李雨薇，刘娅，李孝辉



多通道比相仪TSC MMS测量性能分析

李雨薇1,2,3，刘娅1,2,3，李孝辉1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院研究生院，北京 100039）

为了研究美国Symmetricom公司的多通道比相仪TSC MMS（multi-channel measurement system）（它是一种基于双混频时差测量原理的相位测量设备）的测量性能以及进一步探索改进其测量性能的方法，搭建了TSC MMS设备的性能测试平台，测量了TSC MMS的本底噪声。本底噪声的测量结果与该设备制造商发布的2.5×10-13(10 MHz)处于同一水平。另外，对影响测量结果的具体原因进行了分析。

多通道测量系统；频率测量；本底噪声；频率稳定度

随着频率标准的不断发展和完善，对精密频率测量技术的要求也越来越高。目前，常用的精密频率测量方法主要是双混频时差（DMTD）、频差倍增以及多种测量方法并用等。迄今，公开文献中所报道的测量性能最好的仪器在测量100MHz信号时Allan方差能够达到2×10-15（=1s）[1]。TSC MMS（multi-channel measurement system）是美国Symmetricom公司推出的高精度时频测量仪器，采用的是典型的双混频时差测量结构，输出输入信号相对于内部公共参考源的相位差的累加值。厂商给出的指标是测量10MHz信号的Allan方差优于2.5×10-13（=1 s）。本文将对TSC MMS的性能进行分析，并通过实验获得TSC MMS的本底噪声测量结果，进而对引起测量结果的原因进行分析。

1 仪器简介

TSC MMS配备19 in的标准机箱，其测量通道可以根据用户需求从4路扩展为28路。该设备可同时测量3个不同频率的输入信号，频率范围为1～20 MHz。

TSC MMS采用典型的双混时差测量结构。设备内部自带公共参考源，为所有输入信号提供与其频率标称值相差约10 Hz（偏差频率）的频率信号。TSC MMS最终将内部公共参考源与输入信号的相位差的累加值作为测量结果，通过网络输出到用户端。用户则可以通过辅助数据管理软件实现对数据的存储和分析。

2 工作原理

TSC MMS是一个模块化系统，每一部分的功能模块都可以根据需要增减配置。其主要的功能模块包括：

TSC 2011：主要功能是混频、过零检测和测量。每一TSC 2011模块包括4个输入通道，每路输入信号可以分别与内部公共参考源混频，经过零检测，由计数器输出混频后相位差的累加值。TSC MMS中最多可以配置7个TSC 2011模块；

TSC 2049：32 MHz内部高稳晶体振荡器；

TSC 2048B：合成1～20 MHz信号的数字频率合成器；

此外，TSC MMS还包括处理器、存储器、电源模块、机箱及扩展插槽等。

图1为双通道输入信号连接原理图[2]。如图1所示，2路输入信号分别输入到 TSC 2011模块；在测量系统内部，由图1中32 MHz的内部时钟（TSC 2049）驱动数字频率合成器（TSC 2048B）产生公共参考源；信号A和B分别与公共参考源混频，混频器A和B则输出相应的差拍频率信号，通过过零检测器A和B检测过零点，分别输出相应的具有一定脉宽的脉冲信号；由内部高稳晶体振荡器产生计数器的时基信号，通过计数器周期性地记录差拍频率信号的相位累加信息，每秒一次通过网络传输实时显示在PC机上。

图1 双通道输入信号连接原理图

假定通道A的输入信号为参考信号，通道B的输入信号为待测信号。输入到通道A和B的信号瞬时相位可分别表示为

和

由式（4）和式（5）可得

可见，通道A和通道B输入信号的相位差等于从混频器输出的2个差拍频率信号的相位差。测量系统的精度取决于计数器分辨率和差拍因子（参考频率值/差拍频率值）[1]。

3 实验方案设计

本实验目的是测试TSC MMS的性能。测量的主要参数是测量系统的本底噪声。

在双混频测量系统中，理想条件是输入的参考信号和待测信号幅频特性完全相同，保证各通道由输入信号引起的噪声全部抵消。现实是，即使通过频率分配放大器将1路输入信号变为2路频率相等的信号输出，这2路输出信号也不可能完全相同。测试时，为了评估TSC MMS自身的测量性能，只能保证输入的2路信号的同源性，并让输入信号分别与内部公共参考源混频后得到差拍频率信号，尽可能最大限度地抵消由输入信号引入的噪声，而由通道不一致性引起的噪声，则无法抵消。

为测试TSC MMS性能所设计的双通道实验流程示于图2。实验中首先选用10 MHz的频标信号作为输入信号。该信号是由NTSC（中国科学院国家授时中心）时频基准实验室的铯钟经过几级隔离放大器后得到的，到本实验室后经过频率分配放大器分为2路相同的10 MHz信号，分别作为TSC MMS的2个输入信号，指定其中一个作为参考，另一个作为待测信号。选择等长电缆进行连接，使得这2路信号从功率分配放大器到TSC MMS的衰减量和时延尽量一致。输入信号接入TSC MMS后，与内部产生的 10MHz-10Hz的信号进行混频，随后过零检测，由计数器得到各路输入信号与内部公共参考源的相位差的累加值，并通过网络将数据显示在PC机上，然后进行数据存储、处理，得到待测信号相对于参考信号的相位差数据。

