Л и т е р а т у р а
1. Жиганов И. Ю. Многоканальный телевизионный способ дистанционного измерения геометрических параметров // Вестник Самарского госуд. аэрокосмич. ун-та. 2009. № 2. С. 110—114.
2. Скворцов Б. В., Жиганов И. Ю. Метрологический анализ многоканальных телевизионных методов измерений геометрических параметров объектов // Измерительная техника. 2009. № 9. С. 5—8; Skvortsov B.V., Zhiganov I. Yu. Metrological analysis of multichannel TV methods of measuring object geometrical parameters // Measurement Techniques. 2009. V. 52. N. 9. P. 902—907.
3. Скворцов Б. В., Жиганов И. Ю., Мапышева-Стройко-
ва А. Н. Методы дистанционных измерений геометрических параметров объектов // LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. 2012. № 1. C. 313.
4. Пат. 73069 РФ. Телевизионное устройство измерения геометрических параметров объектов / Ж иганов И. Ю., С квор-цов Б. В. / Изобретения. Полезные модели. 2008. № 13.
5. Нестеров В. Н., Мухин В. М., Мещанов А. В. М етод многомерных тестовых объектов в оптических измерительных системах: Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2013.
6. Карасик В. Е., Орпов В. М. Лазерные системы видения. М.: Изд-во МВТУ им. Баумана, 2001.
Дата принятия 09.04.2014 г.
ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ
621.317.08
Анализ нестабильности ч астоты группового сигнала ансамбля активных водородных
стандартов
С. Д. ПОДОГОВА*, К. Г. МИШАГИН**, И. Н. ЧЕРНЫШЕВ*, В. Г. ВОРОНЦОВ*
* ЗАО «Время-Ч», Н. Новгород, Россия, e-mail: podogova@vremya-ch.com ** Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, Н. Новгород, Россия, e-mail: mishagin@rf.unn.ru
Проанализированы характеристики группового сигнала, полученного с помощью вспомогательного генератора, подстраиваемого под среднюю частоту сигналов ансамбля активных водородных стандартов частоты и времени. Для анализа использованы данные реальных измерений, проведенных в ЗАО «Время-Ч» в 2013 г.
Ключевые слова: стандарт частоты и времени, групповой эталон времени и частоты, нестабильность частоты, вариация Аллана.
The analysis of frequency instability of group signal produced by auxiliary oscillator synchronized to the average frequency of active hydrogen maser ensemble is presented. Real measurements data obtained in JSC «Vremya-CH» in 2013 were used for the analysis.
Key words: ensemble of atomic clocks, atomic clock, frequency instability Allan variance.
Современные эталоны времени и частоты представляют систему из нескольких стандартов. Основная задача эталона — хранение и воспроизведение единиц времени и частоты, а также формирование непрерывного высокочастотного сигнала с высокими показателями стабильности и надежности. Формирование выходных сигналов эталона, как правило, осуществляется с помощью небольшого ансамбля активных водородных стандартов [1]. В России в настоящее время ансамбли водородных стандартов являются основой для вторичных и рабочих эталонов времени и частоты. За рубежом в качестве рабочих эталонов часто применяют ан-
самбли цезиевых стандартов частоты (на цезиевой атомно-лучевой трубке) или цезиевые и водородные стандарты вместе [2].
С целью повышения точностных характеристик эталонов рассчитывают поправки на фазу и частоту формируемых высокочастотных сигналов и сигналов шкалы времени. С учетом данных поправок реализуются групповая шкала времени и групповая частота в аналитическом виде. В публикациях зачастую представлены или результаты моделирования алгоритмов групповой шкалы и частоты, или групповые характеристики эталонов, полученные в результате постобработ-
ки данных измерений [3—4]. Отдельная задача — формирование в режиме реального времени сигнала, имеющего характеристики точности и нестабильности частоты группового эталона.
Для формирования выходного сигнала применяют различные подходы. Широко распространен подход, при котором стандарт с наилучшими характеристиками нестабильности частоты назначают ведущим, а его сигнал используют в качестве выходного [5, 6]. Для повышения характеристик точности периодически проводят коррекцию частоты и дрейфа частоты выходного сигнала ансамбля по результатам внешних или внутренних сличений.
Альтернативный подход предполагает применение формирователя выходного сигнала на основе управляемого кварцевого генератора, сигнал которого подстраивается по частоте под среднее взвешенное значение частот сигналов сразу нескольких стандартов ансамбля. Такой подход реализован в формирователе эталонных частот резервируемом 47-317 производства ЗАО «Время-Ч». Усреднение случайных флуктуаций частоты нескольких сигналов позволяет улучшить характеристики нестабильности частоты группового сигнала при нескольких опорных генераторах.
В настоящее время указанный формирователь входит в состав шести функционирующих групповых эталонов времени и частоты. Однако характеристики нестабильности частоты группового сигнала, а также способы их оценки до сих пор не были представлены для обсуждения в научных журналах. В данной статье приведены характеристики нестабильности частоты группового сигнала, формируемого прибором 47-317, которые были получены в результате экспериментов в 2013 г.
