1、调制域时频多功能测量仪介绍调制域时频多功能测量仪介绍 2011年09月13 日文字版（有些符号出错，请看下面的图片版）： 调制域多功能时频测量仪介绍 一、架构灵活：该仪器为调制域多功能时频 测量 虚拟仪器，包括上位机即PC机时频 测量 多功能软件（包括虚拟按键、面板等）和下位机两部分。下位机为多功能的时频测量仪单板，该单板由DSP和FPGA等构成。包括板上元器件，单板尺寸为130mm88mm22mm。电源12V、+5V、总功耗3W。外部基准时钟源10MHz。四个被测输入通道，触发电平在3V之间可设置，触发斜率可选定为正触发或负触发。四个被测输入通道有以下组合：1、2、3、4通道可同时对第一通道
2、输入信号进行测试；1、2通道和3、4通道可同时分别对第一通道和第三通道的输入信号进行测试；1、2、3、4通道可同时对四路输入信号分别进行测试。1、2、3、4通道的开或关、采样次数、硬分频和软分频都可以分别确定。被测信号100MHz的交流信号或直流信号。单路测时分辩力4ps（采用多通道组合 测量 ，测时分辨力可提高到1ps），时间间隔 测量 不确定度（JJG953-2000）10ps左右。各功能有相应的数据处理和曲线、图形等。有平均时间间隔、频率值、标准偏差N（）、阿仑方差y（）、修正的阿仑方差Mody（）、高阶方差y（）、时间偏差TDEV（）和最大时间间隔误差MTIE（S）。后两者为通信时钟同
3、步信号检定参数1。还有单边带相位噪声谱密度L（f）dBc/Hz 2、3。 该时频仪可以将下位机和上位机软件作为一台多功能时频测量仪出售，也可以将下位机原代码提供给用户，将下位机作为单板出售。这样便于用户作项目的二次开发（将下位机单板嵌套在其系统之中），一则有机结合，二则技术保密。用户对于下位机上传给上位机的数据，根据需要，编制所需的上位机软件，将该仪器变成某一专用测试仪。 二、技术先进：高精度时间间隔测量仪（又称高精度电子计时器）为国家十一五项目。该时频测量仪于2011年2月21日，经国防科工局（原国防科工委）第二计量测试研究中心依据JJG953-2000“精密时间间隔测量仪”国家计量检定规程
4、，进行了检测，检测结果为：时间间隔 测量 不确定度12ps，测试报告编号为TTF201102041。12ps的不确定度指标是非常高的。国内产品为空缺，而极高端的国外时间间隔测量仪被禁止向中国出售。 三、调制域 测量 是时间频率 测量 的最佳手段。 该时频测量仪采用了调制域 测量 技术，即对被测信号符合触发条件的过零点时刻进行连续精确的锁定。从得到的连续的时刻数据中，可以得出频率（或相位）或时间间隔对时间的变化关系。4 频率和频率稳定度 测量 ，实际是频率不确定，频率不稳定度的 测量 ，频率为什么不确定？为什么不稳定？主要有以下三类原因： 1、频率源参数的系统变化，会导致频率的老化漂移。这种频率
5、漂移在晶体振荡器中尤其显著。其频率的老化漂移往往呈现出良好的直线性。即频率随着时间而线性地增大或减小。此影响长期稳定度以及晶振的使用寿命（频率漂移出限定的频率值范围）。 2、外界环境条件的变化，如环境温度、电源电压、周围磁场以及负载情况等，都会影响频率稳定度。 3、频率源的噪声会引起频率起伏。噪声频率一般较高，这种频率变化十分迅速。此种噪声主要影响频率源的短期（十秒级以下）稳定度，某些低频噪声，它主要影响频率源的长期（几十秒，100秒以上时间）稳定度。 噪声、方差、频稳 测量 和相位噪声谱、相位 测量 等是时间频率计量测试技术的主要内容5。 频率源的频率起伏可以用幂律谱表示： Sy(f)= h
