CN101706516B - 一种基于差拍法的频率偏移方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差拍法的频率偏移方法，其步骤：(1)压控振荡器的输出频率为F_OCS，和参考频率F_REF输入到混频器，混频器的输出通过无源低通滤波器，输出差拍频率；(2)差拍信号DDD1经过放大和整形单元后，输出频率为F_D1的方波信号DDD2；(3)将方波信号DDD2送入计数器进行脉冲计数，计数器的时钟由参考频率倍频产生，计数结果送入单片机控制单元；(4)在单片机控制单元中，将脉冲填充计数值与预置的计数值进行比较，控制单元通过SPI接口和数模转换单元通讯，改变压控振荡器的输出频率F_OCS，使脉冲填充计数值和预置计数值相等，输出频率记为F_REF。该方法将新的参考频率用于频率测量，显著减少由频率测量设备本身引入的附加频率不稳定度，满足高精度频率稳定度的测量需求。

Description

一种基于差拍法的频率偏移方法

技术领域

本发明涉及频率振荡器领域，更具体涉及一种频率振荡器输出频率偏移的方法，该方法主要适用于高精度频率稳定度的测量。

背景技术

频率振荡器广泛的应用在通信、航天、导航和计量等许多电子系统和电子设备中。各种现代技术对频率振荡器的要求越来越严格，同时对频率振荡器的测量也提高了要求。频率稳定度是频率振荡器最重要的性能之一。频率稳定度的测量分为频域测量和时域测量两种，本发明主要涉及频率稳定度的时域测量。

在时域上，频率振荡器输出频率随时间变化，可将频率量视为时间t的连续函数，用f(t)表示。实际上，频率f(t)是无法测量瞬时值的，而只能在一定时间τ内测出它的时间平均值。因而所有测量以及涉及的频率稳定度都需要一定的采样时间，测量结果则为该采样时间内的平均值。评价一个频率稳定度测量系统，主要评价它的测量适应性和测量精度。测量适应性实际上就是测量范围，包括被测信号的频率范围，以及时域测量中时间窗口大小的范围。测量精度是由测量方法误差、系统自身噪声所引入的测量误差、以及其它测量误差所确定的。

目前一般推荐公式(1)阿伦方差或公式(2)哈达玛方差作为频率稳定度在时域内的定义，频率稳定度测量的本质就是测量公式中对应的参数，即相应采样时间τ内的相对频差测量值，代入公式计算频率稳定度。

${\mathrm{\σ}}_y(2,\mathrm{\τ})=\sqrt{\frac{1}{2(m-1)}\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{(y_{k+1}-y_k)}^2}---\left(1\right)$

$H{\mathrm{\σ}}_y(3,\mathrm{\τ})=\sqrt{\frac{1}{6(m-2)}\underset{k=1}{\overset{m-2}{\mathrm{\Σ}}}{(y_{k+2}-2y_{k+1}{y}_k)}^2}---\left(2\right)$

式中τ为采样时间，y_k为τ时间内相对频差测量值，m为连续测量次数。

在时域内，最简单的测频方法是通过频率计数器测量出待测信号的时间平均频率，也就是在给定的采样时间(闸门时间)内测量被测信号的脉冲个数。一般频率计数器内有一参考频率振荡器或外接参考频率振荡器，参考频率振荡器经过分频产生10s、1s、100ms等时间基准信号，选用其中某一时间基准作为计数器的闸门时间。在闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，即可得到相应采样时间内的平均频率。这种测量方法的测量精度很差，它受计数器的工作频率和末位量化误差的限制，在高精度测量中基本没有采用。目前测量仪器中较为常用的是差拍周期法。

差拍周期法的原理如下：F_REF为参考频率振荡器输出频率，F_DUT为被测频率振荡器输出频率，F_DIF为差拍频率，F_DIF＝|F_REF-F_DUT|。当参考频率的相对起伏y_REF(t)小到可以忽略不计时(一般的频率振荡器都可以满足要求)，差拍频率的相对起伏y_DIF(t)为

$y_{\mathrm{DIF}}\left(t\right)=\left(\frac{F_{\mathrm{REF}}}{F_{\mathrm{DIF}}}\right)y_{\mathrm{DUT}}\left(t\right)---\left(3\right)$

可以看出，y_DIF(t)比被测频率的相对起伏y_DUTI(t)放大了倍，频率稳定度的测量精度也就提高了

倍。把差拍频率信号F_DIF放大整形为方波信号，作为计数器的闸门信号。计数器测出差拍频率的周期，多次测量组成一个数据序列，对数据序列进行数据处理，求出时域方差。差拍周期法要求被测频率和参考频率之间有一个频率差，这个频率差和采样时间成倒数关系，当要求采样时间小于1秒时，要求频率差大于1Hz。为了保证采样时间，可以改变参考频率或被测频率。传统的改变频率方法，不管是改变参考频率或被测频率，一般是将频率倍频后再通过DDS芯片输出改变后的频率。这种方法简单易行，而且被测频率的频率范围可以很宽。但是，DDS技术不可避免的引入附加的频率不稳定度，影响测量的精度，从而不能满足高精度的频率稳定度测量。目前高精度频率稳定度测量，主要使用专用锁相环电路实现频率的偏移，但该专用的锁相环电路价格非常昂贵。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种基于差拍法的频率偏移方法，该方法能方便的将现有的参考频率振荡器的输出频率进行偏移，产生一个新的、具有优良的长期和短期稳定度的新的参考频率。将该新的参考频率用于频率测量中，可以显著减少由频率测量设备本身引入的附加频率不稳定度，从而满足高精度频率稳定度的测量需求。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

