30 by an antenna, so that a microwave is generated in the cavity resonator. Then, the atomic resonator 30 outputs a resonance signal based on the discharge lamp light amount that changes according to the frequency difference between the microwave and the atomic resonance frequency. Details of the configuration and operation of the atomic resonator 30 will be described later with reference to FIGS.
[0045]
The low-frequency oscillator 41a in the frequency control unit 40 generates a low-frequency signal and transmits it to the modulator 21a-3 and the synchronous detector 43a. The amplifier 42a amplifies the resonance signal, and the synchronous detector 43a synchronously detects the amplified resonance signal with a low-frequency signal to generate an error signal. The integrator 44a converts the error signal into a DC voltage and transmits the DC voltage to the OCXO 10 as a control voltage.
[0046]
As described above, the frequency control unit 40 receives the resonance signal, generates a control voltage that stabilizes the output frequency of the OCXO 10 to be equal to the stability of the resonance frequency of the rubidium atom, and generates this control voltage. To give to. That is, in the atomic oscillating device 1-1, the output of the OCXO 10 is derived from the output (resonance signal) of the rubidium atomic resonator 30, so that the oscillated signal stabilized to the same degree as the stability of the resonance frequency of rubidium atoms is obtained. Obtainable.
[0047]
Here, as shown in FIG. 14, a conventional rubidium which generates an atomic resonance frequency from the reference signal using the output (10 MHz) of the DDS 205 as the device output and the input of the DDS 205 (output of the slave oscillator) as a reference signal. In the configuration of the atomic oscillating device 200a, the OCXO cannot be used as the slave oscillator (because, in this configuration, a signal that is three or four times 10 MHz must be input to the input of the DDS 205; (Because an OCXO that can oscillate a signal four times larger has a larger shape), a VCXO having poor phase noise characteristics is used. Further, when the VCXO is provided, an additional circuit for waveform shaping is required to improve the phase noise characteristic.
[0048]
On the other hand, in the present invention, instead of using the output of the DDS as the device output, the device output is directly obtained from the slave oscillator, and the DDS is incorporated in an atomic oscillation loop to change the output of the DDS 21a-1 to the atomic resonance frequency. The generated reference signal was used. As a result, an OCXO having excellent phase noise characteristics can be used as the slave oscillator, and since the output of the OCXO has an upper limit of 10 MHz, a small general-purpose product can be used. Further, an additional circuit for waveform shaping is not required.
[0049]
Next, the configuration and operation of the atomic resonator 30 will be described. FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the atomic resonator 30. The atomic resonator 30 includes an excitation circuit 31 and a resonance signal output unit 32. The resonance signal output unit 32 includes a cavity resonator 32a, a resonance cell 32b, a photodetector (photodiode) 32c, a preamplifier 32d, and an excitation antenna 32e.
[0050]
Next, the operation will be described. When the atomic resonance frequency output from the frequency synthesizer 20 is applied to an excitation antenna 32e provided in the cavity resonator 32a, a microwave is generated in the cavity resonator 32a. This cavity resonator 32a is tuned to the resonance frequency of rubidium atoms of 6.83468 GHz. Further, a resonance cell 32b in which rubidium vapor is sealed is built in the cavity 32a.
[0051]
The discharge lamp light (rubidium lamp light) emitted from the excitation circuit 31 is applied to the rubidium vapor in the resonance cell 32b. Then, the rubidium lamp light passes through the rubidium vapor, and the transmission amount (discharge lamp light amount) is detected by the photodetector 32c.
[0052]
Further, when the frequency of the inputted microwave coincides with the resonance frequency of the rubidium atom, atomic resonance occurs, the amount of rubidium lamp light absorbed by the rubidium vapor increases, and the output of the photodetector 32c decreases (detection). Rubidium lamp light intensity is reduced).
[0053]
Here, the microwave is phase-modulated. When the phase-modulated microwave coincides with the rubidium resonance frequency, the output of the photodetector 32c decreases most. Therefore, the photodetector 32c at this time outputs the same signal (microwave) as the input microwave. (A signal having no frequency shift between the wave frequency and the rubidium resonance frequency).
[0054]
The case other than the case where the output of the photodetector 32c is the lowest is that the frequency of the microwave is shifted to either positive or negative with respect to the frequency peculiar to the rubidium atom. The signal from the photodetector 32c has a phase shift of π around the rubidium resonance frequency.
