CN101458278A - 基于时标移相的调制域分析测量装置及其误差补偿法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时标移相的调制域分析测量装置及其补偿方法，包括放大整形单元、时标产生单元、可编程分频器、同步单元、事件计数器、时标计数器、第一先进先出存储器、第二先进先出存储器、以及单片机；其特点是，时标计数器有a个(a为大于等于1的正整数)；还包括a－1个移相器；误差补偿方法，包括把时标信号移相b次的步骤；对移相后的各时标分别计数的步骤；在实际闸门时间内对步骤2分别计数的各时标累加求和，得到等效时标频率，补偿±1个时标计数误差的步骤。具有电路设计简单、调试方便的优点，极大的提高了测时分辨率，根据试验，很好的补偿了±1个时标计数误差。

Description

基于时标移相的调制域分析测量装置及其误差补偿法

技术领域

本发明涉及一种调制域分析技术，尤其涉及一种基于时标移相的调制域分析测量装置及其误差补偿法。

背景技术

调制域是由信号的时间和频率两个轴构成的平面域，它反应了信号频率与时间的关系，是对信号进行三维(时域、频域、调制域)测量不可缺少的一个测量域。调制域分析用于测量信号的频率、相位、时间间隔随时间的变化特性，在抗干扰通信、捷变频雷达、电子战系统、机电系统中有重要应用，是研制、生产、维护现代军事及民用电子系统的必备仪器。

调制域分析本质上是测量两个采样时间点之间信号的平均频率，当采样速率很高时，就可以用此平均频率反应信号的瞬时频率。采样速率越高才能越细致越准确地表征被测信号的频率、时间间隔等随时间变化的特性，但是采样速率越高(即闸门时间越小)，测量精度越难提高，要提高测量精度，就必须对±1个时标计数误差进行补偿，传统的方法有模拟内插法调制域分析测量装置和数字游标法调制域分析测量装置：

一、模拟内插法调制域分析测量装置如图1所示，包括放大整形单元11、时标产生单元12、可编程分频器13、第一同步单元14-1、第二同步单元14-2、异或门15、扩展电路16、误差计数器17、事件计数器18、时标计数器19、第一先进先出存储器(FIFO-1)10-1、第二先进先出存储器(FIFO-2)10-2、以及单片机(PC)20；

所述的放大整形单元的输入端连接被测信号Fx，其输出端分别与同步单元和事件计数器的输入端连接；所述的时标产生单元的输出端分别与可编程分频器、时标计数器、第二同步单元及误差计数器的输入端连接；所述的可编程分频器的输出端与第一同步单元的输入端连接；所述的第一同步单元的输出端分别与第二同步单元、异或门、以及第一先进先出存储器、第二先进先出存储器的输入端连接；所述的异或门的输出端与扩展电路的输入端连接；所述的扩展电路的输出端与误差计数器的输入端连接；所述的误差计数器的输出端与单片机连接，该单片机并与第一先进先出存储器、第二先进先出存储器双向连接。

被测信号Fx(经过放大整形电路，得到脉冲序列Ex。然后，对生成的脉冲序列在闸门信号Tg内计数，共有两个计数器：时标计数器和事件计数器。时标计数器计算在时段Tg内时标信号的脉冲数N；事件计数器计算在同样的时段Tg内脉冲序列的脉冲数M：

Tp是原始闸门信号，Ex是被整形后测量信号，To是时标信号，Tg是由被测信号同步Tp之后得到的实际闸门信号，Tc是一个虚拟信号，由时标信号同步Tg得到，Err就是测量过程中所产生的误差信号。连续测频时，时标计数器、事件计数器连续计数，在Tg信号上升沿控制下，依次读出n、n+1时刻的时标计数器值N、N+1，事件计数器值Mn、Mn+1及n、n+1时刻的ΔTn、ΔTn+1，根据上述测量值就可算出n时刻的频率值fx：

fx＝(Mn+1—Mn)/[(N+1—N)To+(ΔTn—ΔTn+1)]

