自1955年第一台实用原子钟在英国国家物理实验室(NPL)诞生以来，经过60多年的发展，原子钟已广泛的应用于无线通信、卫星导航、航空航天、天文观测和时频计量等许多领域，为其提供稳定可靠的高精密时频参考，成为保障系统稳定运行的重要器件之一。随着科学技术的发展，许多高新技术领域的高精密用时需求正不断提升，往往要求参考频率源在具有好的长期稳定度的同时，还拥有优秀的短期稳定度以减小系统的时钟抖动。　　原子钟频率净化技术通常通过一个高性能的锁相环，将原子钟频率优秀的长期特性与高稳压控振荡器良好的短期特性结合起来，使得输出频率信号既能保持原子钟好的长期稳定度，同时又获得较好的短期稳定度。守时实验室、卫星导航系统、网络雷达以及深空探测等高新技术领域，都配备了具有频率净化功能的设备或装置，对系统内原子钟频率的短期稳定度进行优化，以满足系统的高精密用时需求。目前，虽然国内外已经有一些成熟的频率净化设备或系统，但关于原子钟频率净化方法、性能分析以及最优参数的选取等方面的参考资料却较少。论文以提高原子钟频率净化的性能为目的，建立了一套基于锁相环原理的频率净化仿真与性能分析模型，并对影响原子钟频率净化性能的各种因素进行了分析，给出了最优环路带宽的选取方法。本文的研究丰富了频率净化仿真和分析方面的研究内容，对于频率净化设备的研制和对现有国外设备的有效使用具有一定的指导意义，并且本文提出的仿真模型同样适用于其他锁相环系统的仿真，对其他锁相环系统的设计和分析具有一定的参考价值。论文的主要研究内容如下:　　(1)对于一个设计良好的原子钟频率净化系统，频率源的相位噪声是影响其性能的最主要噪声，不符合频率源相位噪声统计特性的钟差模拟数据可能导致原子钟频率净化仿真与实际情况发生较大的偏离。因此，为了产生符合频率源相位噪声特性的钟差数据，从频率源的噪声特性及噪声幂率谱模型人手，利用[-1，1]范围内服从均匀分布的随机变量模拟各类噪声的特性，并给出了各类噪声模拟产生的数学表达式。在此基础上，提出了基于牛顿迭代法求解噪声参数的新方法，避免了噪声参数拟合过程中进行线性近似带来的误差，并进行了试验验证。试验结果表明，本文所提出的钟差模拟方法适用于不同类型的原子钟和高稳晶振的钟差模拟仿真，模拟产生的钟差数据的阿伦方差(Allan variance)与实测值非常接近，能很好的反映各种噪声相位噪声特性，可以满足原子钟频率净化仿真和性能分析的需求。　　(2)鉴相器是原子钟频率净化系统中联系原子钟与压控振荡器的纽带，测相精度不高的鉴相器将会给系统引入过大的系统噪声，造成频率净化性能下降。采用具有皮秒级测相精度的双混频时差测量系统作为原子钟频率净化系统的鉴相器，能很好的保障系统的频率净化性能。论文根据双混频时差测量原理，分析了影响双混频测相精度和系统本底噪声性能的主要因素。在此基础上，研制了一套双混频时差测量系统原理样机，并对研制的原理样机进行了性能测试。测试结果表明，所研制原理样机的相位测量精度为皮秒量级，本底噪声在τ=1s处的阿伦偏差优于1×10-13，与目前国际通用的双混频测量设备水平相当，能很好的满足原子钟频率净化方法对鉴相器精度的要求。另外，对双混频时差测量系统的研究和试验，也为频率净化仿真中鉴相器模型的建立提供了理论依据。　　(3)为了检验原子钟频率净化方法的性能，分析各种噪声和不同环路参数对频率净化结果的影响，需要建立一套贴近系统实际特性的仿真模型。原子钟频率净化方法是基于锁相环原理实现的，因此，从锁相环的基本原理和跟踪特性出发，分别对影响频率净化性能的输入原子钟信号相位噪声、鉴相器噪声、VCO量化噪声以及VCO相位噪声等主要噪声源进行了仿真模型建立，构建了一套适用于原子钟频率净化方法研究和性能分析的仿真系统，对不同类型的原子钟（氢、铯、铷）进行了频率净化试验，分析了各种环路参数和噪声对频率净化性能的影响，并给出了原子钟频率净化最优环路参数的选取方法。试验结果表明，按照本文中的方法对不同类型的原子钟进行频率净化后，输出信号的短期阿伦偏差均有不同程度的改善，特别是对自身短期稳定度较差的铯原子钟和铷原子钟改善效果更加明显，使之获得了不逊色于氢原子钟的短期稳定度指标。　　(4)对于类似卫星导航系统等长期持续运行的系统而言，由于原子钟发生故障而导致系统失去时频信号参考的情况是不可接受的。因此，建立备份钟系统是保证其时频系统输出信号连续性和可靠性的必要手段。当主原子钟发生故障或出现异常时，将时频系统的参考频率源切换至备份原子钟，并保证切换前后相位和频率不发生跳变，防止因正在工作的原子钟发生故障而造成整个时频系统失效。论文在上述原子钟频率净化系统的基础上，对主备钟切换时的鉴相器结果增加一个软件产生的相位补偿量，依靠频率净化系统良好噪声性能和皮秒级的鉴相精度，结合无切换开关的“软切换”设计，可以实现主备钟切换前后输出信号相位和频率不发生跳变，实现主备钟间的无缝切换。