На рис. 1 представлена схема частотной автоподстройки сигнала групповой частоты в приборе 47-317. Выходной сигнал 47-31 7 формируется с помощью управляемого напряжением кварцевого генератора ГУН. В процессоре П реализован алгоритм управления частотой выходного сигнала, использующий данные о текущих разностях частот между входными и выходным сигналами, измеренные многоканальным частотным компаратором КЧ. Таким образом, в результате работы цифровой петли частотной автоподстройки частота выходного сигнала генератора является средним взвешенным значением частот опорных сигналов и рассчитывается по формуле [7]:
Н = (1 + 5) X + %
п
где 8 — программируемый относительный сдвиг частоты; М — весовой коэффициент сигнала п; /п — частоты сигналов стандартов, входящих в состав ансамбля; /^ — шум, вносимый системой автоподстройки.
В качестве характеристики нестабильности частоты используем дисперсию (вариацию) Аллана [8, 9], а также девиацию Аллана, вычисляемую как корень квадратный из дисперсии. Предположим некоррелированность опорных сигналов, а также то, что вариации частоты опорных сигналов представляют стационарный гауссовский случайный процесс, тогда справедливо следующее выражение для дисперсии Аллана частоты выходного сигнала:
Выход
Рис. 1. Схема частотной автоподстройки вспомогательного генератора относительно нескольких опорных сигналов: СЧВ — стандарт частоты и времени; ГУН — генератор, управляемый напряжением; КЧ — компаратор частотный; П — процессор
о!(т) = Х ^2 о2( т)-
оЕ (Т),
(1)
где о2 (т) — дисперсия Аллана п-го сигнала; о | (т) — дисперсия Аллана шума, вносимого системой автоподстройки. Величина о|( т) на временах т, много больших интервала
времени управления, определяется в основном погрешностью измерения разности частот в компараторе для соответствующего значения т.
При известных характеристиках нестабильности частоты сигналов, входящих в группу, вычислим весовые коэффициенты, минимизирующие нестабильность частоты выходного сигнала в интервале времени измерения т:
Мп(т) = отнп (т)/о2 (т).
,(т) =
Хо-2 (т)
(2)
Величину, рассчитываемую по формуле (2) на основе экспериментальных данных, можно рассматривать как оценку минимально возможной нестабильности частоты группового сигнала для данного интервала времени. Далее рассмотрим задачу измерения нестабильности частоты группового сигнала, формируемого с помощью 47-317.
В системе, основанной на группе стандартов частоты одного типа, в отсутствие более стабильного источника невозможно с помощью прямых измерений корректно оценить характеристики нестабильности частоты отдельных стандартов. Для этого используют метод трех генераторов [10]. Отметим, что в рассматриваемых экспериментах сигналы всех стандартов частоты в ансамбле были использованы для формирования сигнала групповой частоты, т. е. флуктуации частоты группового сигнала были коррелированы с флуктуация-ми частоты входных сигналов. Ниже описана методика для вычисления дисперсии Аллана группового сигнала, основан-
ная на методе трех генераторов и учитывающая связь выходного (группового) и входных сигналов.
Из прямых измерений в системе внутренних сличений эталона известны отсчеты разности частот между сигналом п-го стандарта частоты и сигналом управляемого кварцевого генератора, формирующего выходной сигнал. Так как используемый компаратор гарантирует вариацию интервала между отсчетами в различных каналах не более 10 мс, предположим, что ежесекундные измерения входных сигналов относительно группового сигнала синхронны. Следовательно, по этим данным можно восстановить взаимные разности частот и их вариации между входными сигналами, а затем по методу трех генераторов определить собственные характеристики нестабильности частоты каждого входного сигнала. Используем следующую кросскорреляционную формулу для вычисления характеристики собственной нестабильности частоты (девиации Аллана):
°1,23 (х) =
1 N-1
Х°12,/°13,/ 1 = 1
2 (^ - 1)
(3)
где о1 23 — оценка собственной нестабильности частоты сигнала 1 на основе взаимных сличений с сигналами 2 и 3; N — длина выборки отсчетов разности частоты; о12(-, о13(- — отсчеты вариаций относительных разностей частот для выбранного интервала времени измерения т.
Если количество входных сигналов больше трех, то можно многократно применять метод трех генераторов с последующим взвешенным усреднением оценок нестабильности частоты отдельного сигнала [11]. В результате усреднения снижается случайная погрешность измерения и, соответственно, повышается достоверность окончательной оценки. Для ансамбля, состоящего из четырех стандартов, оцен-
Рис. 2. Девиации Аллана группового сигнала (вычисления по формулам с перекрытиями (•) и без перекрытий (1), для трех входных сигналов Ч1-1003А (2)); оценка минимально возможной девиации Аллана группового сигнала (3)
ка собственной нестабильности частоты (на примере сигнала 1) осуществляется по формуле
°2 = X X Ри°и/; Ри =
к=2 I > к
(4)
где
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.