РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2016, том 3, выпуск 3, c. 29–34
КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ.
РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ
УДК 621.373.8, 621.374, 621.376.3
Цифровой частотный детектор для метанового
мобильного стандарта частоты
Д. А.Шелестов1,Д.А.Тюриков2,А.Б.Пнев3, М.А.Губин4
2к. ф.-м. н., 3к. т. н., 4д. ф.-м. н.
1,3МГТУ им. Н. Э.Баумана, НОЦ «Фотоника и ИК-техника»,
2,4Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН
e-mail: dima.shelestov@gmail.com
Аннотация. Метановый оптический стандарт частоты перспективен для применений в прецизионных частотных измерениях,
в частности является одним из кандидатов на роль мобильного (в том числе «бортового») стандарта частоты со стабильностью
в диапазоне 5 · 10−15–5 · 10−16 для использования в частотно-временном сегменте ГНС ГЛОНАСС. Настоящая работа посвящена
разработке цифрового частотного детектора, предназначенного для повышения кратковременной стабильности частоты метанового
стандарта. Проведены расчеты точности алгоритмов цифрового счета частоты, численное моделирование работы ПЛИС, подтверждающее
работу одиночного канала синхронно-частотного детектора на уровне девиации Аллана 1,4 · 10−13 за 1 с, а также
предложены техники увеличения точности счета, позволяющие измерить девиацию Аллана на уровне 5,6 · 10−16 за 1 с.
Ключевые слова: мобильный оптический стандарт частоты, He–Ne/CH4 стандарт частоты, резонанс насыщенной дисперсии,
синхронный детектор, частотный детектор, девиация Аллана, кратковременная стабильность частоты, ГНСС, ГЛОНАСС
Digital Frequency Detecting Device for Mobile Methane
Frequency Standard
D.A.Shelestov1, D.A.Tyurikov2,A.B.Pnev3, M.A.Gubin4
2candidate of physics and mathematics, 3candidate of engineering science, 4doctor of physics and mathematics
1,3Bauman Moscow State Technical University, scientific-educational center “Fotonika i IK-tekhnika”,
2,4Lebedev Physical Institute RAS
e-mail: dima.shelestov@gmail.com
Abstract. Utilization of methane optical frequency standard is promising for precision frequency measurements, in particular, it is
a possible future mobile (and on-board) frequency standard with stability of 5·10−15–5·10−16, which will be used in frequency-time
segment of GNS GLONASS. This paper deals with development of a digital frequency detector, designed to increase the methane
standard short-term frequency stability. Accuracy of digital frequency counting algorithms is calculated. A numerical simulation
of programmable logic device operation is conducted, which confirms the operability of a single channel synchronous-frequency
detector with Allan variance of 1,4·10−13 per 1 s, and also provides a technology to increase the accuracy of the counting, allowing
onetomeasure theAllanvariance at 5,6 · 10−16 per 1 s.
Keywords: mobile optical frequency standard, He–Ne/CH4 frequency standard, resonance of saturated dispersion, synchronous
detector, frequency detector, Allan variance, short-term frequency stability, GNSS, GLONASS
Стр.1
30
Д.А.ШЕЛЕСТОВ, Д.А.ТЮРИКОВ, А.Б.ПНЕВ, М.А.ГУБИН
Введение
С момента появления в начале 2000-х гг. компактного
способа связи между оптическим и радиодиапазонами
[1] (ранее эта задача решалась
сложнейшими уникальными системами [2]) стало
возможно доставить потребителю повышенную
стабильность частоты, свойственную оптическому
диапазону. Это привело к тому, что сферы применения
радио- и оптических стандартов частоты (СЧ),
ранее четко разделенные, пересеклись. Большое
внимание сегодня уделяется разработке различных
типов оптических стандартов частоты (ОСЧ), в том
числе космического базирования [3]. Открылся целый
класс фундаментальных научных задач, ранее
не формулировавшихся и решаемых только с помощью
ОСЧ [4]. Одно из направлений работ —
создание бортовых ОСЧ, допускающих установку
в негерметизированных отсеках, на внешней поверхности
космического аппарата (КА) и способных
заменить использующиеся сегодня бортовые
микроволновые СЧ (МСЧ). Однако для создания
законченного ОСЧ космического базирования еще
предстоит решить ряд научно-технических и технологических
задач.
