2.2. Стандарты частоты и времени

В качестве эталона времени в одну секунду международными соглашениями принят интервал времени, за который происходит 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Квантово-механический первичный мировой эталон частоты и времени выполнен на основе прецизионного цезиевого дискриминатора – атомно-лучевой трубки [1, 24]. Фаза его колебаний периодически корректируется по результатам астрономических измерений, которые учитывают «звёздное» время. Сигналы мирового эталона передаются по каналам связи и синхронизируют вторичные – национальные и локальные - стандарты (эталоны) частоты, по отношению к колебаниям которых оценивают стабильность частоты тех или иных источников опорных колебаний радиоэлектронных средств. Вторичные стандарты частоты выполняются на основе либо водородных молекулярных генераторов (мазеров), либо цезиевых или рубидиевых квантовых дискриминаторов, либо прецизионных кварцевых автогенераторов, снабжённых средствами периодической синхронизации по первичному локальному эталону.

При оценке сведений о нестабильности частоты стандарта частоты надо иметь в виду, что для метрологически достоверных измерений стабильности с оценкой доверительного интервала должен быть использован в качестве эталонного источник колебаний на 1-2 порядка более стабильный, чем измеряемый, что невозможно для предельно стабильных источников. Поэтому сверхмалые нестабильности частоты измеряют по биениям колебаний независимых и одинаковых по конструкции генераторов, находящихся в одинаковых внешних условиях.

В качестве характеристик стандартов частоты указывают погрешность воспроизведения частоты от одного включения к другому за определенное время наблюдения Т. Каждый источник опорного сигнала характеризуется погрешностью установки частоты _уст - относительным СКО от частоты стандарта. Эта величина определяет количество старших десятичных разрядов номинала частоты, которые можно считать достоверными в отличие от значений младших разрядов, которые являются результатом вычислительных операций над частотой без учёта доверительной погрешности.

Для генераторов с невысокой стабильностью в качестве единиц измерения относительных погрешностей частоты используют внесистемные единицы: сотые доли - проценты (%) или тысячные доли – промилле (‰). При средней стабильности применяют миллионные (10^-6) доли - пропромилле [ррm] (в русском обозначении млн^-1); при повышенной стабильности – биллионные (в некоторых странах их называют миллиардными) (10^-9) доли [ppb] (в русском обозначении млрд^-1).

Вторичные стандарты частоты обычно дополняются средствами для коррекции начальной фазы или для управления частотой в небольших пределах в целях установки номинала частоты по более точному эталону и для компенсации долговременного дрейфа частоты.

Водородные мазеры обеспечивают [51] наивысшую долговременную стабильность частоты до 1∙10^-15/год, цезиевые стандарты до 5∙10^-13, рубидиевые до ±5∙10^-12, кварцевые - до 5∙10^-10. На рис. 2.1 показан внешний вид рубидиевого стандарта частоты, предназначенного для размещения на космическом аппарате.

Рис.2.1.Внешний вид стандарта частоты Диамант (www.rirt.ru), предназначенного для космического аппарата

Серийно выпускаются вторичные стандарты частоты, имеющие массу от 0,6 кг до 90 кг, с кратковременной (за 1 с) относительной нестабильностью частоты от 110^-10 до 210^-13, с долговременной (за сутки) относительной нестабильностью частоты до 210^-15, с ТКЧ от 310^-10 до 510^-16 на 1 градус Цельсия, с продолжительностью выхода на установившийся режим от 1 часа до 5 минут. Специализированные для работы с определённой системой связи или радионавигации стандарты частоты имеют выходы колебаний с частотами, стандартизованными в такой системе (например, для GPS, для CDMA и др.).

Квантовые стандарты частоты характеризуются достаточно низким уровнем фазового шума при очень малых отстройках от несущей частоты. На рис. 2.2 показан вид характеристик СПМ фазового шума S_(F) для некоторых изделий. Низкий уровень фазовых шумов вблизи несущей обусловлен использованной в таких стандартах многоступенчатой фазовой синхронизацией колебаний: по сигналу водородного мазера синхронизируются колебания цезиевого подстраиваемого источника, а по ним – прецизионного управляемого кварцевого генератора.

Рис.2.2.Фазовые шумы вблизи несущей для кварцевых генераторов, для водородного стандарта частоты и для опорного генератора на ПАВ

В таблице 2.2 сопоставляются параметры некоторых моделей квантово-механических стандартов частоты и прецизионных кварцевых генераторов, имеющиеся на мировом рынке компонентов электронной техники. Можно отметить, что среди конкурентоспособных моделей квантовых стандартов частоты и времени имеются изделия, разработанные и выпускаемые в России. Источник колебаний типа Ч1-75А, выполненный на основе водородного мазера, имеет наибольшую стабильность, повторяемость и погрешность установки частоты, поэтому может использоваться в качестве вторичного стандарта частоты и времени. Цезиевый стандарт Times Cesium отличается наименьшим уровнем белого фазового шума в выходном сигнале и имеет входы для кодовой коррекции текущей фазы колебаний по первичному эталону. Отечественное изделие RFS-2002 выполнено на основе рубидиевого дискриминатора и благодаря высоким характеристикам по относительной нестабильности частоты и сравнительно малой массе может быть встроено в аппаратуру связи или навигации. Прецизионный кварцевый генератор типа 253 при миниатюрном исполнении имеет сравнимую с квантовыми источниками кратковременную нестабильность частоты, но за длительный отрезок времени изготовители не гарантируют сохранение номинала частоты. В это изделие также встроена схема кодовой коррекции эффекта старения кварцевого резонатора. Частота выходного сигнала прецизионных кварцевых генераторов CFPO-2S и FTS9300 имеет малую кратковременную нестабильность, её номинал может быть выбран по заказу в пределах нескольких десятков мегагерц, их выходная мощность составляет единицы милливатт, а благодаря миниатюрному исполнению они могут быть встроены в серийные радиотехнические изделия.

Таблица 2.2

Параметры стандартов частоты и прецизионных опорных генераторов

Тип	fвых, МГц	к(1 с)	S(F), дБ/Гц		д (1 год)	Масса, кГ	Мощность,Вт	Модель, сайт
			10 Гц	1 кГц
ВГ	1; 10	110-13	-130	-155	210-14	90	100	Ч1-75А, www.kwarz.ru
ЦС	10	210-12	-126	-160	310-13	н/д	40	Times Cesium, www.symmetricom.com
РС	1; 5; 10	410-11	-110	-145	110-12	1,3	14	RFS-2002, www.rirt.ru
ПКГ	1; 10	110-12	-100	-160	310-8	н/д	3	253, www.mti-milliren.com
ПКГ	5-13	510-12	-135	-160	810-9	0,08	8	CFPO-2S, www.cmac.com
ПКГ	45-135	510-12	-100	-137	110-8	0,17	1	FTS9300, www.symmetricom.com

Электронные схемы переноса стабильности частоты [24] в большинстве стандартов частоты и времени обеспечивают номинальные значения выходных частот 1, 5 или 10 МГц с гарантированным количеством нулевых десятичных разрядов, опираясь на уникальные частоты квантовых переходов. Ряд моделей серийных стандартов частоты предусматривает дополнительные когерентные выходные импульсы секундного диапазона для сигналов опорного времени и возможность автоматизированного или ручного смещения шкалы времени на десятки нс.