一種頻標(biāo)信號(hào)數(shù)字化測(cè)量?jī)x器的研制

劉婭，李孝輝，王國(guó)永，王文利

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心, 西安 710600; 2.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安710600; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049）

一種頻標(biāo)信號(hào)數(shù)字化測(cè)量?jī)x器的研制

劉婭1，2，李孝輝1，2，王國(guó)永1，3，王文利1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心, 西安 710600; 2.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安710600; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049）

分析了經(jīng)典高精度頻率測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，提出了雙混頻數(shù)字化的基準(zhǔn)頻率測(cè)量方法，采用多通道同步測(cè)量和數(shù)字互相關(guān)技術(shù)，解決了傳統(tǒng)雙混頻時(shí)差測(cè)量法中公共振蕩器噪聲不能完全被抵消的問(wèn)題，同時(shí)降低了測(cè)量器件噪聲的影響。引入數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)測(cè)量頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器測(cè)量功能的同時(shí)，還具有現(xiàn)代儀器的分析、圖形化顯示、存儲(chǔ)等功能。根據(jù)雙混頻數(shù)字化基準(zhǔn)頻率測(cè)量方法研制的頻率穩(wěn)定度分析儀樣機(jī)，能同時(shí)比對(duì)8個(gè)基準(zhǔn)頻率信號(hào)的相位或頻率差，測(cè)量10 MHz頻率信號(hào)，目前已測(cè)得以Allan方差表征的本底噪聲為9.01×10-15（τ =1 s）和1.1×10-16（τ =1×104s）。與目前標(biāo)稱本底噪聲最低的同類商業(yè)產(chǎn)品（美國(guó)Symmetricom公司的5125A）進(jìn)行了同時(shí)同條件的比測(cè)，結(jié)果顯示，兩儀器對(duì)相同被測(cè)源的測(cè)試結(jié)果一致。經(jīng)本底噪聲比對(duì)測(cè)試，研制樣機(jī)的短穩(wěn)指標(biāo)優(yōu)于5125A，而5125A的長(zhǎng)穩(wěn)更好，總體指標(biāo)性能相當(dāng)。總之，雙混頻數(shù)字化基準(zhǔn)頻率測(cè)量方法具有可實(shí)現(xiàn)性，研制樣機(jī)的本底噪聲水平達(dá)到了10-15量級(jí)。

雙混頻時(shí)差測(cè)量； 數(shù)字互相關(guān)； 實(shí)時(shí)穩(wěn)定度分析

0 引言

任何頻率源輸出信號(hào)都受噪聲干擾，噪聲使信號(hào)的頻率或相位產(chǎn)生起伏，這種由于噪聲干擾造成的頻率（相位）隨機(jī)起伏稱為頻率穩(wěn)定度，或稱為頻率的不穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度在時(shí)間域和頻率域有不同的表征方式，在時(shí)間域，頻率穩(wěn)定度表現(xiàn)為頻率源輸出信號(hào)的頻率或相位隨時(shí)間的起伏，在頻率域，頻率源的輸出信號(hào)在信號(hào)譜線兩側(cè)出現(xiàn)噪聲邊帶，代替理想情況下單一的譜線。分析頻率源輸出信號(hào)的不穩(wěn)定度是為了評(píng)估噪聲對(duì)頻率源輸出信號(hào)的影響[1]。

頻率信號(hào)的精度測(cè)試根據(jù)測(cè)試精度需求不同而采用不同的頻率穩(wěn)定度分析方法（及設(shè)備），如直接測(cè)頻法、差拍法、雙混頻時(shí)差法、頻差倍增法和差拍數(shù)字化等，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

為滿足性能近似的多臺(tái)原子鐘輸出頻率信號(hào)的高精度比對(duì)，為測(cè)試某頻率源輸出相對(duì)于基準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度性能指標(biāo)，為能夠?yàn)閲?guó)家級(jí)時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室或衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等需要高精度、高可靠時(shí)頻基準(zhǔn)信號(hào)的用戶提供主備頻標(biāo)信號(hào)在線監(jiān)視比對(duì)設(shè)備，需要自主研發(fā)我國(guó)的高精度頻率比對(duì)、測(cè)試、分析設(shè)備，從而解決該項(xiàng)需求主要通過(guò)儀器進(jìn)口，受制于人的現(xiàn)狀。

