J. Mauricio López R. CENAM Time and Frequency Division Statistical Analysis of Measurements (time domain)

Presentación del tema: "J. Mauricio López R. CENAM Time and Frequency Division Statistical Analysis of Measurements (time domain)"— Transcripción de la presentación:

1 J. Mauricio López R. CENAM Time and Frequency Division Statistical Analysis of Measurements (time domain)

2 OUTLINE 1. Introduction 3. Allan Variance (AVAR) 4. AVAR uncertainty 5. Trazability 2. Time and Frequency Measurements 5. Time Deviation

3 Introduction

4 Real Clocks There not exist the perfect clock, all the real clocks are unestable. The output frequency of a clock changes with time. A correct mathematical tool is needed to characterise the frequency instability of oscillators.

5 A: amplitude : frequency t: time +A -A Mathematical model for ideal frequency signal

6 Quartz oscillators are a very common equipment to produce frequency signals but their frequency output could be more or less instable as function of many parameters

7 V(t) = V 0 sen(2  0 t) V(t) =[V 0 +  (t)] sen[2  0 t +  (t)] tiempo Mathematical model for real (instable) frequency signals

8 Precisión sin exactitud Ni exactitud ni precisión Exactitud sin precisión Exacto y preciso Tiempo Estable de baja exactitud Inestable de baja exactitud Alta exactitud a largo tiempo e inestable a corto tiempo Alta estabilidad y alta exactitud 0 f f f f Exactitud y Estabilidad

9

10 Standard deviation to specify frrequency satbility

11 Time and Frequency Measurements

12 Método de medición directa de frecuencia Frecuencia Bajo Calibración Frecuencia Patrón para amarrar en frecuencia al contador Direct Frequency Measurement Automatic data adquisition system PC Frequency Standard Device Under Test Frequencymeter

13

14 Método de medición de diferencia de fase Frecuencia Bajo Calibración Interface de Comunicación Frecuencia Patrón para amarrar en frecuencia al contador Frecuencia Patrón para la calibración Mediciones de Diferencia de Fase Contador de Intervalos de Tiempo

15

16

17

18 Allan Variance

19 La Varianza de Allan es la herramienta usada para el análisis en el dominio del tiempo de mediciones de Tiempo y Frecuencia siendo un estimador de la dispersión de las mediciones, determinando así, la estabilidad del oscilador bajo calibración. The Allan Variance is a statistical tool used for the time domain analysis of time and frequency measurements to estimate the noise behind measurements and to determine the stability of an oscillator under calibration.

20 Frecuencia Fase Concepto de la Varianza de Allan

21 Varianza de Allan para Mediciones de Frecuencia donde: Varianza de Allan Número de datos espaciados  0 i-ésima medición de fase Tiempo de observación = m  0 =2 n cálculos posibles

22 donde: Varianza de Allan Número de datos espaciados  0 Tiempo de observación = m  0 i-ésima medición de fase =2 n cálculos posibles Varianza de Allan para Mediciones de Diferencia de Fase

23 Barras de Incertidumbre

24 Distribución  2 Para df < 100 donde: Estimado de la Varianza de Allan Número de grados de libertad Varianza de Allan verdadera Distribución X 2

25 Barras de incertidumbre Tablas  2 Barra Inferior Barra Superior

26 Tabla  2

27 Para df > 100 Barras de incertidumbre

28 Para df > 100 donde: Barra Inferior Barra Superior

29 Número de Grados de Libertad NBS Technical note 679 White Phase Flicker Phase White Frquency Flicker Frequency Random Walk Frequency

30 4-25 Por debajo del ruido “fliker”, los cristales de cuarzo tipicamente tienen una dependencia  -1 (white phase noise). Los patrones atómicos de frecuencia muestran una dependencia del tipo  -1/2 (white frequency noise) para tiempos de promediación cercanos al tiempo de ataque del lazo de amarre, y  -1 para tiempos menores del tiempo de ataque. Tipicamente los  ’s para el ruido flicker son: 1 s para osciladores de cuarzo, 10 3 s para relojes de rubidio y 10 5 s para Cesio. y()y()  -1 00 Tipo de ruido: White phase Flicker phase White freq. Flicker freq. Random walk freq.  -1  2 1212 Dependencia temporal de  y (  )