[0055]
The AC signal output from the photodetector 32c after such detection is amplified by the preamplifier 32d and output as a resonance signal. The resonance signal is synchronously detected by the frequency control unit 40 at a low frequency when the microwave is phase-modulated, and is output as a DC control voltage.
[0056]
FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the frequency shift and the control voltage. For the microwave frequency f and the rubidium resonance frequency f0, a positive control voltage is generated when f <f0, zero when f = f0, and a negative control voltage when f0 <f. By controlling the OCXO 10 with this control voltage, the output frequency of the OCXO 10 is always kept at f0, and the same frequency stability as the stability of the rubidium resonance frequency can be obtained.
[0057]
Next, a second embodiment of the atomic oscillation device 1 will be described. FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the atomic oscillation device. In the first embodiment, the output of the DDS 21a-1 is phase-modulated by using the modulator 21a-3. However, in the atomic oscillator 1-2 of the second embodiment, the DDS 21b-1 directly outputs the phase modulation. , Phase modulation. Hereinafter, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment.
[0058]
The atomic oscillator 1-2 according to the second embodiment includes an OCXO 10, a frequency synthesizer 20-2, an atomic resonator 30, and a frequency controller 40. The frequency synthesizer 20-2 includes a signal generator 21b and a PLL unit 22, and the signal generator 21b includes a DDS 21b-1, an LPF 21b-2, and an A / D unit 21b-4.
[0059]
The DDS 21b-1 in the signal generation unit 21b receives the oscillation signal (10 MHz) from the OCXO 10 as an input clock, and has a frequency (for example, 2.2782 MHz (e.g., 2.2782 MHz) that is an integer ratio of the rubidium atomic resonance frequency (6.83468... GHz). 3,000))).
[0060]
Here, in the second embodiment, direct phase modulation is performed by the DDS 21b-1 using the phase shift function of the DDS 21b-1 (a function that can vary the phase of the output with phase setting data, as with the output frequency). Multiply.
[0061]
Specifically, the A / D unit 21b-4 receives the low-frequency signal from the low-frequency oscillator 41a in the frequency control unit 40, converts the low-frequency signal into a digital signal, and converts the digital signal into phase setting data in the DDS 21b-1. Enter The DDS 21b-1 sets the output phase based on the phase setting data. As a result, the output of the DDS 21b-1 is in a state where the phase modulation is performed at the output frequency of the low frequency oscillator 41a. Note that the other operations are the same as those of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0062]
Next, a third embodiment of the atomic oscillation device 1 will be described. FIG. 9 is a diagram showing a configuration of the atomic oscillation device. In the third embodiment, the processing inside the frequency control unit 40 of the second embodiment is digitized. Hereinafter, the same components as those of the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and the third embodiment will be described with a focus on differences from the second embodiment.
[0063]
The atomic oscillator 1-3 according to the third embodiment includes an OCXO 10, a frequency synthesizer 20-3, an atomic resonator 30, and a frequency controller 40-3. The frequency synthesizer 20-3 includes a signal generator 21c and a PLL unit 22, and the signal generator 21c includes a DDS 21c-1 and an LPF 21c-2. The frequency control section 40-3 includes an A / D section 45, a digital processing section (microcomputer, DSP, etc.) 46, and a D / A section 47. Other components are the same as those of the second embodiment.
[0064]
Upon receiving a resonance signal from the atomic resonator 30, the A / D unit 45 in the frequency control unit 40-3 performs A / D conversion and converts the signal into a digital resonance signal. The digital processing unit 46 transmits a digital low-frequency signal (phase setting data) generated internally to the DDS 21c-1, and generates digital control data by synchronously detecting the digital resonance signal based on the phase setting data. The D / A unit 47 converts the control data into an analog signal to generate a DC voltage, and transmits the DC voltage to the OCXO 10 as a control voltage. The other operations are the same as those of the second embodiment, and the description is omitted.
[0065]
Next, an atomic oscillation device when the DDS is incorporated in a PLL loop will be described. FIG. 10 is a principle diagram of the atomic oscillator. The atomic oscillating device 1a includes an OCXO 10, a frequency synthesizer 50, an atomic resonator 30, and a frequency controller 40. The only difference from the atomic oscillation device 1 described above with reference to FIG. 1 is that the frequency synthesizer 50 is the same.
