時(shí)間頻率信號(hào)的精密測(cè)量

前言

時(shí)間是周期運(yùn)動(dòng)持續(xù)特性的度量，包含時(shí)刻和時(shí)間間隔兩個(gè)方面。頻率是單位時(shí)間內(nèi)周期性過程重復(fù)、循環(huán)或振動(dòng)的次數(shù)，可用周期的倒數(shù)表示。時(shí)間和頻率可由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源產(chǎn)生，人們對(duì)它們的應(yīng)用也總是同時(shí)的，因此習(xí)慣將時(shí)間與頻率統(tǒng)稱為時(shí)間頻率。在所有的物理量中，時(shí)間頻率是目前實(shí)現(xiàn)測(cè)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(shí)間及頻率后進(jìn)行精密測(cè)量。有學(xué)者建議將其他幾個(gè)基本物理量（如長(zhǎng)度）轉(zhuǎn)化為時(shí)間進(jìn)行計(jì)量，以提高其計(jì)量精度。所以，時(shí)間頻率的精密測(cè)量在高科技領(lǐng)域具有相當(dāng)重要的地位和應(yīng)用。通信、郵電、導(dǎo)航、航空航天、電子、儀器儀表、國(guó)防軍工、計(jì)量和天文等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展直接受到時(shí)間頻率測(cè)量水平的影響；反過來，這些領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步又為時(shí)間頻率測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供了動(dòng)力和資源。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都將時(shí)間頻率測(cè)量技術(shù)作為高科技領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展內(nèi)容，并投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究。近年來，我國(guó)對(duì)這一領(lǐng)域的研究和開發(fā)也投入了相當(dāng)大的力度。本書系統(tǒng)地介紹了精密時(shí)間和頻率測(cè)量的相關(guān)內(nèi)容：第一章介紹了時(shí)間頻率測(cè)量基礎(chǔ)，主要描述了準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度；第二章介紹了時(shí)間頻率信號(hào)的特性和表征方法，分頻域表征和時(shí)域表征兩類；第三章給出了利用電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間頻率信號(hào)時(shí)域測(cè)量的基本方法，并分析了提高測(cè)量精度常用的幾種途徑；第四章分析了納秒～皮秒精度的時(shí)間間隔測(cè)量方法；第五章給出了精密頻率測(cè)量方法，并對(duì)代表國(guó)際水平的幾種測(cè)量設(shè)備進(jìn)行了分析；第六章分析了時(shí)間頻率信號(hào)的頻域測(cè)量，并介紹了相位噪聲測(cè)量的原理；第七章分析了遠(yuǎn)程時(shí)間頻率比對(duì)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(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)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(fù)責(zé)編寫第一章和第四章，張慧君負(fù)責(zé)編寫第二章，李孝輝負(fù)責(zé)編寫第三章和第六章，劉婭負(fù)責(zé)編寫第五章，楊旭海負(fù)責(zé)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(yáng)、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(guó)內(nèi)外知名專家、學(xué)者的部分研究成果，除了在參考文獻(xiàn)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(shí)間頻率信號(hào)精密測(cè)量方面的理論、基礎(chǔ)知識(shí)、測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)量方法，在參考本領(lǐng)域最新研究成果的基礎(chǔ)上，也對(duì)本領(lǐng)域的最新進(jìn)展、發(fā)展方向進(jìn)行了分析。全書的主要內(nèi)容包括：時(shí)間頻率測(cè)量基礎(chǔ)、時(shí)間頻率信號(hào)的特性和表征方法、電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間頻率信號(hào)時(shí)域測(cè)量方法、精密時(shí)間間隔測(cè)量方法、精密頻率測(cè)量方法、時(shí)間頻率信號(hào)的頻域測(cè)量、時(shí)間頻率信號(hào)的遠(yuǎn)程比對(duì)。    本書可供從事與時(shí)間頻率有關(guān)的校準(zhǔn)、檢測(cè)、測(cè)試的科技人員閱讀，也可供測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器、電子科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科的研究生參閱。

