 |
Кратковременная и долговременная нестабильности частоты АГ
|
|
|
|
Воздействие внешних дестабилизирующих факторов и внутренних шумов, сопровождающих любой физический процесс, приводит к тому, что колебания на выходе АГ не являются монохроматическими и могут быть представлены в виде узкополосного сигнала, амплитуда и фаза которого медленно изменяется во времени. Мгновенная частота такого колебания, определенная как 
(здесь 
– полная текущая фаза колебаний; 
– не изменяющаяся составляющая частоты; 
– переменная составляющая), содержит в своем составе быстрые и медленные компоненты [2]:
. (1.15)
Компоненты, описываемые вторым слагаемым в (1.15), обязаны своим происхождением шумам, вибрациям, пульсациям питающих напряжений и другим быстро изменяющимся воздействиям, носящим обычно случайный характер. Третье слагаемое в (1.15) учитывает медленные изменения частоты, имеющие в основном детерминированный характер и обусловленные в первую очередь старением деталей АГ, их саморазогревом и изменением климатических условий (температуры окружающей среды, давления, влажности и т. д.). Для высокостабильных АГ 
(
) сут 
, поэтому сколько-нибудь заметные изменения частоты могут проявляться лишь за значительное время наблюдения 
. Необходимо отметить, что в состав третьего слагаемого входят и флуктуационные составляющие, вызванные частотным шумом случайных блужданий и фликкерным шумом.
На рис. 1.3 представлены типичные графики изменения спектральной плотности мощности случайных компонентов фазовых нестабильностей 
(сплошная линия), заимствованные из 
, и нестабильности частоты 
вблизи несущей частоты. Напомним, что 
= 
.
Минимальный уровень белого фазового шума для (область 5) достигается при отстройках порядка полосы пропускания колебательной системы АГ. Уровень его ординаты определяется тепловыми и дробовыми шумами в токе генераторного прибора. По мере уменьшения отстройки (область 3 белого частотного шума) возрастает. При отстройке, стремящейся к нулю (область 1), предел не выявлен , так как в этой области решающее значение приобретают детерминированные составляющие, обусловленные в первую очередь старением деталей АГ, их саморазогревом и изменением климатических условий.
|
|
|
Таким образом, быстрые и медленные изменения частоты обусловлены разными дестабилизирующими факторами и имеют в своей основе различную физическую природу. Кроме того, различно и влияние быстрых и медленных изменений частоты на работу тех или иных радиотехнических систем.
Отмеченные особенности, свойственные быстрым и медленным изменениям частоты, делают целесообразным введение понятий кратковременной и долговременной нестабильностей.
Под кратковременной нестабильностью частоты понимается нестабильность, обусловленная быстрыми флуктуациями частоты (вызываемыми шумами, пульсациями источников питания, вибрациями и другими быстро протекающими процессами, носящими в основном случайный характер), которая регистрируется при временах усреднения 
, измеряемых долями секунды.
Под долговременной нестабильностью частоты понимается нестабильность, обусловленная медленными и, в основном, детерминированными изменениями частоты (вызванными старением элементов АГ, изменениями характеристик окружающей среды, а также и медленно протекающими флуктуационными процессами), которая регистрируется при временах усреднения , измеряемых часами и сутками.
Введенные понятия кратковременной и долговременной нестабильности носят качественный характер и не позволяют ввести количественные характеристики. Чтобы устранить этот недостаток, установлены стандартные интервалы и 
. Для оценки кратковременной нестабильности 
обычно выбирается равным 0.001; 0.01; 0.1 с при 
с, а для долговременной нестабильности 
сут при , равном 1 мес., 6 мес., 1 г. Подчеркнем, что в первом случае изменяется время усреднения, тогда как время наблюдения остается постоянным. Во втором случае остается постоянным время усреднения, а интервал наблюдения изменяется.
|
|
|
Нетрудно заметить, что кратковременная и долговременная нестабильности разделены некоторыми граничными интервалами усреднения и наблюдения: 
= 1 с…1 час, 
= 100 с…1 сут. Выбор именно такого порядка и не случаен. Это обусловлено тем, что в радиосистемах время обработки сигналов, на основе которых принимается то или иное решение, обычно не превышает единиц или долей секунды. Так, например, радиолокационные станции непрерывно работают в течение многих часов. Однако наблюдение за отдельным объектом, на основе которого принимается решение о дальности до него и его скорости, происходит за единицы или доли секунды.