图2 双通道实验设计流程图

4 实验结果及分析

或

本实验中TSC MMS输出的数据是输入信号与公共参考源的相位差的累加值，所以应用（8）式计算Allan偏差，进而获得系统本底噪声，用以评估测量系统性能。

为了使测量结果更为客观，我们在尽可能相同的环境下测得TSC MMS连续运转3 d的数据。测量时间为2009年11月19日下午5点到22日下午5点，测量间隔为1 s，实验数据按天共划分为3组，每组2路信号的测量数据共2×86 400个。实验结果如表1所示。

表1 Allan偏差（ADEV）σ（）

从表1的数据可以看出，随着采样时间（τ）的增加，Allan偏差越来越小，当τ =1s和当τ =104 s时，Allan偏差分别为3×10-13和8×10-17。由于TSC MMS输出的数据相位差量是累加的，时间越长累加值越大，不利于直接在图形中查看细节，又因为用相位差与用频率差得到的Allan偏差计算结果是等价的，所以将相位差量转换为频率差表示，以下结果都是相位差转换为频率差后计算得到的。选取Allan偏差最小的1组，即第3组数据的频率差数据（如图3所示）和Allan偏差（如图4所示）进行分析。

图3中，频率差数据在±1.0×10-12Hz内变化，基本关于0值对称；在60 000 s左右处，频率差值出现奇异值，判断为环境干扰所致。

图4 第3组Allan偏差

从表1和图4可以看出，当=1s时Allan偏差是2.65×10-13，小于表1中其他2组数据；当=104s时，Allan偏差是1.05×10-16，大于表1中其他2组数据。这种情况应该是由于图3所示频率差数据在约60 000 s处出现奇异值造成的，因为该奇异值的影响范围应在=103～104s之内。剔除该奇异值后，对=104s而言，Allan偏差也在1×10-17量级。

影响测量结果的原因包括2个方面：一方面是输入信号源自身精度的影响，另一方面则是测量系统内部结构的影响。

为了排除信号源自身和TSC MMS内部公共参考源对结果的影响，于2010年1月2日又测量了1组铯钟数据，这次实验的地点选择了距离铯钟输出端口更近的实验室，且此铯钟信号经过了相位微调仪（HROG-10）进行相位调整后，产生2路同源信号。线路损耗和2路信号的一致性远优于第一次实验[4]。采样间隔仍然是1 s，2路信号测量数据共2×86 400个。最后所得Allan偏差如图5所示。

图5 铯钟信号作为待测信号所得Allan偏差

图5所示结果说明，尽管信号源自身精度更高，但与前3组数据比较，测量结果没有多大改善，Allan偏差在=1 s时为3.55×10-13，并无改进。

在对铯钟信号进行该次（2010年1月2日）测量的同时，提取了测量系统内部公共参考源输出中的偏差频率部分，其值在10 Hz附近波动，如图6所示。

图6 测量系统内部公共参考源的偏差频率

图6表明，测量系统内部公共参考源的偏差频率并非一个稳定的量，因此系统内部误差的存在在所难免。但是在双混频测量中，两个通道相减后可以抵消这部分对结果的影响。然而由于通道之间并不完全一致，这种抵消不是无限的，这是TSC MMS只能达到3×10-13测量精度的主要原因。

5 结语

通过以上的实验结果，可以看出对于辐频特性完全相同的2路10 MHz输入信号的测量结果得到的以Allan偏差表征的秒稳约为3×10-13，最好的一次达到了2.65×10-13。在改善待测信号源自身精度后，测量结果仍然在3×10-13左右。可见，虽然换了精度较好的信号源，但是测量结果并没有得到改善，因此我们推断这个结果应是TSC MMS在我们实验室测得的本底噪声，这一结果也与产品制造商发布的 2.5×10-13（10 MHz）在相同水平。

[1] 李孝辉, 杨旭海, 刘娅, 等. 时间频率信号的精密测量[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

[2] Symmetricom Inc. Multi-channel measurement system user manual[EB/OL]. [2010-06-12].http://www.symmetricom.com.

[3] 沈季良, 蔡勇, 马南雪. 用双混频时差法测量频率的相位差和频率稳定度[J]. 中国科学院上海天文台年刊, 2000, 21: 154-156.

[4] 王正明, 董绍武, 刘春侠, 等. NTSC的双混频时差测量系统试运转结果分析[J]. 时间频率学报, 2006, 29(2): 134-141.

Analysis of performance of TSC multi-channel measurement system

LI Yu-wei1,2,3, LIU Ya1,2,3, LI Xiao-hui1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards, National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 3. Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China)

In order to evaluate the performance of symmetricom’s TSC MMS(multi-channel measurement system), which is a phase measurement device based on the measurement principle ofdual mixer time difference (DMTD) method, and to seek the method of improving the performance, a TSC MMS performance test platform was set up and the background noise in TSC MMS was measured. The measured background noise is consistent with that issued by the manufacturer, 2.5×10-13(10 MHz). Besides, the factors which affect the measurement results are analyzed.

multi-channel measurement system; frequency measurement; background noise; frequency stability

TM935.1

A

1674-0637(2011)01-0009-07

2010-06-18

中国科学院“西部之光”人才培养计划资助项目（2007YB03）；中国科学院知识创新工程重要方向资助项目（KJCX2-YW-T12）

李雨薇，女，硕士研究生，主要从事时频测量研究。