多通道比相儀TSC MMS測量性能分析

李雨薇，劉婭，李孝輝

?

多通道比相儀TSC MMS測量性能分析

李雨薇1,2,3，劉婭1,2,3，李孝輝1,2

（1. 中國科學(xué)院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院時間頻率基準重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039）

為了研究美國Symmetricom公司的多通道比相儀TSC MMS（multi-channel measurement system）（它是一種基于雙混頻時差測量原理的相位測量設(shè)備）的測量性能以及進一步探索改進其測量性能的方法，搭建了TSC MMS設(shè)備的性能測試平臺，測量了TSC MMS的本底噪聲。本底噪聲的測量結(jié)果與該設(shè)備制造商發(fā)布的2.5×10-13(10 MHz)處于同一水平。另外，對影響測量結(jié)果的具體原因進行了分析。

多通道測量系統(tǒng)；頻率測量；本底噪聲；頻率穩(wěn)定度

隨著頻率標準的不斷發(fā)展和完善，對精密頻率測量技術(shù)的要求也越來越高。目前，常用的精密頻率測量方法主要是雙混頻時差（DMTD）、頻差倍增以及多種測量方法并用等。迄今，公開文獻中所報道的測量性能最好的儀器在測量100MHz信號時Allan方差能夠達到2×10-15（=1s）[1]。TSC MMS（multi-channel measurement system）是美國Symmetricom公司推出的高精度時頻測量儀器，采用的是典型的雙混頻時差測量結(jié)構(gòu)，輸出輸入信號相對于內(nèi)部公共參考源的相位差的累加值。廠商給出的指標是測量10MHz信號的Allan方差優(yōu)于2.5×10-13（=1 s）。本文將對TSC MMS的性能進行分析，并通過實驗獲得TSC MMS的本底噪聲測量結(jié)果，進而對引起測量結(jié)果的原因進行分析。

1 儀器簡介

TSC MMS配備19 in的標準機箱，其測量通道可以根據(jù)用戶需求從4路擴展為28路。該設(shè)備可同時測量3個不同頻率的輸入信號，頻率范圍為1～20 MHz。

TSC MMS采用典型的雙混時差測量結(jié)構(gòu)。設(shè)備內(nèi)部自帶公共參考源，為所有輸入信號提供與其頻率標稱值相差約10 Hz（偏差頻率）的頻率信號。TSC MMS最終將內(nèi)部公共參考源與輸入信號的相位差的累加值作為測量結(jié)果，通過網(wǎng)絡(luò)輸出到用戶端。用戶則可以通過輔助數(shù)據(jù)管理軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲和分析。

2 工作原理

TSC MMS是一個模塊化系統(tǒng)，每一部分的功能模塊都可以根據(jù)需要增減配置。其主要的功能模塊包括：

TSC 2011：主要功能是混頻、過零檢測和測量。每一TSC 2011模塊包括4個輸入通道，每路輸入信號可以分別與內(nèi)部公共參考源混頻，經(jīng)過零檢測，由計數(shù)器輸出混頻后相位差的累加值。TSC MMS中最多可以配置7個TSC 2011模塊；

TSC 2049：32 MHz內(nèi)部高穩(wěn)晶體振蕩器；

TSC 2048B：合成1～20 MHz信號的數(shù)字頻率合成器；

此外，TSC MMS還包括處理器、存儲器、電源模塊、機箱及擴展插槽等。

圖1為雙通道輸入信號連接原理圖[2]。如圖1所示，2路輸入信號分別輸入到 TSC 2011模塊；在測量系統(tǒng)內(nèi)部，由圖1中32 MHz的內(nèi)部時鐘（TSC 2049）驅(qū)動數(shù)字頻率合成器（TSC 2048B）產(chǎn)生公共參考源；信號A和B分別與公共參考源混頻，混頻器A和B則輸出相應(yīng)的差拍頻率信號，通過過零檢測器A和B檢測過零點，分別輸出相應(yīng)的具有一定脈寬的脈沖信號；由內(nèi)部高穩(wěn)晶體振蕩器產(chǎn)生計數(shù)器的時基信號，通過計數(shù)器周期性地記錄差拍頻率信號的相位累加信息，每秒一次通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實時顯示在PC機上。