Для более полного описания нестабильности частоты вводят также понятие средневременной нестабильности, измерение которой проводят при промежуточных значениях и 
.
В силу случайного характера изменения частоты для различных выборок 
будет хаотически изменяться, а для оценки уклонения частоты потребуется усреднение по большому числу выборок длительностью на интервале наблюдения . Поэтому необходимо выполнить неравенство << , что и отражено в приведенных выше рекомендациях по выбору этих величин для оценки кратковременной нестабильности частоты.
В качестве количественной характеристики абсолютной кратковременной нестабильности частоты можно принять величину
≈ 
,
где, как и ранее, 
.
При практических измерениях абсолютное значение кратковременной нестабильности частоты 
определяется с помощью соотношения
,
где 
; 
; 
– число измерений усредненной частоты; 
– момент начала 
-го измерения; 
, т. е. время наблюдения равно интервалу времени между началом первого и последнего измерений.
Чаще кратковременная нестабильность характеризуется относительной величиной 
.
Рассмотренную оценку нестабильности частоты при соответствующих и можно использовать и как количественную характеристику абсолютной долговременной нестабильности. Однако наибольшую роль в медленных изменениях частоты обычно играет детерминированная составляющая, обусловленная перечисленными ранее факторами. По этой причине для оценки долговременной нестабильности частоты на практике обычно используется следующая величина:
|
|
|
,
где, как и ранее, 
– момент начала измерения. Если оценка долговременной нестабильности производится раз для одних и тех же значений и 
= = 
, то в качестве меры нестабильности принимается величина
.
В тех случаях, когда известна спектральная плотность мощности мгновенного отклонения частоты для оценки отличия сигнала на выходе АГ от моногармонического вводят такие характеристики, как паразитное отклонение частоты (ПОЧ), паразитное отклонение фазы (ПОФ) и паразитное отклонение амплитуды (ПОА) [4].
ПОЧ это среднеквадратическое значение суммы спектральных составляющих отклонения частоты, лежащих в заданной полосе частот 
(
), т. е. 
.
Отметим, что численное значение ПОЧ практически совпадает с кратковременной нестабильностью частоты. Действительно, если положить в (1.14) 
, а 
и аппроксимировать функцию 
как
нетрудно убедиться в справедливости приближенного равенства
.
Значение паразитного отклонения фазы можно вычислить с помощью соотношения
, 
.
Аналогично можно ввести и ПОА: 
.
Если говорить о спектральных методах оценки долговременной нестабильности частоты, то время анализа спектра должно быть столь значительным (сутки, месяцы), что создание необходимых спектроанализаторов связано с большими трудностями. В то же время, высокочастотные составляющие , как это следует из (1.14), практически не влияют на значение усредненной частоты. Поэтому оценка долговременной нестабильности производится во временной области.
Таким образом, различие механизмов, определяющих кратковременную и долговременную нестабильности частоты, порождает существенное отличие в технических средствах и методах их измерения.
|
|
|
В качестве другой оценки нестабильности частоты может быть использован энергетический спектр 
, который непосредственно наблюдается спектроанализатором после частотного детектирования сигнала с выхода АГ, либо 
, т. е. спектр самого сигнала на выходе АГ.
Рассмотренные характеристики нестабильности частоты носят интегральный характер, описывая реакцию АГ на одновременное воздействие нескольких дестабилизирующих факторов. В ряде случаев возникает необходимость знания нестабильности частоты, обусловленной каким-то одним из совокупности внешних воздействий, наиболее интенсивным в данных конкретных условиях эксплуатации. Поэтому зачастую в технических характеристиках АГ помимо указания значений кратковременной и долговременной нестабильности частоты приводятся абсолютные или относительные величины изменения частоты от каждого из следующих воздействий: линейных (центробежных) нагрузок, пониженного или повышенного давления, циклических изменений температуры, повышенной влажности и т. д.
|
|
|
