頻率穩定度測量

對頻率源輸出頻率值的隨機起伏特性的測量。也包括對各種頻率控制部件所附加的隨機起伏特性的測量。

定義

頻率穩定度 　有時域和頻域兩種表征方式。

①　時域頻率穩定度：用信號頻率 v0 的相對頻偏在一定的採樣時間τ內的平均值的方差來表示。一般採用無間隙雙採樣方差σy(τ)即阿侖方差的方根值作為時域頻率穩定度的統一表征量。阿侖方差可表示為

式中〈 〉表示無窮個採樣的平均。

阿侖方差

實際測量只能是有限的測量次數M，它的估值表達式為

估值表達式

人們習慣按採樣時間長短區分長期穩定度和短期穩定度。長期指日、月或更長，而短期指分、秒或更短。

②　頻域頻率穩定度:用頻率或相位隨機起伏的譜密度來表示。通常, 採用相對頻偏y(t)的譜密度Sy(f)作為頻域頻率穩定度的統一表征量。此外，人們也常用相位起伏ψ(t)的譜密度Sψ(f)，以及單位頻寬內一個調相邊帶功率與信號功率之比L(f)來表征。典型的振盪器和各種兩連線埠器件的頻域穩定度可用五種冪律譜噪聲的組合來近似地表示，即 式中α為代表噪聲類型的整數，α=2為白色調相噪聲、α=1為閃變調相噪聲、α=0為白色調頻噪聲、α=-1為閃變調頻噪聲、α=-2為隨機遊動調頻噪聲；f為傅氏頻率；hα為表示噪聲強度的係數。頻率穩定度的時域和頻域表征量可以相互轉換。

五種冪律譜噪聲的組合

頻率穩定度的測量

時域頻率穩定度的測量方法主要有五種。①差拍法：其原理如圖1。將被測信號和參考信號同時送至雙平衡混頻器，差拍出頻率為兩信號頻率差的一低頻信號，經低通濾波及限幅放大後,饋至電子計數器。計數器按選定的採樣時間τ重複測量此差拍信號的周期或頻率值（M次），再按時域頻率穩定度的估值表示式計算σy(τ)值。②雙混頻時差法：其原理如圖2。振盪器(1)為被測振盪器,振盪器(2)為參考振盪器。兩個信號分別送至一對雙平衡混頻器的相應連線埠，與公共的轉換振盪器差拍出低頻信號，用計數器測量兩差拍信號的時差，然後用σy(τ)的估值公式計算時域頻率穩定度。此方法主要適用於準確度很高且不能相互調偏的原子頻標時域穩定度的測量。③頻差倍增法：先將被測信號的頻率起伏用頻差倍增器倍增，然後用計數器測倍增後信號的頻率,按σy(τ)的估值表示式計算時域頻率穩定度。此法適用於整數定點頻率的精密頻率源的時域頻率穩定度的測量。上述三種方法主要用於短期穩定度的測量。④時差法:被測信號和參考信號分別經過分頻器分頻,並經放大整形後形成脈衝。分別送計數器的起動和停止輸入連線埠測量它們的時間間隔（即時差）,然後按σy(τ)計算時域頻率穩定度。此法適用於原子鐘長期穩定度和漂移率的測量。⑤比相法:利用鑒相器比較兩同頻信號的相位,用模擬式記錄器自動記錄鑒相器輸出電壓。根據記錄的曲線可以計算被測信號的頻率漂移率和長期頻率穩定度。此法主要適用於原子頻標長期穩定度和漂移率的測量和監測。

頻域穩定度常用的測量方法主要有三種。①鎖相法：其原理如圖3。利用鑒相器和鎖相環路把待測信號的相位起伏轉換為電壓起伏，然後用頻譜分析儀測量其譜密度隨傅氏頻率的分布特性，從而完成Sψ(f)的測量。通常採用低噪聲雙平衡混頻器作為鑑相器。一般使鎖相環路工作在松鎖狀態，此時系統具有很平坦的鑒相特性。有時也使系統的鎖相環路工作在緊鎖狀態，此時系統則處於鑒頻狀態。此法具有頻頻寬、系統噪聲低等特點。②鑒頻法：利用各種無源器件（如延遲線、諧振器）的選頻特性，將待測頻率源的頻率起伏變為電壓起儀，再用頻譜儀進行頻譜分析。因其不需另一參考頻率源，故又稱無源法或單源法。此法主要用於分析微波高功率頻率源的較高傅氏頻率段的頻域穩定度。③外差計數器法：測量原理與時域差拍法基本相同，只是在計數器測量差拍頻率的採樣方式和估算測量數據所採用的方差有所不同。比如可利用哈達馬方差換算並給出頻域頻率穩定度的表征。此法適用於分析近載頻的相位噪聲。

頻率穩定度的測量誤差

時域短期穩定度測量系統的不穩定度可達1×10-13 /τ（秒）；頻域測量系統的剩餘噪聲可達到-170分貝/赫.

測量誤差1,包括測量系統本身噪聲的引入誤差（主要取決於測量系統前置級混頻器、倍頻器等的噪聲）

2, 參考源不穩定性引入的誤差.3,以及數據處理引入的誤差.