書籍目錄

前言第一章  時(shí)間頻率測(cè)量基礎(chǔ)  1.1  時(shí)間頻率測(cè)量的發(fā)展    1.1.1  原始測(cè)量階段    1.1.2  天文學(xué)測(cè)量階段    1.1.3  電子學(xué)測(cè)量階段  1.2  時(shí)間測(cè)量與頻率測(cè)量的關(guān)系  1.3  時(shí)間頻率測(cè)量的重要性  1.4  時(shí)間頻率測(cè)量的基本概念    1.4.1  準(zhǔn)確度    1.4.2  穩(wěn)定度  參考文獻(xiàn)第二章  時(shí)間頻率信號(hào)的特性和表征方法  2.1  頻率源輸出信號(hào)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(shí)域表征    2.3.1  頻率穩(wěn)定度時(shí)域表征的困難    2.3.2  描述頻率源輸出時(shí)域穩(wěn)定度的各種方差    2.3.3  方差估計(jì)的置信區(qū)間以及迭代取樣  2.4  時(shí)頻域表征的轉(zhuǎn)化  參考文獻(xiàn)第三章  電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間頻率信號(hào)時(shí)域測(cè)量方法  3.1  常規(guī)計(jì)數(shù)器的原理    3.1.1  頻率測(cè)量的原理    3.1.2  周期測(cè)量的原理    3.1.3  頻率比測(cè)量的原理    3.1.4  時(shí)間間隔測(cè)量的原理    3.1.5  總數(shù)測(cè)量的原理    3.1.6  常規(guī)計(jì)數(shù)器的其他功能  3.2  影響計(jì)數(shù)器性能的主要因素    3.2.1  輸入因素    3.2.2  時(shí)基因素    3.2.3  主門開關(guān)因素    3.2.4  計(jì)數(shù)器測(cè)量誤差  3.3  倒數(shù)計(jì)數(shù)器    3.3.1  倒數(shù)計(jì)數(shù)器的特性    3.3.2  倒數(shù)計(jì)數(shù)器的基本原理    3.3.3  倒數(shù)計(jì)數(shù)器與外部的配合使用  3.4  使用電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量    3.4.1  時(shí)間間隔測(cè)量概述    3.4.2  影響時(shí)間間隔測(cè)量的輸入因素    3.4.3  提高時(shí)間間隔測(cè)量的精度和分辨率的方法    3.4.4  使用時(shí)間探頭進(jìn)行時(shí)間間隔測(cè)量  3.5  自動(dòng)微波頻率計(jì)數(shù)器    3.5.1  微波頻率計(jì)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(jì)數(shù)方法的比較  參考文獻(xiàn)第四章  精密時(shí)間間隔測(cè)量方法  4.1  精密時(shí)間間隔測(cè)量的基本概念  4.2  精密時(shí)間間隔測(cè)量方法    4.2.1  粗計(jì)數(shù)    4.2.2  精細(xì)測(cè)量方法    4.2.3  同時(shí)進(jìn)行粗測(cè)和細(xì)測(cè)的內(nèi)插法    4.2.4  采用CMOS ASIC技術(shù)的內(nèi)插時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器  4.3  影響精密測(cè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度    4.3.4  測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間間隔的不確定度    4.3.5  魯棒估計(jì)  4.4  精密時(shí)間間隔測(cè)量方法的發(fā)展趨勢(shì)    4.4.1  模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換方法的比較    4.4.2  精密時(shí)間間隔測(cè)量發(fā)展的主要趨勢(shì)    4.4.3  應(yīng)用實(shí)例  參考文獻(xiàn)第五章  精密頻率測(cè)量方法  5.1  基于計(jì)數(shù)原理提高測(cè)頻分辨率的方法    5.1.1  簡(jiǎn)介    5.1.2  傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)器測(cè)頻    5.1.3  倒數(shù)計(jì)數(shù)器測(cè)頻    5.1.4  內(nèi)插倒數(shù)計(jì)數(shù)器測(cè)頻    5.1.5  基于時(shí)間戳計(jì)數(shù)器的測(cè)頻方法  5.2  基于下變頻的精密頻率測(cè)量方法    5.2.1  基于分頻與時(shí)間間隔測(cè)量的方法    5.2.2  差拍頻率測(cè)量法    5.2.3  雙混頻時(shí)差法    5.2.4  頻差倍增法  5.3  典型的精密時(shí)間頻率測(cè)量設(shè)備    5.3.1  TSC5110A時(shí)間間隔分析儀    5.3.2  A7-MX時(shí)間頻率比對(duì)及相噪測(cè)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(xiàn)第六章  時(shí)間頻率信號(hào)的頻域測(cè)量  6.1  基本概念    6.1.1  簡(jiǎn)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(jìn)行相位噪聲測(cè)量的方法    6.2.1  帶噪聲的兩個(gè)振蕩器    6.2.2  使用雙振蕩器技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)相位噪聲測(cè)量    6.2.3  雙振蕩器系統(tǒng)的校準(zhǔn)和測(cè)量  6.3  利用單振蕩器進(jìn)行相位噪聲測(cè)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(cè)量和校準(zhǔn)    