[0066]
The frequency synthesis unit 50 includes a modulator 51 and a PLL unit 52 including a signal generation unit 52a in a PLL loop. The modulator 51 performs phase modulation on the oscillation signal of the OCXO 10 with a low frequency signal and outputs a modulation signal. The PLL unit 52 divides an output signal from the VCO to generate a frequency-divided signal, uses the frequency-divided signal as an input clock, includes a signal generator 52a that outputs the same frequency as the oscillation signal in the PLL loop, and performs modulation. Multiply the signal.
[0067]
Next, the configuration and operation of the atomic oscillation device 1a will be described in detail. FIG. 11 is a diagram showing a configuration of the atomic oscillation device. The atomic oscillator 1a-1 is a first embodiment in which the atomic oscillator 1a shown in FIG. 10 is specifically configured.
[0068]
The atomic oscillation device 1a-1 according to the first embodiment includes an OCXO 10, a frequency synthesizer 50-1, an atomic resonator 30, and a frequency controller 40. The frequency synthesizer 50-1 includes a modulator 51 and a PLL unit 52, and the PLL unit 52 includes a PLL circuit 52a and an FET-MULT 52b.
[0069]
The OCXO 10 receives the control voltage, outputs an oscillation signal of 10 MHz as an output of the atomic oscillation device 1 a-1 to the outside of the device, and transmits the signal to the modulator 51. The modulator 51 gives a phase modulation by a low frequency signal to generate a modulation signal (10 MHz).
[0070]
The PLL circuit 52a includes a phase comparator (PD) 52a-1, a loop filter 52a-2, a VCO 52a-3, and a signal generator 52-1. The signal generator 52-1 includes a prescaler (frequency divider) 52a. -4, DDS 52a-5, and LPF 52a-6.
[0071]
The PLL circuit 52a performs feedback control so that the phase difference between the modulation signal having the reference frequency and the output from the VCO 52a-3 is constant, and oscillates the oscillation signal (2.2782) in synchronization with the modulation signal. ... GHz).
[0072]
The output of the VCO 52a-3 is also input to the prescaler 52a-4. The prescaler 52a-4 divides the input signal to a frequency (upper limit is about 100 MHz) at which the subsequent DDS 52a-5 can operate as a clock frequency.
[0073]
The DDS 52a-5 uses the output of the prescaler 52a-4 as an input clock, and sets the output frequency to 10 MHz which is the same value as the OCXO10. Since the upper limit of the input frequency of the DDS 52a-5 is about 100 MHz and the ratio of the input frequency to the output frequency is sufficiently large, the LPF 52a-6 disposed downstream of the DDS 52a-5 can be configured with a simple number of stages. The other operations are the same as those of the above-described embodiment, and the description is omitted.
[0074]
As described above, even in a configuration in which the DDS 52a-5 is provided in the PLL loop, as a similar effect, it is possible to perform atomic oscillation control using OCXO instead of VCXO as a slave oscillator, to reduce the size of the device, and The phase noise characteristics can be improved.
[0075]
In the atomic oscillation device 1a-1, the output frequency of the VCO 52a-3 is set to 2.2782... GHz, so that the FET-MULT 52b is provided at the subsequent stage of the VCO 52a-3 to multiply by 3 to generate an atomic resonance frequency. However, if a VCO whose output frequency is a direct resonance frequency of 6.8346... GHz of rubidium atoms is used, the FET-MULT 52b becomes unnecessary (however, the frequency division number of the prescaler 52a-4 becomes large).
[0076]
As described above, according to the present invention, the output of the DDS is used as a reference signal, frequency division / synthesis is performed, and then the frequency is multiplied to generate an atomic resonance frequency. Of OCXO. This eliminates the need for an additional circuit for performing waveform shaping as in the related art, and realizes a rubidium atom oscillator having excellent phase noise characteristics, because the OCXO itself is small, and thus the entire device can be miniaturized. Becomes possible.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, the atomic oscillation device of the present invention outputs a signal having a frequency that is an integer ratio of the atomic resonance frequency, using the oscillation signal as an input clock, in the frequency synthesizer that outputs a signal of the atomic resonance frequency, A crystal oscillator that includes a signal generation unit that outputs a modulation signal obtained by applying phase modulation to the signal, and a PLL unit that multiplies an output frequency from the signal generation unit, and outputs an oscillation signal in response to a control voltage Then, an oven crystal oscillator was used. Thus, since atomic oscillation control can be performed using OCXO instead of VCXO as a slave oscillator, it is possible to reduce the size of the device and to improve the phase noise characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram of an oscillation device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a transfer characteristic of a rubidium atomic oscillator.