To：为时标信号的周期。

ΔT：±1个时标计数误差。

重复上述过程，即可测得信号的频率＿时间特性。

忽略测试误差ΔTn、ΔTn+1，则被测信号频率为：

fx＝(M/N)fo

相对测频误差为：

e＝Δfx/fx＝ΔM/M—ΔN/N+Δfo/fo

式中fo为时标频率，ΔM/M为事件计数器的计数误差，ΔN/N为时间计数器的计数误差，Δfo/fo为时标信号的频率准确度。

由于计数是在经事件信号同步后的门控信号时段内进行的，故事件计数器计数值M不存在误差，即ΔM＝0。但由于被测信号的随机性，就造成了门控信号Tg和时标信号f0是随机的，时间计数值N仍然存在±1误差。忽略时标信号频率稳定度误差Δfo/fo，测频的最大误差为

$e_{\max }=\±\frac{1}{N}=\±\frac{1}{T_g{f}_0}$

上式表明，如果忽略时标信号频率稳定度误差Δfo/fo，则测频精度和闸门时间Tg，时标信号的频率相关，闸门时间越长，时标信号频率越高，测频精度就越高。但是在调制域分析中，要越细致的反映频率、相位及时间间隔随时间的变化情况，闸门时间越小越好，时标信号频率也不可能无限提高，因为极高的频率对器件和电路板设计都提出了严格的要求，在目前的技术水平和工艺下，实现难度很大。在上述这些客观因素限制下，要提高测量精度，就需准确测出ΔTn、ΔTn+1进行误差补偿。

模拟内插法误差补偿原理就是把ΔTn、ΔTn+1放大d倍，得到ΔTn’、ΔTn+1’，再对时标进行计数测出ΔTn’、ΔTn+1’，带入下面公式推出被测信号频率。

Tg＝Tx(Mn+1—Mn)＝To(N+1—N)+(ΔTn’/d—ΔTn+1’/d)

ΔTn’＝N1*To，N1为ΔTn’内时标计数值。

ΔTn+1’＝N2*To，N2为ΔTn+1’内时标计数值。

Tg：实际闸门时间。

Tx：被测信号周期，取反即为被测信号频率。

M：事件计数器值。

N：时标计数器值。

To：时标周期。

ΔT：±1个时标计数误差。

d：表示时标计数误差放大的倍数。

采用模拟内插后，虽然测ΔTn、ΔTn+1时量化误差仍然存在，但相对来说缩小了d倍。如果ad＝1000，则测时分辩率提高三个数量级。

时间扩展原理如图2所示。时间扩展电路的工作原理是，在ΔTn时间内用一个恒流源对电容充电，随后以(d—1)×ΔTn的时间放电至电容器的原电平。时间扩展电路由“起始”(Err信号的上升沿)信号开启，在电容器恢复至原电平时关闭。

模拟内插法的工作波形如图3所示：

To是时标信号，Tg是由被测信号同步Tp之后得到的实际闸门信号，Tc是由时标信号同步Tg得到，Err就是测量过程中所产生的误差信号，Err’就是扩展后误差信号，误差计数器在Err’高电平时对时标进行计数，目的是对Err’误差脉冲进行测量。

采用模拟内插法的缺点是电路结构非常复杂，会降低系统的可靠性，扩展倍数有限，而且测ΔTn、ΔTn+1时仍然存在量化误差。

二、数字游标法调制域分析测量装置的工作原理如图4所示。包括第一游标振荡器21-1、第二游标振荡器21-2、第一符合电路23-1、第二符合电路23-2、时标产生单元24、门控单元25、第一游标计数器26-1、第二游标计数器26-2、粗测计数器27；以闸门时间上升沿作为起始信号输出到第一游标振荡器21-1和门控单元25，以闸门时间下降沿作为终止信号输出到第二游标振荡器21-2和第二符合电路23-2，时标产生单元24的输出分别输出到第一符合电路23-1、第二符合电路23-2和门控单元25，门控单元25的输出端与粗测计数器27连接，第一符合电路23-1的输出端与第一游标振荡器21-1的输入端连接，第二符合电路23-2的输出端与第二游标振荡器21-2的输入端连接，第一游标振荡器21-1、第二游标振荡器21-2的输出端分别与第一游标计数器26-1、第二游标计数器26-2连接。