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(cè)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(cè)量方法的發(fā)展    6.4.1  連續(xù)波相位噪聲測(cè)量方法    6.4.2  附加相位噪聲測(cè)量方法    6.4.3  脈沖調(diào)制波的相位噪聲測(cè)量方法  參考文獻(xiàn)第七章  時(shí)間頻率信號(hào)的遠(yuǎn)程比對(duì)  7.1  共視時(shí)間傳遞方法    7.1.1  GPS時(shí)間系統(tǒng)簡(jiǎn)介    7.1.2  GPS單向時(shí)間傳遞原理    7.1.3  GPS共視時(shí)間傳遞原理    7.1.4  GPS共視數(shù)據(jù)處理方法及實(shí)例  7.2  雙向衛(wèi)星時(shí)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(yīng)計(jì)算    7.2.4  衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì)TWSTFT的影響    7.2.5  基于GEO通信衛(wèi)星的TWSTFT示例  7.3  搬運(yùn)鐘時(shí)間比對(duì)    7.3.1  搬運(yùn)鐘時(shí)間比對(duì)的原理    7.3.2  影響搬運(yùn)鐘時(shí)間比對(duì)精度的因素  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：在1960～1966年，人們采用地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)周期代替地球自轉(zhuǎn)周期作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，出現(xiàn)了歷書時(shí)（ET）的概念。歷書時(shí)中秒定義為1900年1月1日零時(shí)回歸年長(zhǎng)度的1／31556925.9747。歷書時(shí)比世界時(shí)均勻，準(zhǔn)確度能達(dá)到10，但歷書時(shí)的根本缺陷是觀測(cè)誤差太大，難以達(dá)到較高的精度。所以，在經(jīng)過一番激烈的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論后，從1967年開始便啟用了另外一種新的時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)——原子時(shí)作為時(shí)間測(cè)量基準(zhǔn)，時(shí)間測(cè)量進(jìn)入電子學(xué)測(cè)量階段。1.1.3 電子學(xué)測(cè)量階段許多世紀(jì)以來，人類測(cè)量時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)是天體的視運(yùn)動(dòng)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確度的要求越來越高。例如，導(dǎo)彈和火箭的發(fā)射、導(dǎo)航定位、大地測(cè)量等領(lǐng)域，不但要求時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)具有很高的準(zhǔn)確度，而且要求它具有優(yōu)良的穩(wěn)定度和均勻性，世界時(shí)和歷書時(shí)已經(jīng)很難滿足這些應(yīng)用的需要。因此，一直以來，人們都在探索新的時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)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(fù)現(xiàn)性，具備成為時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的條件。于是，利用量子躍遷獲得新的時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)便成為人們追求的目標(biāo)。我們知道，原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它由一個(gè)原子核和若干繞核運(yùn)動(dòng)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(xué)表明，原子的能量只能取某些特定的間斷數(shù)值，它們對(duì)應(yīng)于某些特定的相互作用或運(yùn)動(dòng)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(jí)圖，其中電子運(yùn)動(dòng)能量最低的狀態(tài)叫做原子基態(tài)，相應(yīng)的能級(jí)叫做基態(tài)能級(jí)，其余能級(jí)稱為激發(fā)態(tài)能級(jí)。當(dāng)原子因某種原因改變其內(nèi)部相互作用時(shí)，它就從一個(gè)能級(jí)跳到另一個(gè)能級(jí)上去，同時(shí)釋放或吸收一定的能量，這個(gè)過程稱為原子躍遷。躍遷時(shí)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(gè)能級(jí)差是常數(shù)關(guān)系，這個(gè)常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，它對(duì)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(shí)輻射的頻率是固定不變的，這就為研制原子頻率標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)精確的自然現(xiàn)象。

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《時(shí)間頻率信號(hào)的精密測(cè)量》是由科學(xué)出版社出版的。

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