Гораздоболее близкаякреализациизадача —
создание задающих генераторов с кратковременной
стабильностью частоты, превосходящей на 2–3 порядка
лучшие кварцевые генераторы, используемые
в эталонах и хранителях времени/частоты. Создание
высокостабильных компактных задающих генераторов
важно для:
– повышения точности и радикального сокращения
времени выхода на номинальную точность
эталонов и хранителей частоты «фонтанного» типа
на атомах Cs, Rb, составляющих основу наземной
части частотно-временного сегмента ГНС
«ГЛОНАСС»;
– повышения углового разрешения сети радиоинтерферометров
со сверхдлинной базой (система
«Квазар»), с помощью которой решается целый
спектр научных и прикладных задач в области астрометрии,
картографии, геодинамики, космической
навигации.
Важное структурное различие между МСЧ
и ОСЧ с точки зрения применения в радиодиапазоне
— это обязательное для ОСЧ наличие деРис.
1. Внешний вид ситаллового моноблока
He–Ne/CH4 ОСЧ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
лителя частоты на основе лазера ультракоротких
импульсов. Такие делители существуют и активно
совершенствуются, в том числе и для He–Ne/CH4
ОСЧ [5].
Среди большого количества ОСЧ, разрабатываемых
различными группами по всему миру, к числу
наиболее близких к космическому исполнению
можно выделить два: метановый ОСЧ (He–Ne/
CH4) [6] и йодный ОСЧ (Nd:YAG/I2)[4]. Существующая
версия йодного ОСЧ, разрабатываемого совместно
рядом университетов Германии, имеет размер
550×250×50 мм и демонстрирует стабильность
частоты 2 · 10−14 за 1 с. Многие стандартные
узлы системы заимствованы из других оптических
приборов, уже эксплуатируемых в космосе.
Текущая версияметановогоОСЧ выполнена
в едином ситалловом корпусе размером 240×230×
Ч 50 мм, конструктивно объединяющем резонатор
He–Ne-лазера и кювету с метаном (рис. 1.). Значение
девиации Аллана, достигнутой при помощи
стандарта, составляет 1 · 10−14 за 1 с [7]. Особенностью
этого типа ОСЧ является оптический дискриминатор
на основе двухмодового лазера, позволяющий
детектировать сигнал насыщенной дисперсии
спектральной линии метана с высокой чувствительностью
[8]. Достигнутые на сегодняшний
день параметры метанового квантового дискриминатора
показывают, что в данной системе возможно
получение девиации Аллана (1–3) · 10−15 за 1 с
для выходных сигналов на стандартных частотах
5 МГц, 10 МГц.
Стр.2
ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ МЕТАНОВОГО МОБИЛЬНОГО СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ 31
Рис. 2. Структурная схема алгоритма №1 (E3(t) — входной цифровой ЧМ-сигнал, Mi(t) —опорный сигнал
i-го синхронного детектора (СД), F0(t) — сигнал частоты, ε(t) — сигнал частотного смещения)
Разработка метанового ОСЧ ведется по трем
направлениям — повышение кратковременной (время
усреднения τ 1 c), средневременной (1 c <
<τ < 100 c) и долговременной (τ> 100 c) стабильностей.
Для каждого случая ограничивающими
являются различные факторы.
Так, для повышения кратковременной стабильности
частоты необходимо модернизировать подсистему
детектирования резонанса насыщенной дисперсии,
ключевым элементом которой является частотный
детектор.
Существующая аналоговая версия частотного
детектора (ЧД) уже близка к предельно низкому
значению шумов (0,1 Гц/Гц1/2)при частотенесущей
5 МГц. В связи с этим в данной работе предлагается
конструкция цифрового частотного детектора
на базе программируемых логических микросхем
(ПЛИС), позволяющих в перспективе достигнуть
уровня шумов ∼ 10−3 Гц/Гц1/2. Решению
данной задачи посвящена настоящая работа.
Цифровые алгоритмы счета
частоты
Одним из преимуществ работы с ПЛИС является
гибкость программируемой структуры. Это
позволяет быстро создавать сложные комбинации
базовых приемов счета. Далее показаны несколько
базовых алгоритмов работы системы.
Первый алгоритм представляет собой две последовательные
операции: сначала частотное детектирование,
потом синхронное детектирование
на основе измеренной частоты (рис. 2), причем
детектирование можно осуществлять на нескольких
гармониках сразу.
