時間頻率信號的精密測量

前言

時間是周期運動持續(xù)特性的度量，包含時刻和時間間隔兩個方面。頻率是單位時間內(nèi)周期性過程重復、循環(huán)或振動的次數(shù)，可用周期的倒數(shù)表示。時間和頻率可由一個標準源產(chǎn)生，人們對它們的應用也總是同時的，因此習慣將時間與頻率統(tǒng)稱為時間頻率。在所有的物理量中，時間頻率是目前實現(xiàn)測量精度最高的物理量，而其他許多物理量常常通過被轉(zhuǎn)化成為時間及頻率后進行精密測量。有學者建議將其他幾個基本物理量（如長度）轉(zhuǎn)化為時間進行計量，以提高其計量精度。所以，時間頻率的精密測量在高科技領(lǐng)域具有相當重要的地位和應用。通信、郵電、導航、航空航天、電子、儀器儀表、國防軍工、計量和天文等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展直接受到時間頻率測量水平的影響；反過來，這些領(lǐng)域技術(shù)的進步又為時間頻率測量技術(shù)的發(fā)展提供了動力和資源。許多發(fā)達國家都將時間頻率測量技術(shù)作為高科技領(lǐng)域的一個重要發(fā)展內(nèi)容，并投入了大量的人力和物力進行研究。近年來，我國對這一領(lǐng)域的研究和開發(fā)也投入了相當大的力度。本書系統(tǒng)地介紹了精密時間和頻率測量的相關(guān)內(nèi)容：第一章介紹了時間頻率測量基礎(chǔ)，主要描述了準確度和穩(wěn)定度；第二章介紹了時間頻率信號的特性和表征方法，分頻域表征和時域表征兩類；第三章給出了利用電子計數(shù)器進行時間頻率信號時域測量的基本方法，并分析了提高測量精度常用的幾種途徑；第四章分析了納秒～皮秒精度的時間間隔測量方法；第五章給出了精密頻率測量方法，并對代表國際水平的幾種測量設(shè)備進行了分析；第六章分析了時間頻率信號的頻域測量，并介紹了相位噪聲測量的原理；第七章分析了遠程時間頻率比對的方法。每一章都自成體系，讀者可以選取所需的章節(jié)閱讀。本書由中國科學院國家授時中心李孝輝和楊旭海主編，參加編寫的有劉婭、施韶華和張慧君。其中施韶華負責編寫第一章和第四章，張慧君負責編寫第二章，李孝輝負責編寫第三章和第六章，劉婭負責編寫第五章，楊旭海負責編寫第七章。本書在編寫過程中，得到了郭際研究員、邊玉敬研究員、王丹妮正高工的大力支持，在此表示感謝。在資料收集過程中，研究生王文利、黃寧、徐新生、劉陽、李偉超、劉亞瓊和陳亮等付出了大量努力，在此一并表示感謝。本書在編寫過程中為反映本行業(yè)的最新研究成果，引用了國內(nèi)外知名專家、學者的部分研究成果，除了在參考文獻中列出外，在此表示鄭重感謝。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)介紹了時間頻率信號精密測量方面的理論、基礎(chǔ)知識、測量系統(tǒng)的設(shè)計與測量方法，在參考本領(lǐng)域最新研究成果的基礎(chǔ)上，也對本領(lǐng)域的最新進展、發(fā)展方向進行了分析。全書的主要內(nèi)容包括：時間頻率測量基礎(chǔ)、時間頻率信號的特性和表征方法、電子計數(shù)器進行時間頻率信號時域測量方法、精密時間間隔測量方法、精密頻率測量方法、時間頻率信號的頻域測量、時間頻率信號的遠程比對。    本書可供從事與時間頻率有關(guān)的校準、檢測、測試的科技人員閱讀，也可供測試計量技術(shù)與儀器、電子科學與技術(shù)等學科的研究生參閱。

