Таким образом, традиционный подход не учитывает появление избыточных флуктуаций, обусловленных параметрическим механизмом преобразования шумов с субгармоник на основную частоту при периодически нестационарном дробовом шуме /(f).
Л и т е р а т у р а
1. Acernese F. e. a. Status of Virgo // Class. Quantum. Grav. 2008. V. 25. 114045.
2. Abbott B. P. e. a. LIGO: the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory // Rep. Prog. Phys. 2009. V. 72. 076901.
3. Drever R. W. P. e. a. Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator // Appl. Phys. 1983. V. B 31. P. 97—105.
4. Безруков Л. Б. и др. Прецизионный измерительный комплекс слабых оптоакустических возмущений // ПТЭ. 2010. № 3. С. 111—118.
5. Острем К. Ю. Введение в статистическую теорию управления. М.: Мир, 1973.
6. Гильярди Р. М., Карп Ш. Оптическая связь. М.: Связь, 1978.
7. Рытов С. М. Введение в статистическую радиофизику. М.: Наука, 1976. Т. 1.
8. Куликов Е. И., Трифонов А. П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М.: Сов. радио, 1978.
9. Клышко Д. Н. Фотонный шум: наблюдение, подавление, интерпретация // УФН. 1995. Т. 165. № 11. С. 1249—1278.
10. Black E. D. An introduction to Pound-Drever-Hall laser frequency stabilization // Am. J. Phys. 2001. V. 69. N 1. P. 79—87.
Дата принятия 19.03.2013 г.
ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ
621.317.08
Алгоритм формирования выходного сигнала
группового эталона частоты
К. Г. МИШАГИН, С. Д. ПОДОГОВА, И. Н. ЧЕРНЫШЕВ, С. Ю. МЕДВЕДЕВ
ЗАО «Время-Ч», Н. Новгород, Россия, e-mail: mishagin@vremya-ch.com
Предложен алгоритм формирования выходного сигнала группового эталона частоты, использующий управление частотой вспомогательного кварцевого генератора на двух временных масштабах. Алгоритм можно применять в системах резервирования выходного сигнала эталона, основанных на синхронизации вспомогательного генератора относительно нескольких стандартов частоты и времени.
Кпючевые слова: групповой эталон частоты и времени, нестабильность частоты, вариация Аллана.
The automatic frequency control of auxiliary crystal oscillator algorithm based on two fime-scales frequency measurements is proposed for formation of output signal of an atomic clock ensemble. The algorithm can be realized in atomic clock combining systems based on the synchronization of auxiliary oscillator by several atomic clocks of the ensemble.
Key words: ensemble of atomic clocks, frequency instability, Allan variation.
В последние годы существенно повысилась точность хранения и воспроизведения эталонных единиц времени и частоты, что, в первую очередь, обусловлено появлением новых квантовых стандартов частоты, основанных на использовании охлажденных атомов или ионов (цезиевые и рубидиевые фонтаны, оптические стандарты на атомах стронция и др.). При этом сигналы эталона, как правило, формируются при помощи небольшого ансамбля активных водородных стандартов (эффективность такого подхода продемонстрирована в [1, 2]). Отметим, что в нашей стране ансамбли водородных стандартов являются также основой для вторичных
и рабочих эталонов частоты и времени. За рубежом часто применяют ансамбли цезиевых стандартов частоты (на це-зиевой атомно-лучевой трубке) или и цезиевые, и водородные стандарты вместе [3].
Кроме повышения точности современных эталонов времени и частоты наблюдается тенденция к формированию реальных сигналов (высокочастотных и частотой 1 Гц), обладающих характеристиками точности группового эталона. Для решения данной задачи необходима реализация алгоритма расчета групповой частоты и шкалы времени, а также алгоритма управления частотой и фазой источника выход-
ного сигнала эталона. В качестве такого источника применяют вспомогательный управляемый кварцевый генератор, частота которого обычно стабилизирована относительно одного опорного сигнала (квантового стандарта).
Важным качеством эталона является его надежность. Использование нескольких стандартов в эталоне позволяет резервировать выходные сигналы. Однако переключение с ведущего стандарта на резервный не происходит мгновенно. Решение о переключении принимается на основе анализа результатов сличений ведущего стандарта с другими стандартами эталона (общее количество стандартов должно быть не менее трех) и требует некоторого времени, в течение которого выходной сигнал может быть «испорчен». Сигнал резервного стандарта подстраивается по частоте и фазе, чтобы максимально совпадать с выходным сигналом, стабилизированным по частоте относительно ведущего стандарта. Для этого можно привлечь вспомогательный генератор, фазовый микростеппер или систему автоподстройки фазы [4].