Расчеты показали, что для определенного
входного ЧМ-сигнала, характерного для
He–Ne/CH4-моноблока (несущая — 5 МГц, частота
модуляции — 10 кГц, глубина модуляции —
100 кГц), абсолютная погрешность при определении
положения несущей составит δυ = 300 кГц.
Достижимая минимальная девиация Аллана для
времени усреднения τ = 0,1 с показана в (1) и для
τ = 1с—в(2)(число измерений за 1ссоставляет
N = 10 000). Требование к разрабатываемой системе
детектирования резонанса (не хуже 2 · 10−15)
не выполняется.
σ10,1 мс
a = δν
νCH4
σ1a = δν
= 300 кГц
88,5 ТГц = 3,4 · 10−9,
τ = 0,1 мс,
√N · νCH4
= √10 000 · 88,5 ТГц
300 кГц
= 3,4 · 10−11, τ = 1с.
Второй алгоритм выполняет задачу синхронно-частотного
детектирования, т. е. операции частотного
и синхронного детектирования происходят
слитно (рис. 3). Недостаток алгоритма — отсутствие
явного значения несущей частоты, которое
часто требуется для служебных целей. Однако
вПЛИСэтолегкорешается установкойотдельного
канала ЧД независимо от основного счета.
Преимуществом же является существенно возросшая
точность детектирования: абсолютная погрешность
при определении положения несущей составит
δυ = 1,26 кГц. Девиация Аллана для этого
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
=
(2)
(1)
Стр.3
32
Д.А.ШЕЛЕСТОВ, Д.А.ТЮРИКОВ, А.Б.ПНЕВ, М.А.ГУБИН
вой частоты за счет запуска фазосмещенных тактовых
сигналов. Число таких каналов ограничено
внутренним джиттером ПЛИС и минимальным фазовым
шагом. Так, для той же ПЛИС (джиттер
100 пс, минимальный фазовый сдвиг 250 пс) число
так называемых параллельных каналов счета
достигает Npar = 16. Влияние на девиацию Аллана
показано в (6):
σ2+
a = σ2a
Npar
Рис. 3. Структурная схема алгоритма №2 (E3(t) —
входнойцифровойЧМ-сигнал, Mi(t) —опорный сигнал
i-го синхронно-частотного детектора, Fi(t)—выходной
сигнал i-го частотно-синхронного детектора, ε(t) —сигнал
частотного смещения)
случая показана в (3) и (4). Тем не менее, желаемыепоказатели
недостигнуты.
σ20,1 мс
a = δν
νCH4
σ2a = δν
= 1,26 кГц
88,5 ТГц = 1,4 · 10−11,
τ = 0,1 мс,
√N · νCH4
= √10 000 · 88,5 ТГц
1,26 кГц
= 1,4 · 10−13, τ = 1с.
Для дальнейшего увеличения точности работы
цифровой системы можно увеличить число каналов
каскадированного счета, представляющих
собой параллельно запущенный алгоритм синхронно-частотного
детектирования, но без завершения
предыдущей фазы. Для ПЛИС различного объема
максимальное число таких каналов Ncs варьируется
от 30 до 250 шт., данные которых с точки зрения
ошибки счета некоррелированы. Так как девиация
Аллана по математическим свойствам есть СКО,
то влияние дополнительных каналов описывается
выражением (5)
σ2+
a = σ2a
√Ncs
= 1,4 · 10−13
√250
= 8,8 · 10−15, τ = 1с.
(5)
Дополнительной техникой увеличения точности
счета является косвенное увеличение тактоРис.
4. Внешний вид цифрового отладочного модуля
и интерфейсной платы
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
=
(4)
(3)
= 1,4 · 10−13
16 = 8,8 · 10−15, τ = 1с.
(6)
Объединению этих двух техник ничто не мешает,
поэтому итоговая достижимая девиация Аллана
достигнет величины (7), которая удовлетворяет
поставленным условиям:
σ2+
a = σ2a
√Ncs·Npar
= 1,4 · 10−13
√250 · 16
τ = 1с.
Реализация цифрового счета
на базе ПЛИС
Реализация описанных алгоритмов происходит
на базе отладочного модуля ПЛИС DE0 с добавлением
интерфейсной платы, реализующей фильтрацию
входного сигнала, цифро-аналоговые преобразования
и согласование входных/выходных линий
(рис. 4).