書籍目錄

前言第一章  時間頻率測量基礎(chǔ)  1.1  時間頻率測量的發(fā)展    1.1.1  原始測量階段    1.1.2  天文學測量階段    1.1.3  電子學測量階段  1.2  時間測量與頻率測量的關(guān)系  1.3  時間頻率測量的重要性  1.4  時間頻率測量的基本概念    1.4.1  準確度    1.4.2  穩(wěn)定度  參考文獻第二章  時間頻率信號的特性和表征方法  2.1  頻率源輸出信號的表示  2.2  頻率源輸出特性的頻域表征    2.2.1  頻率源輸出的系統(tǒng)模型    2.2.2  精密頻率源輸出的噪聲模型    2.2.3  頻率穩(wěn)定度的頻域表征量  2.3  振蕩器輸出特性的時域表征    2.3.1  頻率穩(wěn)定度時域表征的困難    2.3.2  描述頻率源輸出時域穩(wěn)定度的各種方差    2.3.3  方差估計的置信區(qū)間以及迭代取樣  2.4  時頻域表征的轉(zhuǎn)化  參考文獻第三章  電子計數(shù)器進行時間頻率信號時域測量方法  3.1  常規(guī)計數(shù)器的原理    3.1.1  頻率測量的原理    3.1.2  周期測量的原理    3.1.3  頻率比測量的原理    3.1.4  時間間隔測量的原理    3.1.5  總數(shù)測量的原理    3.1.6  常規(guī)計數(shù)器的其他功能  3.2  影響計數(shù)器性能的主要因素    3.2.1  輸入因素    3.2.2  時基因素    3.2.3  主門開關(guān)因素    3.2.4  計數(shù)器測量誤差  3.3  倒數(shù)計數(shù)器    3.3.1  倒數(shù)計數(shù)器的特性    3.3.2  倒數(shù)計數(shù)器的基本原理    3.3.3  倒數(shù)計數(shù)器與外部的配合使用  3.4  使用電子計數(shù)器進行時間間隔測量    3.4.1  時間間隔測量概述    3.4.2  影響時間間隔測量的輸入因素    3.4.3  提高時間間隔測量的精度和分辨率的方法    3.4.4  使用時間探頭進行時間間隔測量  3.5  自動微波頻率計數(shù)器    3.5.1  微波頻率計數(shù)器概述    3.5.2  幾種下變頻方法的原理    3.5.3  幾種下變頻計數(shù)方法的比較  參考文獻第四章  精密時間間隔測量方法  4.1  精密時間間隔測量的基本概念  4.2  精密時間間隔測量方法    4.2.1  粗計數(shù)    4.2.2  精細測量方法    4.2.3  同時進行粗測和細測的內(nèi)插法    4.2.4  采用CMOS ASIC技術(shù)的內(nèi)插時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器  4.3  影響精密測量的主要因素    4.3.1  非線性修正    4.3.2  偏移誤差    4.3.3  LSB相對標準不確定度    4.3.4  測量長時間間隔的不確定度    4.3.5  魯棒估計  4.4  精密時間間隔測量方法的發(fā)展趨勢    4.4.1  模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換方法的比較    4.4.2  精密時間間隔測量發(fā)展的主要趨勢    4.4.3  應用實例  參考文獻第五章  精密頻率測量方法  5.1  基于計數(shù)原理提高測頻分辨率的方法    5.1.1  簡介    5.1.2  傳統(tǒng)的計數(shù)器測頻    5.1.3  倒數(shù)計數(shù)器測頻    5.1.4  內(nèi)插倒數(shù)計數(shù)器測頻    5.1.5  基于時間戳計數(shù)器的測頻方法  5.2  基于下變頻的精密頻率測量方法    5.2.1  基于分頻與時間間隔測量的方法    5.2.2  差拍頻率測量法    5.2.3  雙混頻時差法    5.2.4  頻差倍增法  5.3  典型的精密時間頻率測量設(shè)備    5.3.1  TSC5110A時間間隔分析儀    5.3.2  A7-MX時間頻率比對及相噪測試系統(tǒng)    5.3.3  比相儀    5.3.4  多通道雙混頻穩(wěn)定度分析儀    5.3.5  多通道差拍數(shù)字化頻率穩(wěn)定度分析儀  參考文獻第六章  時間頻率信號的頻域測量  6.1  基本概念    6.1.1  簡介    6.1.2  噪聲邊帶    6.1.3  譜密度    6.1.4  頻域相位起伏譜密度的定義    6.1.5  調(diào)制和譜密度的關(guān)系    6.1.6  噪聲過程    6.1.7  積分相位噪聲    6.1.8  幅度調(diào)制噪聲的頻域表征  