Introduction à la Mesure de fréquence et de stabilité temporelle. Les techniques de mesure et le cas du TinyPFA.

Une référence de fréquence précise et stable est parfois indispensable, par exemple pour les radio amateurs qui souhaitent utiliser certains protocoles numériques, mais aussi dans le monde des télécommunications en général et dans la recherche scientifique. En effet, il est parfois indispensable que les fréquences de réception et d’émission soient calées avec une grande précision, tout spécialement lorsque que la largeur de bande utilisée est très étroite. Les postes radioamateurs récents haut de gamme sont d’ailleurs désormais pratiquement tous équipés d’une entrée de synchronisation sur un signal de référence 10 MHz externe qui permet d’améliorer radicalement la précision en fréquence.

La disponibilité d’oscillateurs disciplinés par GPS (appelés GPSDO) à des coûts raisonnables permet de faciliter le contrôle de ces références y compris sur le long terme, puisque les diverses constellations GPS sont toutes calées sur le temps GPS, lui même dérivé du Temps atomique international (TAI), une échelle universelle coordonnée entre des centaines d’horloges atomiques dans le monde.

Ces horloges atomiques, souvent basées sur le césium 133, mesurent une seconde comme la durée de 9 192 631 770 oscillations de la radiation correspondant à la transition entre deux niveaux d’énergie hyperfins de l’atome de césium.

Les horloges atomiques modernes de laboratoire offrent une précision de l’ordre de 10⁻¹⁵ à 10⁻¹⁸ selon leur technologie. Les récentes horloges optiques, basées sur des transitions d’ions ou d’atomes comme le strontium ou l’aluminium) permettent d’atteindre une stabilité de l’ordre de 10⁻¹⁸.

La précision du TAI, calculée en combinant les mesures de ces horloges, atteint environ 10⁻¹⁶.

Ici une mesure de fréquence à 12 chiffres, sur un oscillateur OCXO 10 MHz, avec un analyseur de fréquence d’ancienne génération, ici un HP 5372A. Le temps de mesure est de 8 secondes. Le dernier chiffre représente les centaines de microHertz.

Pour ceux qui s’intéressent de près à la mesure de la fréquence et de la stabilité temporelle, il est intéressant de revisiter les diverses technologies existantes. Voici les principales et leur précision.

La précision de mesure est généralement indiquée, comme ici, par rapport à une fréquence mesurée de 10 MHz sur un temps de mesure de 1 seconde.

• Comptage d’impulsions (1e-7, ou 1 Hz)
• Comptage réciproque (1e-9, ou 0.01 Hz)
• Comptage réciproque avec interpolation (2e-10, ou 2 milliHertz), exemple : Philips PM6681
• Comptage réciproque avec interpolation et régression linéaire (1e-12 ou 20 microHertz), exemple : Pendulum CNT-91
• DMTD – double mixage et mesure de différence de temps (1e-14 ou 0.1 microHertz), exemple Quartzlock A7-MX, A7000.
• Echantillonnage direct avec mixer I/Q (1e-15 ou 10 nanoHertz), exemple : Microchip 53100A

Chacune de ces techniques est décrite simplement dans ce fichier PDF. Il décrit également la technologie spécifique du TinyPFA, à mi-chemin entre un DMTD et un analyseur à échantillonnage direct avec traitement I/Q, ainsi que la technique de mesure avec injection d’un signal latéral, pour compenser les dérives de température sur le long terme.

Le TinyPFA est un NanoVNA H4 équipé d’un firmware spécifique. Il permet d’obtenir une mesure de fréquence avec une précision de 1E-12 divisé par le temps de mesure, soit environ 50 fois mieux, par exemple, qu’un fréquencemètre haut de gamme Philips PM6681, pour une fraction du prix. Il révolutionne donc la mesure de fréquence et de stabilité.

https://www.tinydevices.org/wiki/pmwiki.php?n=TinyPFA.HomePage

Comme avec les fréquencemètres ou analyseurs connectables, il est possible d’étendre ses fonctionnalité en utilisant un logiciel sur PC. Par exemple pour obtenir une courbe de stabilité temporelle (déviation de Allan et ses dérivées). Ici avec le logiciel Timelab et un fréquencemètre Philips PM6681 :

https://www.miles.io/timelab/beta.htm

Le logiciel Stable32 permet d’aller plus loin, par exemple pour réaliser des analyses de stabilité dynamique en 3D. Ces deux logiciels sont gratuits. Stable32 est gratuit depuis 2017 (donation à l’IEEE et l’UFFC-S).

http://www.stable32.com/

Ici une analyse de stabilité dynamique en 3D avec Stable32

Pour aller plus loin :

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