圖1 雙通道輸入信號連接原理圖

假定通道A的輸入信號為參考信號，通道B的輸入信號為待測信號。輸入到通道A和B的信號瞬時相位可分別表示為

和

由式（4）和式（5）可得

可見，通道A和通道B輸入信號的相位差等于從混頻器輸出的2個差拍頻率信號的相位差。測量系統(tǒng)的精度取決于計數(shù)器分辨率和差拍因子（參考頻率值/差拍頻率值）[1]。

3 實驗方案設(shè)計

本實驗?zāi)康氖菧y試TSC MMS的性能。測量的主要參數(shù)是測量系統(tǒng)的本底噪聲。

在雙混頻測量系統(tǒng)中，理想條件是輸入的參考信號和待測信號幅頻特性完全相同，保證各通道由輸入信號引起的噪聲全部抵消?，F(xiàn)實是，即使通過頻率分配放大器將1路輸入信號變?yōu)?路頻率相等的信號輸出，這2路輸出信號也不可能完全相同。測試時，為了評估TSC MMS自身的測量性能，只能保證輸入的2路信號的同源性，并讓輸入信號分別與內(nèi)部公共參考源混頻后得到差拍頻率信號，盡可能最大限度地抵消由輸入信號引入的噪聲，而由通道不一致性引起的噪聲，則無法抵消。

為測試TSC MMS性能所設(shè)計的雙通道實驗流程示于圖2。實驗中首先選用10 MHz的頻標信號作為輸入信號。該信號是由NTSC（中國科學(xué)院國家授時中心）時頻基準實驗室的銫鐘經(jīng)過幾級隔離放大器后得到的，到本實驗室后經(jīng)過頻率分配放大器分為2路相同的10 MHz信號，分別作為TSC MMS的2個輸入信號，指定其中一個作為參考，另一個作為待測信號。選擇等長電纜進行連接，使得這2路信號從功率分配放大器到TSC MMS的衰減量和時延盡量一致。輸入信號接入TSC MMS后，與內(nèi)部產(chǎn)生的 10MHz-10Hz的信號進行混頻，隨后過零檢測，由計數(shù)器得到各路輸入信號與內(nèi)部公共參考源的相位差的累加值，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)顯示在PC機上，然后進行數(shù)據(jù)存儲、處理，得到待測信號相對于參考信號的相位差數(shù)據(jù)。

圖2 雙通道實驗設(shè)計流程圖

4 實驗結(jié)果及分析

或

本實驗中TSC MMS輸出的數(shù)據(jù)是輸入信號與公共參考源的相位差的累加值，所以應(yīng)用（8）式計算Allan偏差，進而獲得系統(tǒng)本底噪聲，用以評估測量系統(tǒng)性能。

為了使測量結(jié)果更為客觀，我們在盡可能相同的環(huán)境下測得TSC MMS連續(xù)運轉(zhuǎn)3 d的數(shù)據(jù)。測量時間為2009年11月19日下午5點到22日下午5點，測量間隔為1 s，實驗數(shù)據(jù)按天共劃分為3組，每組2路信號的測量數(shù)據(jù)共2×86 400個。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 Allan偏差（ADEV）σ（）

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著采樣時間（τ）的增加，Allan偏差越來越小，當τ =1s和當τ =104 s時，Allan偏差分別為3×10-13和8×10-17。由于TSC MMS輸出的數(shù)據(jù)相位差量是累加的，時間越長累加值越大，不利于直接在圖形中查看細節(jié)，又因為用相位差與用頻率差得到的Allan偏差計算結(jié)果是等價的，所以將相位差量轉(zhuǎn)換為頻率差表示，以下結(jié)果都是相位差轉(zhuǎn)換為頻率差后計算得到的。選取Allan偏差最小的1組，即第3組數(shù)據(jù)的頻率差數(shù)據(jù)（如圖3所示）和Allan偏差（如圖4所示）進行分析。

圖3中，頻率差數(shù)據(jù)在±1.0×10-12Hz內(nèi)變化，基本關(guān)于0值對稱；在60 000 s左右處，頻率差值出現(xiàn)奇異值，判斷為環(huán)境干擾所致。

圖4 第3組Allan偏差

從表1和圖4可以看出，當=1s時Allan偏差是2.65×10-13，小于表1中其他2組數(shù)據(jù)；當=104s時，Allan偏差是1.05×10-16，大于表1中其他2組數(shù)據(jù)。這種情況應(yīng)該是由于圖3所示頻率差數(shù)據(jù)在約60 000 s處出現(xiàn)奇異值造成的，因為該奇異值的影響范圍應(yīng)在=103～104s之內(nèi)。剔除該奇異值后，對=104s而言，Allan偏差也在1×10-17量級。