本文介紹一種頻標(biāo)信號(hào)數(shù)字化測(cè)量?jī)x器的研制。

1 工作原理

1.1 現(xiàn)有方法局限性

雙混頻時(shí)差測(cè)量方法用于頻率測(cè)量已經(jīng)有超過(guò)30年的歷史，是最為常用的高精度頻標(biāo)比對(duì)方法，其基本原理是同頻待測(cè)信號(hào)首先與公共振蕩器混頻，公共振蕩器的標(biāo)稱頻率與待測(cè)信號(hào)存在固定頻差，混頻器輸出兩路差拍后的低頻信號(hào)，然后利用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量混頻后輸出的兩個(gè)低頻信號(hào)的相位差。雙混頻時(shí)差法因?yàn)橐韵聝牲c(diǎn)優(yōu)勢(shì)而有助于保證測(cè)量精度：一是參與比對(duì)的兩個(gè)信號(hào)通過(guò)與公共振蕩器混頻，能放大相位、頻率的細(xì)微變化，提高測(cè)量分辨率；二是通過(guò)對(duì)兩路差拍信號(hào)同時(shí)測(cè)量相位差，能抵消公共振蕩器及測(cè)量系統(tǒng)公共噪聲的影響。目前基于雙混頻時(shí)差測(cè)量方法，測(cè)量10 MHz信號(hào)本底噪聲的水平最高的是德國(guó)TimeTech公司的比相儀（PCO），取樣間隔1 s的Allan方差達(dá)到2.5×10-14（ADEV），而公開(kāi)資料顯示本底噪聲最低的是美國(guó)Symmetricom公司的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)5125A（以下簡(jiǎn)稱5125A），測(cè)量10 MHz，取樣間隔1 s的Allan方差達(dá)到3×10-15（ADEV）。分析雙混頻時(shí)差法精度難以提高的原因主要包括兩方面：一是公共振蕩器噪聲的影響[3-4]，由于兩信號(hào)觸發(fā)計(jì)數(shù)器測(cè)量的時(shí)刻不同，而公共振蕩器不同時(shí)刻輸出信號(hào)附加噪聲不相關(guān)，導(dǎo)致噪聲不能被完全抵消，盡管部分研究人員通過(guò)移相手段，盡可能縮小兩個(gè)信號(hào)的時(shí)差，但移相器自身不確定性又引入了新的噪聲，對(duì)測(cè)量性能的改善有限；二是器件性能的影響，混頻器輸出信號(hào)頻譜成分復(fù)雜，受濾波器性能限制，計(jì)數(shù)器檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)測(cè)量時(shí)，過(guò)零點(diǎn)可能受噪聲影響誤觸發(fā)，增加了測(cè)量不確定性[5]。另外理論上計(jì)數(shù)器的測(cè)量精度也會(huì)影響測(cè)量性能，實(shí)際情況是目前計(jì)數(shù)器能實(shí)現(xiàn)優(yōu)于50 ps的測(cè)量精度，假設(shè)測(cè)量10 MHz信號(hào)，混頻因子為1×10-5（混頻后信號(hào)標(biāo)稱頻率與待測(cè)信號(hào)標(biāo)稱頻率之比），則計(jì)數(shù)器的影響在5×10-16量級(jí)，遠(yuǎn)優(yōu)于目前能達(dá)到的水平，因此認(rèn)為計(jì)數(shù)器性能的影響目前可以忽略。

1.2 解決方法及工作原理

針對(duì)上述雙混頻時(shí)差測(cè)量法存在的局限性，結(jié)合目前發(fā)展較為成熟的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)室提出了雙混頻數(shù)字化頻率測(cè)量法，核心思想是降低電路噪聲對(duì)測(cè)量的影響和降低儀器成本。雙混頻數(shù)字化測(cè)頻法保留了經(jīng)典的頻差倍增法和雙混頻法的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，利用頻差倍增提高測(cè)量分辨率，雙混頻對(duì)稱結(jié)構(gòu)構(gòu)建了抵消公共噪聲的基礎(chǔ)。信號(hào)處理流程是首先倍頻模塊將待測(cè)信號(hào)10倍頻后送入正弦差拍器混頻、信號(hào)調(diào)理，輸出攜帶被測(cè)信號(hào)頻率、相位信息的正弦波信號(hào)，然后利用多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）同步采樣各通道信號(hào)，離散化的正弦信號(hào)被送入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行進(jìn)一步分析測(cè)量。對(duì)數(shù)字化后頻率信號(hào)的測(cè)量分3個(gè)階段：第1步粗測(cè)，采用頻譜分析法測(cè)算信號(hào)的頻率整數(shù)值；第2步精測(cè)，采用數(shù)字互相關(guān)法，計(jì)算信號(hào)的頻率小數(shù)分量；第3步擬合，采用二次項(xiàng)曲線擬合，選擇最大相關(guān)點(diǎn)計(jì)算頻率值，進(jìn)一步消除噪聲影響。

在上面介紹的方法中，多通道同步采樣能徹底消除公共振蕩器噪聲的影響，因?yàn)橄嗤瑫r(shí)刻公共振蕩器噪聲疊加到兩信號(hào)的分量強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)兩信號(hào)做相差或頻差時(shí)可以被完全抵消；而高精度的頻率測(cè)量通?；谙辔槐葘?duì)實(shí)現(xiàn)[6]，數(shù)字互相關(guān)是本方法實(shí)現(xiàn)高精度相位比對(duì)的關(guān)鍵，小數(shù)頻率或頻率抖動(dòng)能通過(guò)相位檢測(cè)反映，本方法利用數(shù)字互相關(guān)技術(shù)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)的相位變化量，或信號(hào)間相位差值。數(shù)字互相關(guān)方法測(cè)量相位的精度取決于A/D器件的采樣率、分辨率以及驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的穩(wěn)定度[7]，若以傳統(tǒng)的方波信號(hào)數(shù)字化，達(dá)到目前測(cè)量精度水平要求采樣率1 GHz以上[2]，這對(duì)A/D器件以及后期的數(shù)據(jù)處理器提出了較高的要求，普通計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。本方法設(shè)計(jì)混頻輸出單載頻信號(hào)（波形為正弦），頻譜成分簡(jiǎn)單，根據(jù)奈奎斯特定理，原信號(hào)2倍頻率的采樣率即能復(fù)原信號(hào)，通過(guò)大量理論和試驗(yàn)分析，采樣率為原信號(hào)的100倍、分辨率為16位、采樣時(shí)鐘精度優(yōu)于50 μs時(shí)，A/D器件對(duì)測(cè)量系統(tǒng)本底噪聲的貢獻(xiàn)可忽略[8]。

下面詳細(xì)介紹基于相位測(cè)量的頻率信號(hào)數(shù)字化高精度測(cè)量方法的基本原理。

假設(shè)某原子鐘輸出信號(hào)為待測(cè)信號(hào)，與儀器內(nèi)的公共振蕩器輸出信號(hào)混頻，則差拍信號(hào)可表示為

式（1）中，iV是信號(hào)幅度峰值，bif是公共振蕩器與待測(cè)信號(hào)的頻差量，iφ為待測(cè)信號(hào)與公共振蕩器輸出信號(hào)的相位差，下標(biāo)i表示待測(cè)信號(hào)的序號(hào)。

考慮待測(cè)信號(hào)受隨機(jī)噪聲和模數(shù)變換的量化誤差影響，以采樣率sf采樣待測(cè)信號(hào)的離散信號(hào)表達(dá)式：

根據(jù)測(cè)得的相位差結(jié)果，利用相位與頻率間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能轉(zhuǎn)換為兩個(gè)待測(cè)信號(hào)的頻率偏差，另外由于余弦定理在第一、第四象限對(duì)符號(hào)不敏感特性，還需要進(jìn)一步根據(jù)相位的變換關(guān)系確定相位差的正負(fù)號(hào)。

2 儀器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

研制的頻率穩(wěn)定度分析儀樣機(jī)由硬件和軟件兩部分組成。其硬件主要完成被測(cè)信號(hào)倍頻、混頻、信號(hào)調(diào)理和數(shù)字化，并提供數(shù)據(jù)接口送入數(shù)字信號(hào)處理器中；其軟件是儀器的核心，負(fù)責(zé)被測(cè)信號(hào)頻率的粗測(cè)、精測(cè)、頻率穩(wěn)定度分析，以及完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形顯示、與硬件通信和用戶交互操作等。

2.1 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

所設(shè)計(jì)的該頻率穩(wěn)定度分析儀的主要功能包括：同時(shí)監(jiān)測(cè)8個(gè)信號(hào)的頻率、相位差、頻率穩(wěn)定度實(shí)時(shí)分析，以及判斷信號(hào)有無(wú)、圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。該分析儀由10倍頻模塊、正弦差拍器、公共振蕩器、頻率分配放大模塊、多通道同步數(shù)據(jù)采集器和運(yùn)行頻率穩(wěn)定度分析軟件的數(shù)字信號(hào)處理器組成，圖1是其硬件組成框圖。

圖1　頻率穩(wěn)定度分析儀硬件組成結(jié)構(gòu)框圖

10倍頻模塊能用于將標(biāo)稱頻率為10 MHz的信號(hào)倍頻到100 MHz，根據(jù)頻差倍增原理，10倍頻能提高測(cè)量分辨率10倍。倍頻模塊輸出的信號(hào)與公共振蕩器的輸出一起經(jīng)正弦差拍器混頻、低通濾波，輸出標(biāo)稱頻率為100 Hz的差拍信號(hào)。各路差拍信號(hào)進(jìn)入多通道同步數(shù)據(jù)采集器，8個(gè)A/D器件受同一采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，將各差拍信號(hào)同步數(shù)字化。數(shù)字信號(hào)被送入數(shù)字信號(hào)處理器，接受頻譜分析、數(shù)字互相關(guān)、曲線擬合等處理，實(shí)現(xiàn)頻率、相位差的高精度測(cè)量和頻率穩(wěn)定度實(shí)時(shí)分析。

研制無(wú)相位噪聲的倍頻模塊，以確保倍頻模塊不影響測(cè)量結(jié)果，是最理想的情況，但不具可實(shí)現(xiàn)性。為了達(dá)到目的，可設(shè)計(jì)滿足倍頻模塊附加噪聲小于頻率源信號(hào)噪聲的模塊，保證測(cè)量倍頻后信號(hào)得到的結(jié)果不受倍頻模塊噪聲污染。這對(duì)倍頻模塊的相位噪聲抑制設(shè)計(jì)提出了較高要求，該頻率穩(wěn)定度分析儀（其外觀如圖2所示）的倍頻模塊相位噪聲指標(biāo)分別為-143 dBc/Hz@1 Hz，-170dBc/Hz@ 1 kHz，-176 dBc/Hz@100 kHz，倍頻模塊的相噪遠(yuǎn)優(yōu)于目前時(shí)頻實(shí)驗(yàn)室常用的氫原子鐘輸出信號(hào)，不影響類氫原子鐘指標(biāo)的頻率源測(cè)量。

研制正弦差拍器主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo)：首先是混頻兩輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)降頻，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為提高分辨率，采用鑒相器實(shí)現(xiàn)，輸出正弦型信號(hào)；其次是設(shè)計(jì)低通濾波器，濾除混頻輸出的高頻分量。

根據(jù)采樣以及數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)性要求，多通道同步數(shù)據(jù)采集器需要8個(gè)獨(dú)立同步的A/D轉(zhuǎn)換器，單通道采樣率高于100 kHz、分辨率不少于16位，采樣時(shí)鐘精度優(yōu)于50 μs，數(shù)字信號(hào)處理器的存儲(chǔ)空間不少于2 GHz，CPU處理速度1 GHz以上。

圖2　頻率穩(wěn)定度分析儀外觀

2.2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

該頻率穩(wěn)定度分析儀通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)其主要功能，包括基于數(shù)字互相關(guān)的頻率、相位差測(cè)量、頻率穩(wěn)定度實(shí)時(shí)分析、圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及與硬件通信和用戶交互操作等等。軟件開(kāi)發(fā)基于Labwindows/CVI 2010平臺(tái)，根據(jù)功能劃分為5個(gè)模塊：參數(shù)配置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)管理和人機(jī)交互及顯示。圖3是其軟件功能結(jié)構(gòu)圖。

圖3　頻率穩(wěn)定度分析儀軟件功能結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)通信模塊按照用戶輸入的參數(shù)配置要求，讀取來(lái)自多通道同步數(shù)據(jù)采集器輸出的數(shù)字信號(hào)，輸出到數(shù)據(jù)處理模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類及頻率粗測(cè)，得到待測(cè)信號(hào)的頻率整數(shù)值，然后轉(zhuǎn)入下一步精測(cè)。精測(cè)有頻率測(cè)量、校準(zhǔn)測(cè)量和相位差測(cè)量3種測(cè)量模式，可由用戶在軟件主界面選擇，分別針對(duì)不同的應(yīng)用需求。頻率測(cè)量模式是為了滿足普通精度的頻率源測(cè)試，如頻率穩(wěn)定度低于1×10-12的信號(hào)；頻率校準(zhǔn)測(cè)量模式針對(duì)高性能頻率源測(cè)量需求，在這種模式下，需要一個(gè)性能優(yōu)于被測(cè)信號(hào)的信號(hào)源作為系統(tǒng)的測(cè)量參考，它與被測(cè)信號(hào)同時(shí)輸入測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得含公共振蕩器噪聲在內(nèi)的設(shè)備系統(tǒng)誤差，用于校準(zhǔn)其他被測(cè)信號(hào)，因?yàn)橄到y(tǒng)誤差測(cè)量與信號(hào)測(cè)量同步，被稱為同步校準(zhǔn)測(cè)量或簡(jiǎn)稱校準(zhǔn)測(cè)量。另外當(dāng)各被測(cè)源的性能相當(dāng)時(shí)，可以通過(guò)選擇不同的頻率源分別作為參考進(jìn)行測(cè)試，然后進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，分析頻率源的性能；相位差測(cè)量模式是在多個(gè)被測(cè)源性能相當(dāng)時(shí)，以某個(gè)輸入信號(hào)為參考，測(cè)量其他信號(hào)與參考信號(hào)的相對(duì)相位關(guān)系。根據(jù)粗測(cè)與精測(cè)的測(cè)試結(jié)果，實(shí)時(shí)計(jì)算信號(hào)的頻率穩(wěn)定度（τ為1 s，10 s，100 s，1 000 s，10 000 s等）并輸出給人機(jī)交互及顯示模塊。

數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)時(shí)保存測(cè)量結(jié)果，以及主要的測(cè)量模式、工作狀態(tài)等信息，便于用戶事后查詢相關(guān)結(jié)果或狀態(tài)。

圖4和圖5是該頻率穩(wěn)定度分析儀軟件的主界面、穩(wěn)定度分析界面以及單通道顯示界面截圖。

圖4　頻率穩(wěn)定度分析儀軟件主界面

圖5　頻率穩(wěn)定度分析儀穩(wěn)定度分析子界面

3 性能測(cè)試

對(duì)研制設(shè)備的性能評(píng)價(jià)測(cè)試包括用同一頻率源進(jìn)行的系統(tǒng)本底噪聲測(cè)試，和與同類儀器的比較測(cè)試。

3.1 本底噪聲測(cè)試

本底噪聲測(cè)試原理是采用同一頻率源經(jīng)分配放大器后輸出兩個(gè)相同的信號(hào)，利用被測(cè)信號(hào)的一致性鑒定測(cè)試儀器的性能。理想情況下，測(cè)試結(jié)果應(yīng)無(wú)限趨近于零，實(shí)際測(cè)試結(jié)果則能反映測(cè)量?jī)x器自身的噪聲，稱為本底噪聲。為了充分檢驗(yàn)儀器性能，取測(cè)試1 d和1個(gè)月兩組典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)環(huán)境：屏蔽實(shí)驗(yàn)室，室溫18℃，偏差±3℃，濕度60%。

測(cè)試平臺(tái)：以中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心的10 MHz信號(hào)作為參考，輸入到凈化振蕩器中凈化相位噪聲，然后連接凈化振蕩器的輸出到頻率分配放大器，由其分成2個(gè)相同的10 MHz信號(hào)，輸入頻率穩(wěn)定度分析儀。

測(cè)試1 d的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：頻率穩(wěn)定度分析儀在頻率校準(zhǔn)模式下，測(cè)得儀器本底噪聲為8.97×10-15

（τ = 1 s），9.88×10-17（τ =1×104s）。

測(cè)試一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：頻率穩(wěn)定度分析儀在頻率校準(zhǔn)模式下，測(cè)得儀器本底噪聲為9.18×10-15

（τ =1 s），1.53×10-16（τ =1×104s）。

測(cè)試結(jié)論：儀器的本底噪聲結(jié)果在現(xiàn)有測(cè)試環(huán)境條件下，能達(dá)到優(yōu)于9.0×10-15（τ =1 s）。隨側(cè)試時(shí)間增長(zhǎng)，測(cè)試環(huán)境的不確定因素增加，如供電電源環(huán)境、溫度變化等，引起本底噪聲測(cè)試性能下降。在超過(guò)1個(gè)月的測(cè)試時(shí)間里，研制系統(tǒng)本底噪聲能控制在9.2×10-15（τ =1 s）。

3.2與同類儀器比對(duì)測(cè)試

為了進(jìn)一步鑒定該研制儀器的性能，采用在相同環(huán)境條件下，與同類儀器進(jìn)行比較測(cè)試的方式檢驗(yàn)儀器性能。參與比對(duì)的儀器是美國(guó)Symmetricom公司生產(chǎn)的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)5125A（以下簡(jiǎn)稱5125A）和本文研制的頻率穩(wěn)定度分析儀，5125A是目前能夠采購(gòu)到具有最低本底噪聲的頻率穩(wěn)定度分析設(shè)備，產(chǎn)品規(guī)格書表明該設(shè)備測(cè)量10～400 MHz信號(hào)的Allan方差本底噪聲能達(dá)到3×10-15（τ =1 s）。

具體試驗(yàn)方法與3.1節(jié)本底噪聲測(cè)試方案相同，是利用來(lái)自同一分配放大器輸出的相同信號(hào)4路，分別接入比測(cè)的本文研制儀器和5125A，在同一實(shí)驗(yàn)室兩臺(tái)儀器同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。由于所處環(huán)境相同，且被測(cè)信號(hào)源同源，因此認(rèn)為兩儀器測(cè)試條件完全相同。

試驗(yàn)環(huán)境：屏蔽實(shí)驗(yàn)室，室溫18℃，偏差±3℃，濕度60%。

試驗(yàn)平臺(tái)：以中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心的10 MHz信號(hào)作為參考，輸入到凈化振蕩器中凈化相位噪聲，然后連接凈化振蕩器的輸出到頻率分配放大器，由其分成2個(gè)相同的10 MHz信號(hào)，輸入頻率穩(wěn)定度分析儀設(shè)備。

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1所示。

表1　研制儀器與5125A本底噪聲比測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)論：在本文搭建的測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試環(huán)境下，5125A的最優(yōu)Allan方差結(jié)果9.66×10-15（τ =1 s），沒(méi)能達(dá)到其規(guī)格說(shuō)明書的3×10-15指標(biāo)，原因可能是目前搭建的測(cè)試環(huán)境不具備測(cè)得3×10-15量級(jí)的要求，盡管試驗(yàn)在屏蔽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，但是實(shí)驗(yàn)室仍有其他設(shè)備運(yùn)行，可能存在電磁環(huán)境干擾、人為干擾等因素，另外室內(nèi)沒(méi)有溫控設(shè)施，溫度變化也可能是導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果受影響的原因。