31 Ejemplos de cálculo de varianza de Allan

32

33

34

35 NIST Special Publication 1065

36

37

38 Incertidumbre de medición

39 La pendiente del gráfico ofrece información sobre la diferencia fraccional de frecuencia “promedio” entre los osciladores

40 La desviación de los datos experimentales respecto a la línea recta que mejor los representa ofrece información sobre la incertidumbre en la desviación fraccional de frecuencia

41 00

42 11

43 33

44

45 Frecuencia del oscilador Frecuencia de referencia Factor de cobertura k=2

46  =-2Random walk frequency  =-1Flicker frequency  =0White frequency  =+1Flicker phase  =+2White phase  y 2 (  )     = -1Random walk frequency  = -1Flicker frequency  = -1/2White frequency  = 0Flicker phase  = +1/2White phase Dominio de la frecuencia Dominio del tiempo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -17 -15 -13 -11 -9 log   y White PM o flicker PM White FM Flicker FM Random walk FM

47 Random walk frequency Flicker frequency White frequency Flicker phase White phase Varianza de Allan Varianza estándar  =-  -1 Varianza de Allan vs Varianza Estándar

48 Traceability

49 NMI 2 Labs. Sec. Labs. Ind. NMI 1 Labs. Sec. Labs. Ind. BIPM u1u1 u2u2 u´ 1 u´ 2 u´ 0 u0u0 Concepto de Trazabilidad

50 NMI 2 Labs. Sec. Labs. Ind. NMI 1 Labs. Sec. Labs. Ind. BIPM u1u1 u2u2 u´ 1 u´ 2 u´ 0 u0u0 Concepto de Trazabilidad

51 NMI 2 Labs. Sec. Labs. Ind. NMI 1 Labs. Sec. Labs. Ind. BIPM u1u1 u2u2 u´ 1 u´ 2 u´ 0 u0u0 CMC´s Concepto de Trazabilidad

52 NMI 2 Labs. Sec. Labs. Ind. NMI 1 Labs. Sec. Labs. Ind. BIPM u1u1 u2u2 u´ 1 u´ 2 u´ 0 u0u0 CMC´s CMC´s  Concepto de Trazabilidad

53 NMI Labs. Sec. DUT BIPM u1u1 u2u2 u0u0 Concepto de Trazabilidad

54 NMI Labs. Sec. DUT BIPM Concepto de Trazabilidad y()0y()0 y()1y()1 y()2y()2

55 NMI Labs. Sec. DUT BIPM Concepto de Trazabilidad y()0y()0 y()1y()1 y()2y()2

56 NMI Labs. Sec. DUT BIPM Concepto de Trazabilidad y()0y()0 y()1y()1 y()2y()2 y()y()

57 NMI Labs. Sec. DUT BIPM Concepto de Trazabilidad y()0y()0 y()1y()1 y()2y()2

58 Frecuencia, f BIPM

59 Frecuencia, f f0f0 BIPM NMI Concepto de Trazabilidad

60 Frecuencia, f f0f0 BIPM NMI f0f0

61 Concepto de Trazabilidad Frecuencia, f f0f0 f1f1 NMI Lab Acred. BIPM

62 Concepto de Trazabilidad Frecuencia, f f0f0 f1f1 BIPM NMI f1f1 Lab Acred.

63 Concepto de Trazabilidad Frecuencia, f f0f0 f1f1 f2f2 BIPM NMIDUT Lab Acred.

64 Concepto de Trazabilidad Frecuencia, f f0f0 f1f1 f2f2 BIPM NMIDUT f2f2 Lab Acred.

65 Concepto de Trazabilidad Frecuencia, f f0f0 f1f1 f2f2 BIPM NMIDUT ff Lab Acred.

66 Concepto de Trazabilidad Frecuencia, f f0f0 f1f1 f2f2 BIPM NMIDUT Lab Acred.

67 Concepto de Trazabilidad y()0y()0 y()1y()1 y()2y()2 

68 J. Mauricio López R. CENAM Time and Frequency Division Statistical Analysis of Measurements (time domain) THANK YOU!!