影響測量結(jié)果的原因包括2個方面：一方面是輸入信號源自身精度的影響，另一方面則是測量系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

為了排除信號源自身和TSC MMS內(nèi)部公共參考源對結(jié)果的影響，于2010年1月2日又測量了1組銫鐘數(shù)據(jù)，這次實驗的地點選擇了距離銫鐘輸出端口更近的實驗室，且此銫鐘信號經(jīng)過了相位微調(diào)儀（HROG-10）進行相位調(diào)整后，產(chǎn)生2路同源信號。線路損耗和2路信號的一致性遠優(yōu)于第一次實驗[4]。采樣間隔仍然是1 s，2路信號測量數(shù)據(jù)共2×86 400個。最后所得Allan偏差如圖5所示。

圖5 銫鐘信號作為待測信號所得Allan偏差

圖5所示結(jié)果說明，盡管信號源自身精度更高，但與前3組數(shù)據(jù)比較，測量結(jié)果沒有多大改善，Allan偏差在=1 s時為3.55×10-13，并無改進。

在對銫鐘信號進行該次（2010年1月2日）測量的同時，提取了測量系統(tǒng)內(nèi)部公共參考源輸出中的偏差頻率部分，其值在10 Hz附近波動，如圖6所示。

圖6 測量系統(tǒng)內(nèi)部公共參考源的偏差頻率

圖6表明，測量系統(tǒng)內(nèi)部公共參考源的偏差頻率并非一個穩(wěn)定的量，因此系統(tǒng)內(nèi)部誤差的存在在所難免。但是在雙混頻測量中，兩個通道相減后可以抵消這部分對結(jié)果的影響。然而由于通道之間并不完全一致，這種抵消不是無限的，這是TSC MMS只能達到3×10-13測量精度的主要原因。

5 結(jié)語

通過以上的實驗結(jié)果，可以看出對于輻頻特性完全相同的2路10 MHz輸入信號的測量結(jié)果得到的以Allan偏差表征的秒穩(wěn)約為3×10-13，最好的一次達到了2.65×10-13。在改善待測信號源自身精度后，測量結(jié)果仍然在3×10-13左右?？梢?，雖然換了精度較好的信號源，但是測量結(jié)果并沒有得到改善，因此我們推斷這個結(jié)果應(yīng)是TSC MMS在我們實驗室測得的本底噪聲，這一結(jié)果也與產(chǎn)品制造商發(fā)布的 2.5×10-13（10 MHz）在相同水平。

[1] 李孝輝, 楊旭海, 劉婭, 等. 時間頻率信號的精密測量[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[2] Symmetricom Inc. Multi-channel measurement system user manual[EB/OL]. [2010-06-12].http://www.symmetricom.com.

[3] 沈季良, 蔡勇, 馬南雪. 用雙混頻時差法測量頻率的相位差和頻率穩(wěn)定度[J]. 中國科學(xué)院上海天文臺年刊, 2000, 21: 154-156.

[4] 王正明, 董紹武, 劉春俠, 等. NTSC的雙混頻時差測量系統(tǒng)試運轉(zhuǎn)結(jié)果分析[J]. 時間頻率學(xué)報, 2006, 29(2): 134-141.

Analysis of performance of TSC multi-channel measurement system

LI Yu-wei1,2,3, LIU Ya1,2,3, LI Xiao-hui1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China)

In order to evaluate the performance of symmetricom’s TSC MMS(multi-channel measurement system), which is a phase measurement device based on the measurement principle ofdual mixer time difference (DMTD) method, and to seek the method of improving the performance, a TSC MMS performance test platform was set up and the background noise in TSC MMS was measured. The measured background noise is consistent with that issued by the manufacturer, 2.5×10-13(10 MHz). Besides, the factors which affect the measurement results are analyzed.

multi-channel measurement system; frequency measurement; background noise; frequency stability

TM935.1

A

1674-0637(2011)01-0009-07

2010-06-18

中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃資助項目（2007YB03）；中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向資助項目（KJCX2-YW-T12）

李雨薇，女，碩士研究生，主要從事時頻測量研究。