作为一种稳定的高精度时频标准,被动氢原子钟目前已部署在“北斗三号”项目的一些核心部件之中。如今,航天导航定位技术正在蓬勃发展,被动氢原子钟的性能参数指标也需要持续提升,而中科院上海天文台具有完备的实验设施和仪器设备,为科研实验提供了优良条件。针对目前被动氢钟的时延参数估计与氢原子跃迁信号性能尚未达到最优的情况,本文提出了基于被动氢钟的时延指标估计算法与基于系统信噪比寻找氢钟最佳输入功率点的方法。采用Xilinx公司所生产的FPGA芯片XC4VSX35,并结合中国航天研究所生产的B2209芯片、B9764芯片与B9243芯片,外加各个功能器件构建成完整的数字电路系统模型,通过软件仿真及硬件实现相结合的方式,优化了被动氢钟的各参数性能指标,进而可以有效提高被动氢钟的时频精度。首先,针对传统的被动氢钟时延估计方法在高斯随机信号中性能低下的问题,因此提出一种基于最小二乘样本拟合的被动氢钟时延估计方法。通过给出互相关的代价函数,利用sinc内插公式与最小二乘准则最小化其代价函数,得到并接近于无偏的估计值,并给出算法的克拉美罗下界,再将该算法与互相关算法、基于最小均方误差算法进行仿真性能比较,最后通过硬件系统模型实现计算时延的估计量并画出相对应的曲线,成功验证了算法的可行性与有效性。另外,基于目前被动氢钟性能仍有提高的空间,针对氢原子能级跃迁的特性,提出了一种基于系统信噪比寻找氢钟最佳输入功率点以提高原子跃迁信号性能的方法。首先利用数字频率合成器得到等幅正弦扫频信号并导入至氢钟谐振腔中,获得谐振腔的幅频特性。然后通过控制谐振腔中的变容二极管电压与晶振压控电压,使其能够达到最大的原子跃迁信号能量,并将氢钟物理输出信号通过下变频后输入电路系统模型中进行计算分析,针对原子跃迁信号获得不同输入功率下的信号带宽与系统信噪比曲线,并找到最佳的输入功率点以提高原子跃迁信号的性能,最后与另一台测试氢钟作比较,成功验证设计方法的有效性。最后,将概括本文所研究的内容与结论并给出未来展望,本文的实验研究工作对被动氢钟的研究提供了一定的方法参考。