6、f 式中的y为标称频率偏移，f为付氏频率，h为噪声强度，为在某一f范围内的常数，典型的值为+2、+1、0、-1、-2、-3、-4，以上分别为调相白噪声、调相闪变噪声、调频白噪声、调频闪变噪声、频率随机游动噪声、加频随机噪声、加频闪变噪声。在时域 测量 领域，是以方差来处理噪声 测量 。理论和实际已证明，标准偏差、阿仑方差、高阶方差对前两种噪声和第三种噪声分别成-1和-0.5关系，标准偏差对第四种噪声存在低频发散不再适用。阿仑方差和高阶方差对第四、第五种噪声分别成0、0.5关系，阿仑方差对第六种噪声存在低频发散。高阶方差对于第六种、第七种噪声分别成1和1.5关系。 对于目前发现的存在于频率源中的
7、前五种噪声，阿仑方差都适用。国际时频界统一使用由美国时频专家阿仑提出的连续采样的阿仑方差y(2、)，简写y()来表征频率稳定度。 标准偏差、阿仑方差和间歇采样阿仑方差y(2、T、)的相互关系，可以通过美国时频专家巴纳斯提出的巴纳斯偏函数来表示。因为以上方差，以及高阶连续采样方差y（3，），简记y（）和间歇高阶采样方差y（3，T，）6，对或T, 有既定的关系，可以通过这些关系推导出其相互的关系式7、8。 以上方差对=+2、+1两种噪声都成-1关系，所以不能区分以上两种噪声。 阿仑和巴纳斯又共同提出了能区分以上两种噪声的修正的阿仑方差。9 以下列出各方差的计算公式： 标准偏差： N（）= （i-
8、N）21/2 N = i 阿仑方差要求全部连续采样，若做不到全部连续采样，但必须做到两两连续。 全部连续采样，采样个数为m+1。 y（）= （i+1-i）21/2 两两连续采样，组内无间隙，组间有间隙，采样个数为2m。 y（）= （2i-2i-1）21/2 高阶方差： y（）=（ （i-2i+1+i+2）2）1/2 i为全部连续采样，采样个数为m+2 修正的阿仑方差 Mody（）= （xi+2n-2xi+n+xi）/n 21/2 xi为相位时刻采样值，i=1，2，n2nN xi为全部连续采样，N为总的采样次数。 xi+1-xi=h xi+2n-xi+n=n+1 xi+n-xi=n n=nh 当
9、n=1 Mody()= y() 当n1，修正的阿仑方差中出现了 （xi+2n-2xi+n+xi）/n求和平均处理，此处理为压缩软件带宽至 。由于 软件带宽对=+2，+1，两种噪声滤除的程度有差异，使修正的阿仑方差出现-1.5和-1不同表示而区分出以上两种噪声。 根据频率源的不同应用要求，频率源的频稳特性可以用时域阿仑方差来表征，有些情况下，频率源噪声特性需要用单边带相位噪声谱密度L（f）dBc/Hz表示。 时频 测量 方法有许多种，时频测量仪也各种各样。 调制域 测量 的关键，是对被测信号在整个 测量 时间内的各采样时间都是连续采样的。相邻之间不存在间隙时间。前一个的结束，是后一个的开始，这样
10、多个相加，只存在第一个开始时刻到最后一个结束时刻的一个+1误差和以上两个时刻的相位抖动差。中间所有的误差被求和而完全平均掉了。使 N平均值误差被减小到 单次误差。 标准偏差适用于描述起伏量围绕真正平均值的随机偏差范围。采样次数N越大，求出的 N平均值越接近真正的平均值。对于有限次 测量 ，如N=100，当i为全部连续采样， 100平均值误差只有单次测量误差的 。 100更加接近真正的平均值。为此，标准偏差更加切实可信。 对于频率值 N= , n为分频系数 平均频率 100的 测量 比单次测频f精度高两个数量级。 调制域 测量 完全能满足阿仑方差y（）和高阶方y（）对采样时间全部连续的要求。同时
11、对于间歇阿仑方差y（2，T,）和间歇高阶方差y（3，T，），由于调制域 测量 ，对决定时间间隔T，的各时刻值被精确锁定，间歇方差表示式中的T，值很容易求出。 时间偏差TDEV（）与修正的阿仑方差Mody（）有以下关系式： TDEV（）= Mody（） 修正的阿仑方差Mody（）公式中有nh求和以及（n+1-n）之差求和，只有h全部连续采样，以上的求和误差最小，修正的阿仑方差可信度更高。 文献9指出，修正的阿仑方差Mody（）用来分析存在调相白噪声和调相闪变噪声的频率源或信号稳定度时是非常有用的。也可以作为对于频率源中存在的其他噪声过程的频率稳定度表征。 最大时间间隔误差MTIE（s）其定义是在
12、特定的时间周期内，如S=10，给定的定时信号与理想的定时信号的最大时间间隔偏差。如果理解为N次采样的 N的平均值为理想的定时信号时间单元。那么逐一实际锁定的时刻值与逐一递加 N的时刻值之偏差，设为xi，再作以下运算： MTIE(S)= （xi）- （xi） N为总的采样次数，xi为相位时刻偏差值，只有在总的 测量 时间内，所有的采样时间全部是连续的， N平均值才可以看作是真正的理想定时信号的时间单元。 在不同的采样时间内，有一种或两种主要噪声影响频率源的稳定度。如果能分析出其中的主要噪声，并根据其噪声机理，采取相应措施，将主要噪声减小，提高频率源稳定指标，这是人们所期盼的。 该时频仪对同一组采
13、样数据，依次作了平均时间间隔 N，频率 N，阿仑方差y（），标准偏差N（），高阶方差y（）、修正的阿仑方差Mody（），最大时间间隔误差MTIE(S=10)，单边带相位噪声谱密度L（f）dBc/Hz共八个参数的处理。以便综合分析，对频率源的噪声分析提供帮助。 1、频率源的线性老化漂移。标准偏差N（）成线性增大，阿仑方差y（）会出现因线性漂移为主要影响，而不能表征频率的起伏变化。高阶方差y（）能很好地滤除频率的线性老化漂移，并能表征出缓慢的频率起伏变化。 2、电源220V交流的50Hz和100Hz纹波的影响。 对于50Hz纹波，当=20ms,40ms,60ms阿仑方差不受影响，而=10ms，30
14、ms，50ms对阿仑方差y（）影响较大；对于100Hz纹波，=10ms，20ms,30ms阿仑方差不受影响，对于=5ms，15ms，250ms对阿仑方差y（）影响较大。而50Hz和100Hz纹波对L（f）dBc/Hz都有明显影响。 3、对于调相白噪声+2，y（） y（2，T,） N（）； 对于调频白噪声0, y（）y（2，T,）N（）； 因为修正的阿仑方差Mody（）对于以上三种属于高频噪声的滤除能力强，所以有：Mody（）y（），Mody N（）； 对于调频闪变噪声-1，频率随机游动噪声-2，标准偏差 N（）存在低频发散。所以有N（）y（）；因为Mody（）对低频噪声的滤除作用弱，所以有Mo
15、dy（）y（）；对于前五种噪声，都有：y（） N（）；y（） y（）； 如果频率源中存在-3和-4噪声，那么阿仑方差y（）和修正的阿仑方差Mody（）都存在低频发散。 y（）y（） Mody（）y（） 4、利用MTIE(S=10)，可以查找出频率源是否存在大的相位跳动。 5、再分析单边带相位噪声谱密度L（f）dBc/Hz。 6、另外还可以将采样数据作调制域分析，以了解频率或相位或时间间隔对时间的变化关系，以查找干扰源。 因为由同一组数据作各方差等的处理，相关性强，方差值体现出的相互关系的物理 意义真实可信。由此分析得出的噪声情况切实可靠。 如果将“低频差拍”或“误差倍增”组件与该时频测量仪相结
16、合，那么对于包括原子钟在内各种频率源，稳定度检测和噪声分析是大有帮助的。 四、多功能如下： 1、高精度时间间隔 测量 10 （1）时间间隔 测量 范围：下位机支持0-17秒，大于17秒，由上位机支持，并可以大到任一大的时间间隔； （2）可以 测量 两路正（或负）脉冲之间的时间间隔；也可以 测量 单路正（或负）脉冲之间的时间间隔； （3）连续N次平均时间间隔的测量误差为1/N单次测量误差；采用了两路最小平方滤波11，可以进一步提高时间间隔 测量 精度。 （4）将接仪器面板上的两路输入接头进行对换连接，将对换前后的两次 测量数据相减再除以2，两输入通道的时延差被对消，得出结果为被测时间间隔值。若将
17、两次数据作相加再除以2，被测时间间隔值被对消，则得出两路 测量 通道的相对时延差。 2、高分辨力频率 测量（1）单通道测时分辨力4ps，与之相对应的测频分辨力为12位，最长频率值显示15位。 （2）连续N次时间间隔 测量 的频率误差为1/N单次测量误差。 3、频率稳定度 测量（1）采样时间为1us至任一长时间，全部连续采样； （2）频稳自校 测量 精度： （n4） （3）采用了不同的软件带宽压缩12、13，可以进一步提高仪器的 测量 精度。 4、相位噪声谱 测量（1）单边带相位噪声谱 测量 极限灵敏度为： L（f0）dBc/Hz=（-243+20logfx-10logf0）dBc/Hz 上式中
18、fx为被测频率源频率值，f0为偏离载频的频偏值。 （2）偏离载频 0.1Hzf0100kHz 若采用“低频差拍”或“误差倍增”组件与该测量仪组合，能大大提高频率稳定度和相位噪声谱 测量 指标。 5、调制域分析 相比较而言，示波器在时域中展示的是幅度（V）与时间（t）的关系；频谱分析仪在频域中展示的是幅度（V）与频率(f)的关系；调制域分析仪在调制域中展示的是频率（或相位）、或时间间隔对时间（t）的变化关系。调制域分析对以下的应用带来方便：1、观察频率调制；2、识别不稳定度来源；3、捕获并分析串行数据定时；4、简化数据时钟抖动分析；5、直接观测脉宽调制；6、捕获信号中的抖动和调制等等。 总之，调
19、制域分析的用途是非常广泛的14、15。 另外还有高精度时间间隔发生器。 时间间隔发生器广泛用于各种时间控制系统，在检定各种时间测量仪时作为标准源。高精度时间间隔发生器是以高稳定度时钟源为主振器，通过频率综合并采用差分技术产生一定范围的时间间隔。时间间隔输出方式：两个脉冲间的间隔；单脉冲宽度；极性可正负员。 （1）两路正（或负）脉冲列输出 A、分辨力 1ns （或1ps） 025us时间间隔范围 4ns 4ns250us时间间隔范围 1ms 1ms50s时间间隔 （2）单路正（或负）脉冲宽度输出 A分辨力 4ns（或1ps）025us时间间隔范围 4ns 4ns250us时间间隔范围 1ms 1
20、ms50s时间间隔 （3）输出脉冲个数可设定 参考文献 1、彭承柱 SDH同步网各级时钟的定时要求 现代电信科技 1996年3期 2、Luiz Peregrino Davidow Ricci 使用具有联机数据处理功能的高分辨力计数器 测量 相位噪声 电子计测技术 1978年2期 3、李荣成 李黎明等 信号源相位噪声的时域分析及其误差修正 中国计量科学研究院时频处 1985年10月 4、龚克 调制域 测量 技术及其应用 电子 测量 技术及应用 1993年4期 5、高连山、王志田 时间频率计量测试技术发展概述 国防军工计量学术交流会论文集 2001年11月 6、郑德君 双时差 测量 系统及其新的应
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