FIG. 3 is a diagram illustrating phase noise.
FIG. 4 is a diagram illustrating phase noise.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an atomic oscillation device.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an atomic resonator.
FIG. 7 is a diagram for explaining a relationship between a frequency shift and a control voltage.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an atomic oscillation device.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an atomic oscillation device.
FIG. 10 is a principle diagram of an atomic oscillation device.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an atomic oscillation device.
FIG. 12 is a diagram showing a basic configuration of a rubidium atom oscillation device.
FIG. 13 is a diagram showing a rubidium atomic oscillation device provided with a DDS.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a conventional rubidium atomic oscillation device using VCXO.
[Explanation of symbols]
1 Atomic oscillator
10. Oven crystal oscillator
20 frequency synthesizer
21 Signal generator
22 PLL section
30 atomic resonator
40 Frequency control unit

Claims

In an atomic oscillator that excites and oscillates atoms,
An oven crystal oscillator that outputs an oscillation signal, which is oscillated based on the control voltage and is stabilized to the same degree as the stability of the atomic resonance frequency, as a device output;
A signal generation unit that uses the oscillation signal as an input clock, outputs a signal having a frequency that is an integer ratio of the atomic resonance frequency, and outputs a modulated signal obtained by applying phase modulation to the signal; and an output from the signal generation unit. A frequency synthesizing unit configured to output a signal of an atomic resonance frequency, comprising:
An atomic resonator that generates a microwave from an output signal of the frequency synthesizer and outputs a resonance signal based on a discharge lamp light amount that changes according to a frequency difference between the microwave and an atomic resonance frequency,
A frequency control unit that synchronously detects the resonance signal and generates the control voltage;
An atomic oscillating device comprising:

The signal generator, using the oscillation signal as an input clock, a DDS that controls an output frequency to be an integer ratio of an atomic resonance frequency based on a frequency setting, and an LPF that performs waveform shaping of an output signal from the DDS. And a modulator configured to apply a phase modulation to the signal after the waveform shaping with the low frequency signal generated by the frequency control unit to generate the modulation signal. Oscillator.

The signal generation unit uses the oscillation signal as an input clock, controls the output frequency to be an integer ratio of the atomic resonance frequency based on a frequency setting, and generates the modulation signal to which phase modulation is performed by phase setting data. An A / D converter for A / D converting the low frequency signal generated by the frequency controller to generate the phase setting data, and an LPF for shaping the waveform of the output signal from the DDS; The atomic oscillating device according to claim 1, comprising:

The frequency control unit is programmed to A / D convert the resonance signal to generate a digital resonance signal, and programmed to output control data and the phase setting data based on the digital resonance signal. 4. The atomic oscillation device according to claim 3, further comprising a digital processing unit, and a D / A conversion unit that D / A converts the control data to generate the control voltage.

In an atomic oscillator that excites and oscillates atoms,
An oven crystal oscillator that outputs an oscillation signal, which is oscillated based on the control voltage and is stabilized to the same degree as the stability of the atomic resonance frequency, as a device output;
A modulator that applies a phase modulation to the oscillating signal with a low-frequency signal to output a modulation signal, and divides an output signal from an oscillator to generate a frequency-divided signal, and uses the frequency-divided signal as an input clock, A frequency synthesizing unit configured to include a signal generating unit that outputs the same frequency in the PLL loop, and a PLL unit that multiplies the modulation signal, and that outputs a signal of an atomic resonance frequency.
An atomic resonator that generates a microwave from an output signal of the frequency synthesizer and outputs a resonance signal based on a discharge lamp light amount that changes according to a frequency difference between the microwave and an atomic resonance frequency,
A frequency control unit that synchronously detects the resonance signal and generates the control voltage;
An atomic oscillating device comprising: