基于多路双混频时差测量仪的新频率测量系统

张越;王玉琢;张爱敏;董堃;王伟波

【摘 要】阐述了中国计量科学研究院提升频率标准计量能力的研究,介绍了双混频时差法技术原理、NIM新频率测量系统的基本构成以及与原标准频率系统的比对结果.新频率测量系统采用双混频时差法测量,系统测量不确定度优于3×10-13(采样时间1s),实现了频率标准长、短期稳定度计量,是一套高效率的频率标准综合测试系统.

【期刊名称】《计量学报》 【年(卷),期】2018(039)004 【总页数】4页(P568-571)

【关键词】计量学;频率标准;双混频时差测量 【作 者】张越;王玉琢;张爱敏;董堃;王伟波

【作者单位】中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029;中国计量科学研究院,北京100029 【正文语种】中 文 【中图分类】TB939 1 引 言

中国计量科学研究院是研制时间频率基准并负责保持和传递时间频率量值的国家授

权单位。近年来，随着国民经济和科学技术的飞速发展，新器件、新材料的出现，促使高品质的时间频率仪器不断研制出来，从而对测量设备性能要求相应提高；同时也要求测量方法更加完善和规范。比相测量方法、频差倍增法、数字式双混频时差测量方法是目前时间频率领域主要的精密测量技术[1]。目前，我国铷原子频率标准,石英晶体振荡器的长期频率稳定度的计量大都采用基于比相测量原理的多路比相仪来实现，短期频率稳定度的计量是基于频差倍增测量原理的频标比对器来实现。

双混频时差技术是目前国际上测量时域频率稳定度精度最高的技术，许多国家时间频率实验室应用这项技术建立了时域频率稳定度高精度的时间频率量值传递系统，用于国内时间频率量值传递。本文通过对多路双混频时差测量仪进行了深入研究，利用其测量频率差的功能，通过软件进行相对频率偏差的数据采集和算法处理，从而实现了基于高精度双混频时差的测量。该系统成为具有时域频率长期、短期稳定度综合测量系统的标准频率检定装置，与原系统相比综合测量能力得到了功能和指标的提升，最终实现了对各种原子频标及石英晶体频率标准的长期、短期频率特性的综合计量。 2 双混频时差基本原理

双混频时差技术是测量分辨力最高的技术之一。任何频标比对器最基本的测量量都是一段时间内参考频标与被测频标的相对平均频率频差，若参考频标的频率为f0，被测频标的频率为fx，取样时间为τ，则被测频标的相对频率频差y(τ)为： (1)

若被测频标与参考频标的瞬时相位差为 Δφ(t), 则式(1)可表示为： (2)

式中：的单位为s，称为相位时间，通常用x(t)表示这一量，于是有： (3)

式(3)是时差法测量所依据的基本公式。

双混频时差法是美国NIST 的Allan D W在上世纪70 年代提出的测量高稳定度原子钟的方法。这种方法结合了外差法和时差法的优点，发展到今天已经成为测量准确度最高的方法之一[2～6]，国际上许多先进的时间频率实验室均采用这一方法进行时标测量。基本测量原理见图1。 图1 双混频时差测量原理图

引入一个公共频标fc，其与参考频标的频差为fb, fb的周期即为测量时所能得到的最小取样时间。标称频率值相同的被测频标、参考频标分别与公共频标混频，产生两个低频差拍信号，标称频率为fb，两个差拍信号经低通滤波器及放大器后，接入时间间隔计数器，时间间隔计数器的开门和关门信号分别为两个拍频信号的正向过零点，测量两个信号的相位时间x(t)，则被测频标的相对频率偏差y(τ)为： (4)

相对于利用时间间隔计数器的时差法，双混频时差测量法测量分辨力提高了f0/fb ( 被测频率/拍频频率) 倍， f0/fb通常称为频差放大倍数。

根据国际建议，频率稳定度由阿仑标准偏差来表征，其基本计算公式为： (5)

式中:m为y(τ)的个数，称为取样个数。

3 基于多路双混频时差测量仪的新频率测量系统的组成

新频率测量系统包含4部分：本地参考原子频标；多路被测设备输出频标(可同步

测量10路被测频率信号)；多路双混频时差测量仪及管理和数据处理软件。图2为系统组成图。 3.1 本地参考原子频标

新频率测量系统的参考源应满足频率测量的相应检定规程的要求。参考源来自NIM的原子钟组输出的频率信号：5 MHz或10 MHz。 3.2 多路被测设备标准频率输出

新频率测量系统主要用于测量铷原子频标、石英晶体频标的长、短期稳定性能以及频率日波动、频率日老化等相关频标计量的指标，被测频标与参考频标的输出频率应相同：5 MHz或10 MHz。 3.3 多路双混时差测量仪