6.2  利用雙振蕩器進行相位噪聲測量的方法    6.2.1  帶噪聲的兩個振蕩器    6.2.2  使用雙振蕩器技術(shù)進行自動相位噪聲測量    6.2.3  雙振蕩器系統(tǒng)的校準和測量  6.3  利用單振蕩器進行相位噪聲測量的方法    6.3.1  采用延遲線的頻率調(diào)制鑒頻器    6.3.2  使用延遲線作為頻率調(diào)制鑒頻器系統(tǒng)的測量和校準    6.3.3  采用雙延遲線的相位調(diào)制鑒頻器    6.3.4  毫米波相位噪聲測量    6.3.5  單振蕩器方法和雙振蕩器方法的比較  6.4  相位噪聲測量方法的發(fā)展    6.4.1  連續(xù)波相位噪聲測量方法    6.4.2  附加相位噪聲測量方法    6.4.3  脈沖調(diào)制波的相位噪聲測量方法  參考文獻第七章  時間頻率信號的遠程比對  7.1  共視時間傳遞方法    7.1.1  GPS時間系統(tǒng)簡介    7.1.2  GPS單向時間傳遞原理    7.1.3  GPS共視時間傳遞原理    7.1.4  GPS共視數(shù)據(jù)處理方法及實例  7.2  雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞方法    7.2.1  概述    7.2.2  TWSTFT原理    7.2.3  TWSTFT中的Sagnac效應計算    7.2.4  衛(wèi)星運動對TWSTFT的影響    7.2.5  基于GEO通信衛(wèi)星的TWSTFT示例  7.3  搬運鐘時間比對    7.3.1  搬運鐘時間比對的原理    7.3.2  影響搬運鐘時間比對精度的因素  參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：在1960～1966年，人們采用地球公轉(zhuǎn)運動周期代替地球自轉(zhuǎn)周期作為計時基準，出現(xiàn)了歷書時（ET）的概念。歷書時中秒定義為1900年1月1日零時回歸年長度的1／31556925.9747。歷書時比世界時均勻，準確度能達到10，但歷書時的根本缺陷是觀測誤差太大，難以達到較高的精度。所以，在經(jīng)過一番激烈的學術(shù)爭論后，從1967年開始便啟用了另外一種新的時間測量系統(tǒng)——原子時作為時間測量基準，時間測量進入電子學測量階段。1.1.3 電子學測量階段許多世紀以來，人類測量時間的標準是天體的視運動。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進步，人們對時間準確度的要求越來越高。例如，導彈和火箭的發(fā)射、導航定位、大地測量等領(lǐng)域，不但要求時間標準具有很高的準確度，而且要求它具有優(yōu)良的穩(wěn)定度和均勻性，世界時和歷書時已經(jīng)很難滿足這些應用的需要。因此，一直以來，人們都在探索新的時間測量標準。實驗表明，物質(zhì)的量子躍遷所輻射或吸收的電磁波頻率具有很高的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性，具備成為時間測量標準的條件。于是，利用量子躍遷獲得新的時間測量標準便成為人們追求的目標。我們知道，原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個復雜的系統(tǒng)，它由一個原子核和若干繞核運動的電子組成。原子核與電子，以及電子與電子之間的相互作用狀態(tài)決定原子能量的大小。相互作用的狀態(tài)不同，原子的能量也不同。量子力學表明，原子的能量只能取某些特定的間斷數(shù)值，它們對應于某些特定的相互作用或運動狀態(tài)。將這些可能的能量特定值按照高低次序排列起來，就構(gòu)成了原子的能級圖，其中電子運動能量最低的狀態(tài)叫做原子基態(tài)，相應的能級叫做基態(tài)能級，其余能級稱為激發(fā)態(tài)能級。當原子因某種原因改變其內(nèi)部相互作用時，它就從一個能級跳到另一個能級上去，同時釋放或吸收一定的能量，這個過程稱為原子躍遷。躍遷時原子輻射或吸收的能量以一定頻率的電磁波形式表現(xiàn)出來，該頻率與原子躍遷前后兩個能級差是常數(shù)關(guān)系，這個常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，它對于所有原子都相同。由于原子的能量狀態(tài)十分穩(wěn)定，而且所有躍遷發(fā)生時輻射的頻率是固定不變的，這就為研制原子頻率標準提供了一個精確的自然現(xiàn)象。

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《時間頻率信號的精密測量》是由科學出版社出版的。

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