頻率穩定度

振盪頻率保持不變的能力。以在某觀察時間內頻率變化的最大值與標稱頻率之比來表示。

年、月的頻率穩定度稱為長期頻率穩定度，它主要決定於基準頻率源的穩定度。

日、小時的頻率穩定度稱短期頻率穩定度，它決定於電源、負載及環境的變化，用ppm表示。

基本介紹

• 中文名：頻率穩定度
• 外文名：Frequency stability
• 分類：短期、長期
• 本質：頻率源隨回響時間的變化規律
• 影響因素：噪聲
• 表示：偏離規定頻率差值的百分比

術語簡介

發信機的每個波道都有一個標稱的射頻中心工作頻率，用表示。工作頻率的穩定度取決於發信本振源的頻率穩定度。設實際工作頻率與標稱工作頻率的最大偏差值為，則頻率穩定度的定義：

式中K為頻率穩定度。

微波通信對頻率穩定度的要求取決於所採用的通信制式以及對通信質量的要求。發信機的工作頻率的穩定度取決於發信本振源的頻率穩定度。

數字微波通信系統多採用 PSK調製方式，若發信機工作頻率不穩，有漂移，將使解調的有效信號幅度下降，誤碼率增加。

頻率穩定度

一般頻率穩定度可以取 1×10-5～2×10-5左右。較好的介質穩頻振盪器可達到1×10-5～2×10-5左右。

當對頻率穩定度有嚴格要求時，例如，要求 ～時，則必須採用石英晶體控制的分頻鎖相或脈衝鎖相振盪源。

收信設備頻率穩定度應和發信設備具有相同的指標，通常為～，高性能發信機可達 ～。

收信本振和發信本振常採用同一方案，用兩個相互獨立的振盪器，在有些中繼設備里，收信本振功率是發信本振功率取出一部分進行移頻得到的，收信與發信本振頻率間隔約 300MHz 左右。

這種方案的好處是收信與發信本振頻率必是同方向漂移，因此用於中頻轉接站時，可以適當降低對振盪器頻率穩定度的要求。

頻率穩定度標識了數傳電台工作頻率的穩定程度。單位為ppm（part per million百萬分比）。通常數傳電台的頻率穩定度應在：±1.5ppm左右。

測量原理

以f1和f2分別表示一個標頻信號和一個被測頻率信號，設它們的標稱值均為Nns，讓其進行比相。由於它們之間的頻率差別和所有的各種噪聲的影響，使代表各自相位關係的兩鑒相脈衝之間的時間差變化在0～Nns的範圍，並且以Nns為一個鑒相周期。

頻率穩定度

若當兩鑒相脈衝之間的時間間隔在0或Nns附近時，就會使鑒相雙穩態的鑒相工作不正常。為了避免出現這種情況，又反映相位差值的變化，則自然會聯想到按某種規律的間隔脈衝的鑒相方法。

為控制方便併兼顧避開兩比相脈衝的間隔接近0ns和Nns兩種情況，比相時，一路鑒相信號的重複周期為Nns，另一路信號的重複周期應大於或等於3倍的Nns，並且標稱值是Nns的整數倍。通過適當的門電路，讓T1和T2參加鑒相的脈衝之間的時間間隔為Nns～2Nns或2Nns～3Nns。這樣，兩比相信號每隔4Nns的時間分別對鑒相雙穩態觸發一次，但鑒相的重複周期仍為Nns。

鑒相雙穩態輸出電壓經濾波器輸出方波Vf變化的情況，反映了兩比相信號間相位差隨時間的變化。T1的每個脈衝均參加鑒相；T2由於門電路的控制作用，每連續的四個脈衝中只有一個參加鑒相。但不是固定的分頻鑒相，而是選擇了與T1鑒相脈衝有一定時間間隔的Nns一段中的時間範圍內的脈衝來實現。

通過數據採集板卡利用LabView軟體對表示被測頻率穩定度的方波信號Vf進行採集即是該系統完成的功能。

測量方法

時間頻率測量是電子測量的重要領域，要實現對時間頻率測量，需要有一個好的頻率源，在各種頻率源中，尤其是對於晶體振盪器來說，穩定度問題是最使人們關注的問題，它表示對於頻率穩定度的保持能力。