= 5,6 · 10−16,
(7)
Стр.4
ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ МЕТАНОВОГО МОБИЛЬНОГО СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ 33
Рис. 5. ЧМ-сигналы для тестирования алгоритма, реализованного в ПЛИС
Рис. 6. Результат моделирования работы алгоритма №2
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.5
34
Д.А.ШЕЛЕСТОВ, Д.А.ТЮРИКОВ, А.Б.ПНЕВ, М.А.ГУБИН
Преимуществом использования цифровой схемотехники
является развитая система численного
моделирования работы ПЛИС, результаты которого
очень близки к реальности. Для подтверждения
соответствия между теоретической оценкой и реальной
работой ПЛИС было проведено следующее
моделирование.
На вход одиночного канала синхронно-частотного
алгоритма были поданы модельные цифровые
последовательности, эмулируюшие входной
ЧМ-сигнал (рис. 5).
Моделированный сигнал (а)представляетсобой
идеализированный случай ЧМ-модуляции
в форме меандра, польза которого в том, что этот
случай легко проверяется. Сигнал (б)эмулирует
воздействие одиночной гармоники, а сигнал (в)—
наиболее близкий к реальному, есть смесь гармоник
с заранее известными амплитудами. Все сигналы
представлены числовыми последовательностями
как функциями времени.
Реакция цифровой системы, показанная на
рис. 6, полностью подтверждает сделанные ранее
расчеты. В случае (а) за 2 шага ЧД вышел на расчетное
для меандра значение −500. В случае (б)
ЧД явно реагирует на появление/пропадание гармонического
сигнала с расчетной амплитудой
в 318 единиц. В случае (в) свойство синхронного
детектора позволило в составе сложного сигнала
выявить тот же сигнал, что был в случае (б).
Заключение
В работе обращается внимание на актуальность
развития ОСЧ для модернизации частотновременного
сегмента ГНСС. Среди важных задач
в этой области — разработка мобильного стандарта
частоты радиодиапазона, сочетающего высокую
кратковременную и долговременную стабильности
частоты на уровне 5 · 10−15–5 · 10−16 (для времен
усреднения τ = 1с–1 сут).
Одним из наиболее перспективных ОСЧ для
достижения указанных параметров является «метановый»
He–Ne/CH4 ОСЧ. Компактность и жесткость
созданных образцов метанового ОСЧ делает
его также перспективным для разработки в космическом
исполнении.
Применение цифровых методов частотного детектирования
на основе ПЛИС — необходимый
шаг на пути реализации потенциально высокой
стабильности ОСЧ. В работе показаны алгоритмы
цифрового счета частоты, проведена оценка их точности,
осуществлено моделирование, подтверждающее
работу одиночного канала синхронно-частотного
детектора, т. е. достижение девиации Аллана
1,4 · 10−13 за 1 с. Предложены техники увеличения
точности счета, позволяющие достичь девиацию
Аллана на уровне 5,6 · 10−16 за 1 с.
Список литературы
1. Udem Th., Holzwarth R., Hansch T.W.Optical frequency
metrology // Nature, 2012, vol. 416, № 6877.
P. 233–237.
2. Pollock C.R., Jennings D.A., Petersen F.R. et al.Direct
frequency measurements of transitions at 520 THz
(576 nm) in iodine and 260 THz (1,15M) in neon //
Opt. Lett., 1983., Mar. Т. 8, № 3. P. 133–135.
3. Gill P., Margolis H., Curtis A. et al. Optical Atomic
Clocks for Space // NPL, 2008. Nov. ver 1.7.
4. Doringshoff K., Mohle K., Nagel M. et al.High performance
iodine frequency reference for tests of the
LISA laser system // EFTF-2010 24th European Frequency
and Time Forum. 2010. April. P. 1–6.
5. Tausenev A.V., Kryukov P.G., Bubnov M.M. et al.
Efficient source of femtosecond pulses and its use
for broadband supercontinuum generation // Quantum
Electronics, 2005, т. 35, № 7. С. 581.
6. Gubin M.A., Kireev A.N., Konyashchenko A.V.
et al. Realisation of a compact methane optical
clock // Quantum Electronics, 2008, т. 38, № 7.
C. 613.
7. Величанский В.Л., Губин М.А.Лазерныестандарты
частоты в ФИАНе // Успехи физических наук,
2009, т. 179, № 11. С. 1219–1224.
8. Gubin M.A., Protsenko E.D. Laser frequency standards
based on saturated-dispersion lines of methane
// Quantum Electronics, 1997, т. 27, № 12.
С. 1048.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 3 2016
Стр.6