Существует альтернативный подход к задаче резервирования выходных сигналов, который предполагает использование сигналов сразу нескольких стандартов частоты и времени, входящих в групповой эталон, для формирования выходного сигнала. На рис. 1 показана схема, в которой сигналы входящих в группу стандартов измеряются на многоканальном частотном компараторе МЧК относительно сигнала управляемого кварцевого генератора УКГ. По данным этих измерений процессорное устройство ПУ формирует команды коррекции частоты сигнала кварцевого генератора. Таким образом реализуется цифровая петля автоматической подстройки частоты вспомогательного генератора относительно средней частоты группы сигналов. Детектирование проблемных ситуаций происходит прежде, чем вводятся коррекции, поэтому, если флуктуация частоты одного из входных сигналов превышает заданный предел, этот сигнал исключается из группы и не участвует в управлении вспомогательным генератором. Исключенный сигнал заменяется некоторым средним значением, измеренным заранее. При этом динамические характеристики петли автоподстройки остаются неизменными. Такой подход имеет ряд преимуществ: непрерывность выходного сигнала, отсутствие скачков по фазе и частоте при включении и отключении опорных
Рис. 1. Схема резервирования на основе автоподстройки управляемого кварцевого генератора УКГ относительно группы опор-
ных сигналов с частотами
МЧК — многоканальный частотный компаратор; ПУ — процессорное устройство; ЦАП — цифроаналоговый преобразователь; ФВС — формирователь выходных сигналов
сигналов, возможность реализации в одном приборе (подобные схемы реализованы в резервируемом формирователе эталонных частот 47-317 производства ЗАО «Время-Ч» и в синхронизируемом генераторе 10281 производства Т^еТесЬ|). Однако остается нерешенной задача достижения наилучшей стабильности выходного сигнала в такой схеме. Выполненная в определенный момент автоподстройка относительно средней частоты опорных стандартов не позволяет получить оптимальную стабильность частоты выходного сигнала, если характеристики стандартов неодинаковы.
Цель настоящей работы заключается в создании такого алгоритма автоподстройки для схемы на рис. 1, который сочетал бы высокую стабильность выходного сигнала (стабильность частоты на выходе должна быть выше, чем у каждого стандарта из группы в отдельности для широкого диапазона интервалов времени измерения) и относительную простоту, позволяющую реализовать алгоритм в приборе. Решение этой задачи даст возможность сформировать резервируемый сигнал, обладающий характеристикой стабильности группового эталона частоты.
Рассмотрим общий принцип автоподстройки частоты относительно сигналов нескольких стандартов (см. рис. 1). Допустим возможность выбора различных весовых коэффициентов для каждого опорного сигнала. Тогда текущее изменение кода частоты подстраиваемого генератора (учитывая для простоты лишь интегральную составляющую в управлении) можно записать так:
лик = -9' XкУп, к + Лк-
п = 1
(1)
где д' — интегральный коэффициент управления; к — весовой коэффициент п-го опорного сигнала; уп к — относительная разность частот п-го опорного сигнала и подстраиваемого генератора, измеренная в к-й момент времени; Лк — добавка, позволяющая программно задавать и корректировать сдвиг частоты.
Важно отметить, что в процессе работы системы весовые коэффициенты могут изменяться, сигналы могут включаться в группу синхронизации и исключаться из нее. Это должно приводить к сдвигу частоты подстраиваемого генератора. Чтобы устранить данный сдвиг, осуществляется коррекция величины Лк.
Благодаря цифровой петле частотной автоподстройки частота выходного сигнала УКГ представляет собой взвешенное среднее частот опорных сигналов и рассчитывается по формуле
*УКГ
N
= (1 +5) X^ ^ + %
п = 1
(2)
где 5 — программируемый относительный сдвиг частоты; (п — частоты сигналов стандартов, входящих в ансамбль; ^ — шум, вносимый системой автоподстройки.
Нестабильность частоты выходного сигнала (2) можно оценить при помощи вариации Аллана [5, 6]. Предполагая некоррелированность опорных сигналов, а также, что вариации их частоты представляют собой стационарный гауссов
случайный процесс, получаем выражение для вариации Аллана
о у (т) = Х ж2 оп(х) + о ^ (т)
(3)
Правую часть (6) можно представить иначе:
N „ м
„в
дик = - д1 X к у п. к + д1 X К, к- ^„.к) у п. к ■ (7)
п = 1 п = 1Ч У
где о2(т) — вариация Аллана п-го сигнала; о| (т) — добавка
из-за шума, вносимого системой автоподстройки, которая достаточно мала и в течение времени т, много большего длительности времени управления, определяется лишь погрешностью измерения разности частот в компараторе для соответствующего т.
В простейшем случае, когда нестабильность частоты сигналов всех стандартов одинакова для всех т, очевидно, что весовые коэффициенты должны быть также одинаковыми.
Тогда Оу(т), если пренебречь о|(т), будет в Лч раз меньше
нестабильности частоты отдельного стандарта.
Если сигналы стандартов имеют различные характеристики нестабильности частоты, то для фиксированного интервала т можно подобрать оптимальное распределение весов, чтобы для выбранного т значение вариации Аллана выходного сигнала (3) было минимальным. Оптимальное в этом смысле распределение весовых коэффициентов имеет вид
™п(т) = °у, тт(т)/о2(т);
оу, тт(т) =
Хо-2(т)
(4)
(5)
т. е. весовой коэффициент для каждого опорного сигнала выбирается обратно пропорционально
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.