發(fā)布時間：2017-12-10 06:01

  本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的芯片原子鐘參數(shù)優(yōu)化

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【摘要】：芯片原子鐘是手表尺寸,可用紐扣電池供電的新型原子鐘,可以廣泛應(yīng)用到衛(wèi)星導航地面接收機、保密通訊、天文測量和水下導航等。本論文主要研究基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的芯片原子鐘的參數(shù)優(yōu)化。為了進一步減小芯片原子鐘的邏輯資源,提高頻率穩(wěn)定度,本文主要從以下三個方面開展工作:第一,提出并實現(xiàn)了采用無限沖激響應(yīng)(Infinite Impulse Response,IIR)濾波器對量子系統(tǒng)的輸出信號進行處理的方案。實驗結(jié)果表明,該方案有利于減小芯片原子鐘的體積,提高其短期頻率穩(wěn)定度。與有限沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response,FIR)濾波方案相比,在相同的濾波參數(shù)下,IIR濾波器階數(shù)少,采用該方案減小了約58%的FPGA邏輯資源;與現(xiàn)有模擬濾波方案相比,采用該方案的芯片原子鐘頻率穩(wěn)定度由2.8×10-10τ-1/2提高到1.4×110-10τ-1/2(τ=1-100 s),電路面積減小了10%。第二,提出并實現(xiàn)了采用Kalman濾波器對采集到的溫度信號進行處理的方案。在原子氣室和垂直縱腔面激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的溫度采集系統(tǒng)中,采用負溫度系數(shù)(Negative Temperature Coefficien,NTC)熱敏電阻對溫度信號進行采集,采集的信號在完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后,送入FPGA進行Kalman濾波處理。實驗結(jié)果表明,在原子氣室的溫度采集和控制系統(tǒng)中,經(jīng)過Kalman濾波后的溫度波動范圍從2.01×10-2℃減小至6.7×10-3℃;而VCSEL中,濾波后的溫度波動范圍從1.5 × 10-2 ℃減小至6 × 10-3 ℃。采用Kalman濾波方案方案減弱了噪聲對溫度信號的影響,改善了信號的平滑度,提高了溫度信號的穩(wěn)定性。對于提高溫控系統(tǒng)的控溫能力,完成芯片原子鐘參數(shù)優(yōu)化具有重要的意義。第三,提出并實現(xiàn)了基于改進坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算(Coordinate Rotational Digital Computer,CORDIC)算法的正交解調(diào)方案。該方案主要利用加法、減法和移位運算替代乘法運算,使得計算量變小,資源占用減少。在芯片原子鐘的激光鎖頻環(huán)路中,改進后的CORDIC算法是采用流水線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的,與傳統(tǒng)的CORDIC方案不同的是,改進后的方案增加了八分圓映射分區(qū)模塊,將角度擴展到整個圓周范圍,減小了迭代次數(shù),提高了算法的精度。此外,該方案增加對初始值x0和y0進行預處理的功能,進一步優(yōu)化了算法結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明,采用改進后的算法進行數(shù)字控制振蕩器的設(shè)計,減小了 15%的邏輯資源,且將運算精度提高到10-4～10-5量級上。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH714.14;TN791

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中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 阮恩梅;基于FPGA的芯片原子鐘參數(shù)優(yōu)化[D];中國科學院大學(中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所);2017年

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本文編號：1273359