数字游标法调制域分析测量装置的工作波形图如图5所示。

数字游标法使用了两种频率的时标信号，主时标为fo，游标时钟为fs，fs>fo，且非常接近。电路工作时，以Tg的上升沿作为第一游标振荡器的起始信号，下降沿作为第二游标振荡器的起始信号。在Tg上升沿的作用下第一游标振荡器输出游标时钟，并由第一游标计数器计数，当第一游标振荡器时钟赶上主时标时，产生一个停止脉冲，第一游标振荡器停止输出游标时钟，此时第一游标计数器的计数为N1，则有：

ΔTn＝N1(To—Ts)。

同理得：

ΔTn+1＝N2(To—Ts)

带入下面公式可推出被测信号频率。

Tg＝Tx(Mn+1—Mn)＝To(N+1—N)—ΔTn+ΔTn+1

Tg：实际闸门时间。

Tx：被测信号周期，取反即为被测信号频率。

M：事件计数器值。

N：时标计数器值。

To：时标周期。

ΔT：±1个时标计数误差。

数字游标法的测时分辨率取决于主时标和游标的接近程度，越接近，分辨率越高。如果To＝10ns，Ts＝9.9ns，则测时分辨率为100ps。

数字游标法的缺点是当测时分辩率很高时，两个时钟电路必须严格屏蔽，否则可能因频率牵引而无法正常工作。

发明内容

本发明是为了克服现有技术存在的缺点，而提供的一种对±1个时标计数误差进行补偿的基于时标移相的调制域分析测量装置及其误差补偿法。

为了实现上述目的，本发明基于时标移相的调制域分析测量装置，包括放大整形单元、时标产生单元、可编程分频器、同步单元、事件计数器、时标计数器、第一先进先出存储器、第二先进先出存储器、以及单片机；其特点是，

所述的时标计数器有a个(a为大于等于1的正整数)；

还包括a-1个移相器；

所述的放大整形单元的输入端连接被测信号，其输出端分别与同步单元和事件计数器的输入端连接；

所述的时标产生单元的输出端分别与可编程分频器、a个时标计数器中之一时标计数器、以及各移相器的输入端连接；所述的各移相器的输出端分别与各自对应的其余的时标计数器连接；

所述的各时标计数器的输出端与加法器连接；该加法器的输出端与第二先进先出存储器的输入端连接；

所述的可编程分频器的输出端与同步单元的输入端连接；

所述的第一先进先出存储器、第二先进先出存储器的输出端与单片机连接。

上述基于时标移相的调制域分析测量装置，其中，所述的同步单元由触发器构成。

基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其特点是，在调制域分析测量对±1个时标计数误差进行补偿，所述的补偿包括以下步骤：

步骤1、把时标信号移相b次(b为大于等于1的正整数，b＝a)，即把时标接到n-1个移相器输入端，移相后将n路时标送到n个时标计数器，每次移相的相位等于360度/移相次数再乘以m(m为大于等于1的正整数，最大值等于b-1)；

步骤2、对移相后的各时标在实际闸门时间内同时计数；

步骤3、在实际闸门时间内对步骤2各时标的计数值进行求和，得到等效时标频率，补偿±1个时标计数误差。

上述基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其中，所述的移相的相位分别为360度/移相次数再乘以m(m为大于等于1的正整数，最大值等于b-1)

上述基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其中，所述的时标移相次数与原时标频率和移相元器件有关：移相元器件决定最小的移相度数；原时标频率越低，最小移相度数可以越小，移相次数可以越多。

上述基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其中，所述的移相后的时标上升沿的抖动范围不超过其前后相邻相位时标的上升沿。

上述基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其中，所述的时标信号b次移相的相位相等。

本发明由于采取了以上的技术方案，其工作原理是把时标信号等相位移相，然后对移相后的各时标分别计数，如果移相b次，就相当于把时标频率提高b倍，从而很好补偿±1个时标计数误差，提高了测量精度。