對於穩定度不好的頻率源來說，準確度調得再高也是沒有意義的。本文介紹了一個基於計算機的多路數據採集、實時顯示的頻穩測量系統，該系統以計算機、數據採集卡為基本硬體，因此它屬於虛擬儀器的範疇。虛擬儀器系統是基於計算機的數位化測量測試儀器，它由計算機、套用軟體和儀器硬體三部分組成。

虛擬儀器可使用相同的硬體系統，通過不同的軟體就可以實現功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟體系統是虛擬儀器的核心，軟體可以定義為各種儀器。

虛擬儀器技術的優勢在於可由用戶定義自己的專用儀器系統，且功能靈活，很容易構建，所以套用越來越廣泛。 硬體框架及軟體設計方案

●虛擬儀器的硬體框架

虛擬儀器主要有以下幾種構成方式：PC匯流排方式的插卡型虛擬儀器；GPIB匯流排方式的虛擬儀器；VXI匯流排方式的虛擬儀器；PXI匯流排方式的虛擬儀器。

● 虛擬儀器的軟體設計方案

軟體在虛擬儀器中一般起到三個層面的作用：底層驅動層、套用層和人機界面層。底層套用層主要用來對硬體的操作，如對數據採集卡的驅動。套用層則是完成數據的採集存儲、轉換和分析，儀器的各種功能就在該層編制類似於傳統儀器的面板，完成人機交換。

較為流行的虛擬儀器軟體有美國國家儀器公司的LabView、 LabWindows/CVI 、Measurement studio,惠普公司的HP---VEE等圖形化、互動式的編程設計環境，以及通用可視化編程工具VC++、VB、DELPHI、C++ Builder、BC等。

利用LabView實現頻率穩定度的測量

●硬體配置

本虛擬儀器系統是插卡型虛擬儀器，包括PC機、ADVANTECH公司PCI-1713數據採集卡，端子板和傳輸電纜。

● 軟體設計

測試程式有三個模組組成：硬體驅動模組、硬體配置及測量參數選擇模組、用戶接口模組。

硬體驅動模組負責和底層數據採集卡打交道,它將根據用戶輸入的命令和參數完成一次數據採集並將測試結果還給用戶。考慮到程式的模組化和通用性，一般將這部分程式編寫成動態程式庫。ADVANTECH公司針對該公司生產的各種數據採集板，通過在最底層調用動態庫，形成一些獨立的功能模組，即該公司板卡的LabView硬體驅動庫，同時還提供了很多例程。

頻率穩定度

在進行頻穩測量時，由於處理數據量大，而且要求很高的採集率，所以採取DMA傳輸方式。圖2是硬體驅動模組與數據採集模組相結合實現數據採集流程圖。

硬體配置及參數選擇模組

LabVIEW程式由三部分構成，即前面板、圖形代碼及程式圖示(即函式模板)和接口板。該部分即為前面板，它實現程式的輸入和輸出功能，由控制鍵元素和顯示鍵元素構成。控制鍵代表程式的輸入參數，顯示鍵代表程式的輸出值。圖3是該系統的主程式界面，左上角接受用戶輸入的測量參數；左下角是各種功能鍵，包括頻差測量、連續測量、頻穩測量、測試報告、停止採樣等；右上角是實時數據顯示，可以看出數據變化的趨勢；右下角則是頻穩、頻差等的計算結果顯示。

用戶接口模組相當於管理員。在LabView中即為函式模板，它包括編輯程式代碼所涉及到的VI程式和函式，在該系統中它要完成Windows初始化，等待接收並處理用戶命令，根據設定模組的參數來調用驅動模組，完成數據採集及數據處理、數據存儲的功能。

時域表征

頻率穩定度是衡量頻率源的一項最重要的指標, 是頻率源所給頻率值不穩定成份的定量描述, 其時域描述為：

單位時間間隔內頻率平均值的隨機起伏程度。

該時間間隔稱為取樣時間。在統計學上用其方差表征。

由於閃爍噪聲對頻率源的影響，經典方差在表征頻率穩定度上有嚴重的缺陷，因此頻率穩定度的數學表征目前一致採用的是二次取樣方差（阿侖方差）。