多路双混频时差测量仪为系统的主要测量设备[7,8]。此设备是美国Microsemi公司生产，高精度地测量多路频率信号之间的相对频率偏差。 3.3.1 系统不确定度(本地噪声)测试

测试参考源选用瑞士OSA公司制造的高稳晶振8607，10 M输出信号经分配放大器产生10路输出，1路作为多通道双混频时差测量系统的参考输入，其他9路输出作为多通道双混频时差测量系统的被测输入，测量时间约20 h，测得系统噪声本底优于3×10-13(采样时间1 s)，能满足多数原子频标及石英晶体频标的测量要求。通道1～10系统噪声本底(以阿伦标准偏差表示)数据见表1 。 3.4 数据处理软件

测试系统的软件在Labview环境下进行设计开发，系统程序主要由3个模块组成。测试程序流程图如图3所示。

第1模块：数据采集与格式化模块，基于.NET Framework 4.0采用C#编程语言开发，通过Telnet实现远程数据采集，依据多路双混频时差测量仪参数设置，格式化源数据为标准数据格式。建立数据检索与比对方法，灵活配置各通道之间的比

对及采样时间间隔，产生标准数据源，主要包括相位偏差和频率偏差。 图2 基于多路双混频时差测量仪的新频率测量系统组成图表1 10 MHz系统噪声本底

取样时间/s通道CH1通道CH2通道CH3通道CH4通道CH5通道CH6通道CH7通道CH8通道CH9通道CH1012.8×10-132.7×10-132.8×10-132.7×10-132.9×10-132.8×10-132.7×10-132.8×10-132.9×10-132.7×10-13101.0×10-130.9×10-130.8×10-131.0×10-131.0×10-130.8×10-130.9×10-130.8×10-130.9×10-131.0×10-131008.2×10-148.3×10-148.2×10-148.1×10-147.9×10-147.8×10-137.7×10-137.8×10-137.9×10-137.8×10-13 图3 测试系统程序流程图

第2模块：读取多路双混频时差测量仪的测量值：根据频标计量技术的不同参数算法(具体参数分别是日频率漂移率、频率稳定度(取样1 s、10 s、100 s、1 d)、频率日波动、频率日老化及相对频率偏差频率)取得对应时间点的原始测量数据。 第3模块：按照JJG 180—2002《电子测量仪器内石英晶体振荡器》、JJG 292—2009《铷原子频率标准》检定规程、JJG 181—2005《石英晶体频率标准》检定规程和JJG 349—2014《通用计数器》检定规程的技术指标的算法计算各参数。

为了方便用户使用，增加以下功能：(1)远程实时控制；(2)数据库管理并输出数据文件；(3)测量时间段选取；(4)显示测量状态信息；(5)频率统计功能；(6)多路互比。

4 新频率测量系统比对和结果分析

为验证NIM新频率测量系统的性能，与已使用多年的多路比相测量系统进行比对。在相同参考频标、相同被测频标、同步测量15 d的条件下，比对两个测量系统的日频率稳定度(以阿仑标准偏差表示)。测量结果如图4所示。

图4 日频率稳定度比对结果

从图4数据可以得出：新频率测量系统与多路比相系统测得的日频率稳定度基本一致，说明NIM的新频率测量系统性能良好。应用新频率测量系统，依据日频率波动、日频率老化计算公式，同样可验证两系统的比对结果的一致性。 5 氢、铯原子钟比对结果 图5 氢、铯原子钟比对

将一台铯钟的频率信号和一台氢钟的频率信号连接到新频率测量系统，测量两台钟的相对频率差。同时用两台钟直接比对测量相对频率差，然后进行比较，可验证新频率测量系统的性能。测试每1 h取一个样点。测量结果如图5(a)所示，图5(b)表示移出斜率后氢、铯原子钟比对变化结果。图中Cs-Hy曲线表示两原子钟直接比对测量的钟差，用最小二乘法拟合直线，该直线的斜率K1即为两台钟相对频差，其值为：4.287×10-12，同样：Cs-Hy表示经新频率测量系统测得的两原子钟差，其相对频率差K2为4.285×10-12。

从以上数据可以得出：新频率测量系统测得的平均相对频差与两原子钟直接比对的平均相对频差基本一致，说明该系统性能良好。 6 结 论

阐述了中国计量科学研究院近年来在提升频率标准计量能力上的研究，介绍了NIM新频率测量系统的基本构成和比对结果，这些结果和其他测量设备的结果基本一致。新频率测量系统已在守时实验室连续运行1年以上，系统稳定可靠，说明新频率测量系统的研制是成功的。开展了频率标准计量的校准实验，结果表明该系统可作为标准设备进行时间频率的量值传递，对各种原子频标及石英晶体频率标准的长、短期频率特性指标进行检定和校准，保证我国时间频率量值的准确可靠。 [参考文献]

【相关文献】

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