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《中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)》 2017年
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基于FPGA的芯片原子钟参数优化

阮恩梅  
【摘要】:芯片原子钟是手表尺寸,可用纽扣电池供电的新型原子钟,可以广泛应用到卫星导航地面接收机、保密通讯、天文测量和水下导航等。本论文主要研究基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的芯片原子钟的参数优化。为了进一步减小芯片原子钟的逻辑资源,提高频率稳定度,本文主要从以下三个方面开展工作:第一,提出并实现了采用无限冲激响应(Infinite Impulse Response,IIR)滤波器对量子系统的输出信号进行处理的方案。实验结果表明,该方案有利于减小芯片原子钟的体积,提高其短期频率稳定度。与有限冲激响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波方案相比,在相同的滤波参数下,IIR滤波器阶数少,采用该方案减小了约58%的FPGA逻辑资源;与现有模拟滤波方案相比,采用该方案的芯片原子钟频率稳定度由2.8×10-10τ-1/2提高到1.4×110-10τ-1/2(τ=1-100 s),电路面积减小了10%。第二,提出并实现了采用Kalman滤波器对采集到的温度信号进行处理的方案。在原子气室和垂直纵腔面激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)的温度采集系统中,采用负温度系数(Negative Temperature Coefficien,NTC)热敏电阻对温度信号进行采集,采集的信号在完成模数转换后,送入FPGA进行Kalman滤波处理。实验结果表明,在原子气室的温度采集和控制系统中,经过Kalman滤波后的温度波动范围从2.01×10-2℃减小至6.7×10-3℃;而VCSEL中,滤波后的温度波动范围从1.5 × 10-2 ℃减小至6 × 10-3 ℃。采用Kalman滤波方案方案减弱了噪声对温度信号的影响,改善了信号的平滑度,提高了温度信号的稳定性。对于提高温控系统的控温能力,完成芯片原子钟参数优化具有重要的意义。第三,提出并实现了基于改进坐标旋转数字计算(Coordinate Rotational Digital Computer,CORDIC)算法的正交解调方案。该方案主要利用加法、减法和移位运算替代乘法运算,使得计算量变小,资源占用减少。在芯片原子钟的激光锁频环路中,改进后的CORDIC算法是采用流水线结构来实现的,与传统的CORDIC方案不同的是,改进后的方案增加了八分圆映射分区模块,将角度扩展到整个圆周范围,减小了迭代次数,提高了算法的精度。此外,该方案增加对初始值x0和y0进行预处理的功能,进一步优化了算法结构。实验结果表明,采用改进后的算法进行数字控制振荡器的设计,减小了 15%的逻辑资源,且将运算精度提高到10-4~10-5量级上。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH714.14;TN791

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