Экспериментальное исследование эффективности оценки фазовых флуктуаций сигналов стандартов частоты методом двухканального аналого-цифрового преобразования

В. А. Карелин

АО «Обуховский завод», г. Санкт-Петербург, Россия

Наиболее полным параметром, характеризующим частотную стабильность сигналов прецизионных источников сигналов (генераторов), является спектральная плотность мощности (СПМ) фазовых (частотных) флуктуаций. Основным фактором, ограничивающим точность оценок СПМ, является фазовый (частотный) шум опорного генератора. Ранее, в [1,2,3] было проведено теоретическое обоснование метода, позволяющего существенно снизить влияние шумов сигнала опорной фазы [1] и, даже, исключить его [3]. В основе способа лежит преобразование спектра сигнала при его временной дискретизации. Известно, что спектр сигнала, дискретизированного во времени с частотой f_s, повторяется в частотной области с интервалом f_s. Надлежащим выбором частоты f_s = 8f₀/(2m+1), где m = 1,2,3⋯ , сигнал, спектр которого центрируется вокруг f₀, может быть преобразован вверх и вниз на бесконечное число частот f_k в соответствии с выражением:

$$ f_k=\left|\mp f_0 \mp k f_s\right|\text{, (1)} $$

где k может принимать любое целое значение. При преобразовании вниз, когда f_k < f₀, появляется существенное увеличение относительной ширины спектра квантованного сигнала. Преобразование осуществляется в двух каналах: U_f(n) – основной частоты и U_f/(2m+1)(n) - деленной частоты. Преобразованные сигналы оцифровывается с помощью АЦП и подвергается квадратурной демодуляции с формированием комплексного вектора в виде произведения $U_f(n)×U^*_{f/(2m+1)} $, где « * » означает комплексное сопряжение. В работе показано, что при наличии высших производных функции фазы сигнала генератора, например дрейфа частоты, аргумент φ(n) полученного комплексного цифрового сигнала не остается постоянным, а является функцией производной частоты f'(n)

$$ f'(n)=\frac{4 \pi^2}{N^2 f_0^2}(φ(n)-φ(n-1))\text{, (2)} $$

где n-номер текущей выборки, N = 8 / (2m+1) – коэффициент синтеза частоты f_s. В работе представлены результаты экспериментальной проверки теоретических выводов, полученных в [1,2,3]. Эксперимент проводился на базе опытного образца аппаратуры, структурная схема которого представлена в докладе. В качестве тестовых сигналов использовались:

калиброванный частотно-модулированный сигнал;
калиброванный фазомодулированный сигнал;
калиброванный сигнал с скачкообразным изменением частоты (FSK).

Результаты тестов иллюстрируются спектральными диаграммами дискретных преобразований Фурье (ДПФ) и временными диаграммами.

Литература

1) Карелин В.А. ,Смельчаков А.С. Метод оценки фазовой стабильности прецизионных генераторов на основе двухканальной обработки цифрового комплексного сигнала //Труды ИПА РАН. – СПб.: Наука, 2018. – Вып.44. – С. 63 - 68.

2) Способ измерения частоты гармонического сигнала и устройство для его осуществления: пат. 2591742 Российская Федерация, МПК7 G01R 23/00;/ Карелин В.А.; патентообладатель ОАО «Российский институт радионавигации и времени». — № 2015116825/28; заявл. 30.04.2015; опубл. 20.07.16, бюл. № 20.

3) Способ хранения частоты электрических колебаний: пат. 2730875 Российская Федерация, МПК7 G04G 3/00;/ Карелин В.А.; патентообладатель ОАО «Российский институт радионавигации и времени». — № 2020109616/28; заявл. 04.03.2020; опубл. 26.08.2020 бюл. № 24.