IIR滤波器在芯片原子钟中的应用

阮恩梅 吴红卫 陈杰华 顾思洪

(中国科学院武汉物理与数学研究所,原子频标重点实验室,武汉430071)

IIR滤波器在芯片原子钟中的应用

阮恩梅 吴红卫 陈杰华 顾思洪

(中国科学院武汉物理与数学研究所,原子频标重点实验室,武汉430071)

芯片原子钟是具有小体积,低功耗特点的原子钟。本文采用了IIR滤波器方案对芯片原子钟物理系统输出信号进行处理,该方案有利于减小芯片原子钟的体积、提高芯片原子钟短期频率稳定度。实验结果表明,与FIR滤波方案相比,IIR滤波器使用的FPGA资源减小了约58%;与现有模拟滤波方案相比,使用IIR滤波器方案的芯片原子钟频率稳定度提高了1.4×10-10τ-1/2(τ=1s-100s),电路面积减小了10%。

IIR滤波器 芯片原子钟 数字滤波 级联型

1 引 言

相干布居囚禁(Coherent Population Trapping, CPT)原子钟是基于相干双色光与原子相互作用产生的量子干涉现象而实现的。将CPT原子钟与微机电系统工艺相结合进行微型化,可以得到手表尺寸大小,纽扣电池供电的芯片原子钟。芯片原子钟具有体积小,功耗低等特点,可以广泛运用到导航定位,通信等领域[1,2]。

图1是芯片原子钟的工作原理图。它采用垂直纵腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)作为光源,在 VCSEL的驱动电流上加入微波调制使其输出相干多色光。利用光电探测器探测光与原子相互作用的多普勒吸收谱线,通过相敏解调将激光频率锁定在多普勒吸收谱线最大吸收处对应的频率上。激光频率锁定后,连续扫描微波源的输出频率,得到CPT共振谱线,通过相敏解调将微波频率锁定在CPT共振谱线峰值对应的频率上,从而得到标准的输出频率。……