原子钟频率标准

1、2021/6/161高性能的时间频率标准高性能的时间频率标准Ideal for telecommunications, metrology and electronics industry.安安 排排 钟的工作原理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共振频率振频率。同一种原子的共振频率是一定的例如铯133的共振频

2、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确的时间。 波尔能量关系公式:210EEh铯钟的工作原理（铯束管）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）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

3、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铷钟的工

4、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

5、拔高度。 GPS的工作原理的工作原理 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已有的时间频率标准独立工作源 首选标准 铯铯,氢钟氢钟 第二选择 铷铷, OCXO（高稳晶振）（高稳晶振）发送系统 卫星无线电系统 GPS, GLONASS, 伽利略伽利略 地面无线电系统 Loran-C, DCF-77 光纤同步系统 E1, T1 (SSU)安安 排排钟的工作原理 仪器常用指标及实现仪器常用指标及

6、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

7、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仪器常用指标仪器常用指标 老化率：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：1201()()()NiiiNiiffttkftt11NiiffN11NiittN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仪器的常用指标 频率稳定度频率稳定度阿伦偏差（阿伦偏差（Allan 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：2110()1( )2m

8、iiyifffm频率标准的准确度频率标准的准确度频率标准的选择频率标准的选择345678Frequency Stability(number of digits)9Measuring time = 10 s, 1-year calibration interval10111213Cesium OscillatorGPS-controlled Rubidium OscillatorGPS-controlled Oven OscillatorRubidium OscillatorOven OscillatorTCXOStandard Crystal 频率标准的稳定度频率标准的稳定度 铷原子钟 稳定

9、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对于不同频率标准的一般性比较铯铯铷铷晶振晶振GPS其它其它Off-air长期稳定性*短期稳定性*便携性*价格*是否需要校准noyesyesyes/noyes时间频率标准的应用范围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 广播与电信网络运营商/

10、安装商 军方 独立的校准/维护承包商移动时钟网结构图移动时钟网结构图节点时间同步链路客户端时间同步链路一级节点二级节点客户端移动时间同步网分级中国移动时钟网中国移动时钟网 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。 晶体振荡器安安 排排钟的工作原理仪器常用指标及实现 相关产品介绍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主要时间频率标准产品 氢钟： Kvarz CH1

11、-90A CH1-75A Ch1-76A VCH 1003M 1006 Symmetricom MHM 2010 T4 Science iMaser 3000 OSA 3700 PHM 上海天文台 SOHM-4 氢钟指标对比表氢钟指标对比表性能俄罗斯KVARZCH1-75A美国SymmetricomMHM- 2010瑞士T4science中国上海天文台Allan 偏差1 s10 s102 s103 s104 s1 day1.510-132.510-14710-15210-15110-15710-161.510-13510-141.310-143.210-15310-15310-151.510-

12、13210-14510-15210-15210-15210-15410-13510-14810-15610-15510-15温度灵敏度 1/110-15110-14510-15310-14磁灵敏度110-14/高斯310-14/高斯110-14/高斯1.410-14/高斯谐振腔技术Cavity frequency switchingCavity frequency switching？External signal尺寸 米 (H x W x D)0.70.480.61.090.460.760.950.60.81.080.520.68原子泵技术 Getter pumpIon pump？Ion p

13、ump质量 千克95200100150主要时间频率标准产品主要时间频率标准产品 铯钟： Symmetricom 5071A Cs4000 CsIII 4400 4500 OSA 5585B PRS 3230 Cesium Clock 主要时间频率标准产品主要时间频率标准产品 铷钟： Pendulum 6689 GPS-12R SRS FS725 OSA 5581C Symmetricom 8040C，TSC4400Pendulum主要时间频率标准产品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高稳定度频率标准高稳定度频率标准6688和和6689特点6

14、6886689振荡器类型高稳恒温晶振OCXO铷钟标准的频率输出5x 10 MHz1x 5MHz5x 10 MHz1x 5MHz可选择的频率输出10 x 10 MHz1x 5MHz10 x 10 MHz1x 5MHz6688和和6689的主要特点的主要特点l 以铷钟和高稳晶振作为参考标准l 具有良好的性能与价格比，经济实惠l 标准配置为510MHz和15MHz的频率标准输出l 可选择的1010MHz的频率输出l 在十年之内的老化率为0.001ppm（铷时基频率标准）l 便于携带，适用于通信测试和校准实验室GPS控制的频率标准控制的频率标准GPS-12R Pendulum公司生产的GPS-12R是

15、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-12RGPS-12R的主要特点的主要特点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) & 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

16、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频率稳定性和预热时间Well-known GPS-receiver vs house reference-1E-10-9E-11-8E-11-7E-11-6E-11-5E-11-4E-11-3E-11-2E-11-1E-1101E-112E-113E-114E-115E-116E-11010002000300040005000600070008000900010000time (s)rel freq