附图说明

本发明的具体特征、性能由移相的实施例及其附图进一步描述。

图1是现有技术采用模拟内插法的调制域分析测量装置电方框图。

图2是图1中时间扩展原理图。

图3是图1的工作波形示意图。

图4是现有技术采用数字游标法调制域分析测量装置电方框图。

图5是图4的工作波形图。

图6是本发明基于时标移相的调制域分析测量装置的一种实施例(采用时标四次移相法原理)的电方框图。

图7是图6的工作波形图。

具体实施方式

在调制域分析技术中，传统的方法是采用模拟内插法或数字游标法对±1个时标计数误差进行补偿。但是模拟内插法电路结构非常复杂，误差脉冲扩展倍数有限，而且±1个时标误差测量仍然存在量化误差；数字游标法当测时分辩率很高时，两个非常靠近的时钟电路必须严格屏蔽，否则可能因频率牵引而无法正常工作。

本发明所采用的时标移相法就是把时标信号等相位移相，然后对移相后的各时标分别同时计数，如果移相b次，相当于把时标频率提高b倍。时标移相法的优点是可用较低的时标频率，成倍的提高测时分辨率，从而提高测量精度，而且由于时标频率较低，硬件很容易实现和调试。还可以和模拟内插法一起使用，得到极高的测时分辨率。

下面以时标移相四次为例说明本发明的采用时标移相法的基于时标移相的调制域分析测量装置及其误差补偿法

请参阅图6，这是本发明基于时标移相的调制域分析测量装置的采用时标四次移相法原理的一种实施例电方框图。本实施例的基于时标移相的调制域分析测量装置包括加法器30、放大整形单元31、时标产生单元32、可编程分频器33、同步单元34、事件计数器35、第一先进先出存储器(FIFO-1)36-1、第二先进先出存储器(FIFO-2)36-2、以及单片机(PC)37。还包括a个时标计数器(a为大于等于1的正整数)、a-1个移相器，本实施例中因为采用四次移相，因此选择采用4个时标计数器和3个移相器，其中4个时标计数器包括第一时标计数器38-1、第二时标计数器38-2、第三时标计数器38-3、第四时标计数器38-4，3个移相器包括第一移相器39-1、第二移相器39-2和第三移相器39-3。

所述的放大整形单元31的输入端连接被测信号FX，其输出端输出被整形后的脉冲序列信号EX，分别与同步单元34和事件计数器35的输入端连接；

所述的时标产生单元32的输出的时标信号To分别与可编程分频器33、4个时标计数器中之一例如第一时标计数器38-1、以及各移相器39-1、39-2、39-3的输入端连接；所述的各移相器的输出端分别与各自对应的其余的时标计数器例如第二时标计数器38-2、第三时标计数器38-3、第四时标计数器38-4连接；

所述的各时标计数器的输出端与加法器30连接；该加法器的输出端与第二先进先出存储器36-2的输入端连接；

所述的可编程分频器33的输出端输出的被测原始闸门信号Tp与同步单元34的输入端连接；该同步单元产生输出到第一先进先出存储器、第二先进先出存储器，实际闸门信号Tg由被整形后的脉冲序列信号EX同步被测原始闸门信号Tp后得到；

所述的第一先进先出存储器(FIFO-1)、第二先进先出存储器(FIFO-2)的输出端与单片机37连接。

本发明的实施例中所述的同步单元可以由触发器构成。

本发明被测信号Fx经过放大整形电路，得到脉冲序列Ex，Tg是Ex同步Tp得到，故事件计数器计数值不存在误差。

本发明采用时标移相法来补偿该误差，包括以下步骤：

基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，在调制域分析测量对±1个时标计数误差进行补偿，所述的补偿包括以下步骤：

步骤1、把时标信号移相b次(b为大于等于1的正整数，b＝a)，即把时标接到a-1个移相器输入端，移相后时标与原时标总共a路送到a个时标计数器，每次移相的相位等于360度/移相次数再乘以m(m为系数，其为大于等于1的正整数，最大值等于b-1)；

步骤2、对移相后的各时标在实际闸门时间内同时计数；

步骤3、在实际闸门时间内对步骤2各时标的计数值进行求和，得到等效时标频率，补偿±1个时标计数误差。

具体的说，结合本实施例，就是把时标信号移相90度、180度、270度，然后与时标一起分别计数，在实际闸门时间内，对四个波形计数值求和，等于对等效时标Te的计数值，因为移相四次，Te的频率是原时标To的四倍，所以通过移相可以等效提高时标频率，从而提高测量精度。比如fo＝1000MHz，移相4次，则fe＝4000MHz，测量精度提高4倍。如果移相b次，等效时标频率为原时标频率的b倍，从而测量精度也提高b倍，工作原理同4次移相。