在相同測(cè)試環(huán)境和信號(hào)源條件下，本文研制的頻率穩(wěn)定度分析儀測(cè)試總體性能與5125A相當(dāng)，短期穩(wěn)定度略高于5125A，萬(wàn)秒級(jí)穩(wěn)定度不及5125A。根據(jù)5125A廠家提供的指標(biāo)推斷，研制儀器的本底噪聲性能應(yīng)該優(yōu)于目前已經(jīng)測(cè)得的9×10-15水平。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種多通道同步測(cè)量頻標(biāo)信號(hào)的數(shù)字化測(cè)量方法，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)各通道同步數(shù)字化后測(cè)量，解決了傳統(tǒng)雙混頻時(shí)差測(cè)量法不能完全抵消公共振蕩器噪聲的問(wèn)題，數(shù)字相關(guān)測(cè)頻方法還能有效抑制測(cè)量器件的噪聲。

目前基于該方法已經(jīng)研制完成了頻率穩(wěn)定度分析儀，實(shí)測(cè)10 MHz信號(hào)本底噪聲優(yōu)于9×10-15（τ = 1 s），較雙混頻時(shí)差測(cè)量法的最高測(cè)量水平2.5×10-14提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，與目前指標(biāo)最高的商用產(chǎn)品5125A的比測(cè)結(jié)果顯示，兩臺(tái)設(shè)備在相同環(huán)境下測(cè)試本底噪聲性能相當(dāng)，且5125A的實(shí)測(cè)指標(biāo)沒(méi)有達(dá)到5125A的產(chǎn)品規(guī)格書標(biāo)明的3×10-15（τ =1 s），因此推斷當(dāng)前測(cè)試環(huán)境條件限制了對(duì)儀器性能的測(cè)定，研制儀器的實(shí)際指標(biāo)應(yīng)能優(yōu)于當(dāng)前實(shí)際測(cè)試值。

本文提出的方法是一種可行、經(jīng)濟(jì)的頻標(biāo)信號(hào)高精度測(cè)試方法，已經(jīng)被應(yīng)用到了研制儀器中，實(shí)測(cè)結(jié)果與世界上同類儀器先進(jìn)水平相當(dāng)，且成本遠(yuǎn)低于進(jìn)口設(shè)備，能滿足測(cè)試、比對(duì)氫鐘等高精度頻率基準(zhǔn)信號(hào)的需求。

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Development of a digital measure instrument for frequency-standard signals

LIU Ya1，2，LI Xiao-hui1，2，WANG Guo-yong1，3，WANG Wen-li1，2
（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.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The advantages and disadvantages of classical high-precision frequency measurement methods are analysed，and then a digital dual-mixing measurement method is proposed，in which the multi-channel synchronous measurement is adopted to solve the problem that the noise of the common-oscillator can′t becanceled completely and to reduce the influence of the measurement instrument noise.The digital signal processing technology is introduced into the high-precision frequency measurement to realize the function of classical instrument，as well as the function of modern instrument，such as analyses，graphical display and storage.The prototype of frequency stability analyzer developed based on the digital dual-mixing measurement method can simultaneously measure phase differences or frequency differences for eight independent 10 MHz or 100 MHz frequency sources.For 10 MHz frequency signal，the measured noise floors represented with Allan deviation are 9.01×10-15（τ =1 s） and 1.1×10-16（τ =1×104s）.The comparing experiments for the prototype and the similar commercial product（Symmetricom Inc.5125A） with the lowest noise floor showed that the test results from the two instruments for same clock source are similar in same work environment.The tests indicated that the short-term stability for the developed prototype is better than that of 5125A，whereas the long-term stability for 5125A is better than that of the developed prototype.In conclusion，the digital dual-mixing measurement method is practical，and the noise floor of the developed instrument have achieved the level of 10-15.

dual-mixing time difference； digital cross-correlation； real-time stability

TM935.12

A

1674-0637（2015）02-0073-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-02-0073-09

2014-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61001076，11033004）

劉婭，女，博士，副研究員，主要從事數(shù)字精密測(cè)頻技術(shù)研究。