17、 offset100 s1000 s高稳晶振高稳晶振 （OCXO）的环境稳定性）的环境稳定性频率稳定性和预热时间频率稳定性和预热时间铷钟（铷钟（Rb）的环境稳定性）的环境稳定性-1E-10-9E-11-8E-11-7E-11-6E-11-5E-11-4E-11-3E-11-2E-11-1E-1101E-112E-113E-114E-115E-116E-110100020003000400050006000700080009000time (s)rel freq offset100 s1000 s频率稳定性和预热时间相关指标对比频率稳定性和预热时间相关指标对比安安 排排钟的工作原理仪器常用指标及

18、实现公司相关产品介绍 其它竞争产品比较其它竞争产品比较总结独立时间频率标准竞争比较独立时间频率标准竞争比较Symmetricom Rubisource 2000 (Acterna TSR-37)l独立的铷钟配合外部GPS模式l5/10/2.048/1.544 MHz, 2.048/1.544 Mbps 独立时间频率标准竞争比较独立时间频率标准竞争比较Stanford Research FS725l 独立的铷钟l 3x 10 MHz /1x 1pps的输出独立时间频率标准竞争比较独立时间频率标准竞争比较特点66886689SR725Rubisource 2k振荡器类型OCXO高稳晶振铷钟铷钟铷钟

19、标准频率输出5x 10 MHz1x 5MHz5x 10 MHz1x 5MHz3x 10 MHz1x 1pps1x 10, 1x 5 MHz4x 2.048MHz2x 2.048 Mbps2x 1.544 MHz2x 1.544 Mbps可选频率输出10 x 10 MHz1x 5MHz10 x 10 MHz1x 5MHz3x 10 MHz1x 1pps-GPS控制的时间频率标准竞争比较控制的时间频率标准竞争比较Symmetricom 58503BlGPS控制的高稳晶振（ OCXO ）l10 MHz, 1-pps, 1-pp2sGPS-12R与与58503B的比较的比较GPS-12Rl 铷的低额外

20、花费稳定性l 锁定到铷的1-pps输出l 多种输出方式选择l 电池电源选件58503Bl可选用的1pp2sGPS控制的时间频率标准竞争比较控制的时间频率标准竞争比较Schomandl FN-GPS/Rl GPS控制的铷钟l 10 MHz, 2.048 MHz (选件), 1-ppsGPS-12R与与Schomandl FN-GPS/R的比较的比较GPS-12Rl锁定到铷的1-pps输出l多种输出方式选择l电池电源选件FN-GPS/Rl对于频率补偿量的存储 (非永久性存储器)lPC显示的软件GPS控制的时间频率标准竞争比较控制的时间频率标准竞争比较Symmetricom Rubisource 2

21、000 (Acterna TSR-37)l独立的铷钟配合外部GPS模式l5/10/2.048/1.544 MHz, 2.048/1.544 Mbps GPS-12R与与Rubisource 2k的比较的比较 GPS-12Rl锁定到铷的1-pps输出l电池电源选件l较低的价格Rubisource 2kl 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控制的时间频率标准竞争比较Berkeley Varitronics Rhino-2l GPS控制的铷钟，并有电池选件。l 10 MHz, 19 MHz,

22、1-pps, 1-pps 以及可调相位GPS-12R与与Rhino-2的比较的比较Rhino-2l 专用于 CDMA 输出l19 MHzl1-pps 可调节相位GPS-12Rl多种输出方式选择l较低的价格GPS控制的时间频率标准竞争比较控制的时间频率标准竞争比较Tekelec Epsilon 2Tl GPS控制的高稳晶振（ OCXO ）l 4x2.048 MHz,1-pps,3x 2.048 Mbps (选件),时间编码输出GPS-12R与与Epsilon 2T的比较的比较Epsilon 2Tl 时间编码输出l PC显示软件GPS-12Rl锁定到铷的1-pps输出l多种输出方式选择l电池电源选

23、件GPS控制的时间频率标准竞争比较控制的时间频率标准竞争比较Datum ExacTime 6000l GPS控制的铷钟l 10 MHz, 1-pps, 2.048/1.544 MHz/Mbps (选件), 脉冲输出到 10 MHzl IRIG-B 时间编码输出, 比较输入GPS-12R与与ExacTime 6000的比较的比较ExacTime 6000l IRIG B 时间编码输出l 相频测量输出l 3 可编程限制型输出 1 /10 /100 pps1 / 10 /100 kpps1 / 10 MppsGPS-12Rl锁定到铷的1-pps输出l电池电源选件l较低的价格GPS控制的时间频率标准竞争比较控制的时间频率标准竞争比较特点特点GPS-12RGPS-12RHP 58503BHP 58503BFN-FN-GPS/RGPS/RRubisourcRubisource 2ke 2kRhino-2Rhino-2Epsilon Epsilon 2T2TExactime 6k