由下面公式可推出被测信号频率。

Tg＝Tx(Mn+1—Mn)＝To[(N0+N1+…Nn)n+1—(N0+N1+…Nn)n]b

Tg：实际闸门时间。

Tx：被测信号周期，取反即为被测信号频率。

M：事件计数器值。

N：时标计数器值。

To：时标周期。

n：闸门上升沿的时刻。

b：时标移相次数。

图7是本发明基于时标移相的调制域分析测量装置的一种实施例(采用时标四次移相法原理)的工作波形图。

时标移相法的优点是可用较低的时标频率，成倍的提高测量精度，而且由于时标频率较低，硬件很容易实现和调试。还可以和模拟内插法一起使用，能得到极高的测时分辨率。

时标移相次数由原时标频率和移相元器件决定，移相元器件决定最小的移相度数，但是，移相后的时标上升沿的抖动范围不能超过它前后相邻相位时标的上升沿，所以移相度数不能太小，一般讲，原时标频率越低，最小移相度数可以越小，移相次数可以越多。

本发明采用时标移相法，是一种新颖的对±1个时标计数误差进行补偿的方法。相对于模拟内插法和数字游标法，时标移相法可用较低的时标频率，成倍的提高测时分辨率，硬件容易实现，除应用于调制域分析中外，还可广泛应用于测频、测周、测时及测相等各种场合。还可以和传统的模拟内插法一起使用，能得到极高的测时分辨率，应用在对测量精度极高的场合。

本发明测试精度可以达到预期效果，与传统方法相比，具有电路设计简单、调试方便的优点，极大的提高了测时分辨率根据试验，很好的补偿了±1个时标计数误差。

Claims (7)

1、基于时标移相的调制域分析测量装置，包括放大整形单元、时标产生单元、可编程分频器、同步单元、事件计数器、时标计数器、第一先进先出存储器、第二先进先出存储器、以及单片机；其特征在于，

所述的时标计数器有a个(a为大于等于1的正整数)；

还包括a-1个移相器；

所述的放大整形单元的输入端连接被测信号，其输出端分别与同步单元和事件计数器的输入端连接；

所述的时标产生单元的输出端分别与可编程分频器、a个时标计数器中之一时标计数器、以及各移相器的输入端连接；所述的各移相器的输出端分别与各自对应的其余的时标计数器连接；

所述的各时标计数器的输出端与加法器连接；该加法器的输出端与第二先进先出存储器的输入端连接；

所述的可编程分频器的输出端与同步单元的输入端连接；

所述的第一先进先出存储器、第二先进先出存储器的输出端与单片机连接。

2、根据权利要求1所述的基于时标移相的调制域分析测量装置，其特征在于，所述的同步单元由触发器构成。

3、基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其特征在于，在调制域分析测量对±1个时标计数误差进行补偿，所述的补偿包括以下步骤：

步骤1、把时标信号移相b次(b为大于等于1的正整数，b＝a)，每次移相的相位等于360度/移相次数再乘以m(m为系数，是大于等于1的正整数，其最大值等于b-1)；

步骤2、对移相后的各时标在实际闸门时间内同时计数；

步骤3、在实际闸门时间内对步骤2各时标的计数值进行求和，得到等效时标频率，补偿±1个时标计数误差。

4、根据权利要求3所述的基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其特征在于，步骤1所述的把时标信号移相b次，是指把时标接到a-1个移相器输入端，移相后将a路时标送到a个时标计数器。

5、根据权利要求3所述的基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其特征在于，所述的时标移相次数与时标频率和移相元器件有关：移相元器件决定最小的移相度数；时标频率越低，最小移相度数可以越小，移相次数可以越多。

6、根据权利要求5所述的基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其特征在于，所述的移相后的时标上升沿的抖动范围不超过其前后相邻相位时标的上升沿。

7、根据权利要求3所述的基于时标移相的调制域分析测量装置的误差补偿方法，其特征在于，所述的时标信号b次移相的相位相等。

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