频率源时间量特性表征方法及其分析

　　1　引言

　　频率源计量特征的表征,可分为频率量特性表征和时间量特性表征,它们同属周期现象的属性描述,也都包括准确特性表征和稳定性表征两大类型。但是因为是两种物理量,其表征量又有很大的区别。其中,频率量表征侧重于输出信号相位的相对起伏,而时间量表征则侧重于时间信号的累积偏差。在频率量表征中,频率源稳定特性表征量中的重要指标就是频率稳定度,该表征量描述了频率源输出频率的随机起伏程度。而在时间量表征中,频率源稳定特性是指时钟波形的抖动,包括时钟信号上升沿抖动和时钟信号周期抖动,在测试设备的同步测量工作状态,时钟抖动更直接反映了时钟性能的好坏。

　　2　频率源时间量特征表征的一般概念

　　从时间量角度考虑频率源稳定性时,其计量特征主要有针对时钟周期抖动的最大时间间隔误差和针对时钟上升沿抖动的时间抖动误差。所谓最大时间间隔误差就是在给定的测试周期T内,测得N个时间间隔误差值xi(采样时间为τ0),根据设定的观测时间段τ,对每一观测时间段内的时间间隔误差求最大值与最小值的差值(峰-峰值),所有这些峰-峰值中的最大值称为最大时间间隔误差。数学表达式为:

　　式中:xi是N个时间间隔误差值样本(采样时间为τ0),τ是设定的观测时间段(τ=nτ0),而n=1,2,…,N-1,k=1,2,…,N-n。

　　而时间抖动误差则是时钟信号的各个有效瞬时对其理想时间位置短期的、非累计性的偏移。根据时钟抖动测量指标要求,时钟抖动采用单位间隔(UI)即一个等步信号的两个相邻有效瞬时之间的标称时间差来度量抖动幅度值。以上两种表述分别从两个角度描述了时钟时域的特性,而该特性特别适用于工程中对时钟性能的判断和故障分析。

　　3　时间抖动误差的测量

　　从时间抖动误差定义出发建立的时钟抖动测量通用方法,一般采用的是示波器法,如图1所示。

　　该测量方法简单,且对参考时钟要求不高,当被测时钟除了抖动外,其脉冲波形为标准形状时,通用测量方法测量精度较高。但是当被测时钟的脉冲波形上升和下降测有一定的斜率,且叠加了噪声时,通用测量方法就会受很多因素的影响,其测量精度就会大大降低。

　　当时钟脉冲上升和下降沿为标准的阶跃型时,通用测量方法的测量精度能够得到保证。但是在实际时钟抖动量测试中,被测时钟波形很少为标准的阶跃型,当时钟脉冲上升和下降沿有一定的斜率,同时叠加有噪声时,上升和下降沿就变得模糊,通用测量方法就会出现问题。主要表现为参考电平的选择直接影响测量得到的抖动函数曲线。