通过一个控制环路，将一个和现有参考频率相差F_DIF频率的压控振荡器输出频率锁定在参考频率上，产生一个即拥有压控振荡器的优秀短期稳定度、又拥有参考频率振荡器优秀的长期稳定度的、输出频率和现有参考频率相差F_DIF频率的新的参考频率F_REF′。

一种基于差拍法的频率偏移方法，其步骤是：

(1)压控振荡器的输出频率为F_OCS，它和参考频率F_REF输入混频器，混频器的输出通过无源低通滤波器，无源低通滤波器输出一个频率为F_D1的差拍信号，记为DDD1；

(2)差拍信号经过放大和整形单元后，输出一个频率为F_D1的方波信号。

(3)将方波信号送入计数器进行脉冲填充计数，计数器的时钟由参考频率倍频产生。计数器与控制单元通过SPI接口连接。计数结果通过SPI接口送入控制单元。

(4)在单片机控制单元中，将脉冲填充计数值与预置的计数值进行比较，单片机控制单元通过SPI接口和数模转换器通讯，改变数模转换器的寄存器值从而改变压控振荡器的压控端的电压值，从而改变压控振荡器的输出频率F_OCS，使脉冲填充计数值和预置计数值相等。此时，将压控振荡器的输出频率记为F_REF′。

本发明的优点和效果：

一种基于差拍法的频率偏移方法，通过控制环路，将压控振荡器的优秀短期频率稳定度和参考频率振荡器的优秀长期频率稳定度组合在一起，得到一个新的、长短稳兼优的参考频率。当前实现高指标频率偏移的方法，一般使用专用的锁相环电路，因为实现技术难度大，专用的锁相环电路非常昂贵。本方法实现简单，价格便宜，能够替代专用的锁相环电路。

附图说明

图1为控制环路锁定后，输出频率F_REF′的频率稳定度的测量结果(哈达玛方差)，其中F_DIF取值为1Hz，参考频率F_REF为氢钟的输出频率10MHz，输出频率F_REF′为10000001Hz.。

图2为一种压控振荡器示意图。其中，V+是电源电压输入端；VC是压控端，改变压控端输入电压值可以改变压控振荡器的输出频率；GND是接地端；OUT是压控振荡器的频率输出端。

图3为一种混频器示意图。LO为本振输入端；REF为参考输入端；IF为混频信号输出端。

图4为一种计数器示意图。

图5为一种频率偏移控制环路示意图。

图号说明

1压控振荡器(VCO)

2混频器(MIXER)

3无源低通滤波器(LPF)

4放大和整形单元(AMP)

5计数器(COUNTER)

6参考频率振荡器(REF)

7倍频器(MUL)

8单片机控制单元(MCU)

9数模转换器(DAC)

10SPI(Serial Peripheral Interface)接口

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种基于差拍法的频率偏移方法，其具体步骤是：

(1)压控振荡器1(VCO)的输出信号频率为F_OCS，它和参考频率振荡器6(REF)的输出、频率为F_REF的信号送入混频器2(MIXER)。

(2)混频器2(MIXER)的输出信号首先通过一个无源低通滤波器3(LPF)，得到一个频率为F_D1的正弦信号，记为DDD1。基于混频器的特性，F_D1＝|F_OCS-F_REF|。

(3)DDD1信号经过放大和整形单元4(APM)后得到一个频率为F_D1的方波信号，记为DDD2。APM是一个多级放大整形单元，能将正弦信号放大整形为一个上升沿陡峭的方波信号。

(4)方波信号DDD2作为闸门信号送入计数器5(COUNTER)。计数器的时钟端，由参考频率通过倍频器7产生。计数结果通过SPI接口10送入单片机控制单元8(MCU)，比较计数结果和预置计数值，计算压控振荡器的电压改变量。通过SPI接口10将改变量写入数模转换器9(DAC)的寄存器，改变压控振荡器的压控端的电压值，从而使计数结果和预置计数值相等，形成一个通过差拍频率F_D1的计数结果来控制压控振荡器的频率输出的控制环路。当控制环路锁定时，压控振荡器的输出频率为F_REF′。图1给出了控制环路锁定后，输出频率F_REF′的频率稳定度的哈达玛方差测量结果。可以看出，F_REF′同时具有了压控振荡器1(VCO)输出频率的较好的短期稳定度性能和参考频率F_REF较好的长期稳定度性能。

Claims (1)

1.一种基于差拍法的频率偏移方法，其步骤是：

(a)压控振荡器(1)的输出频率为F_OCS，它和参考频率F_REF输入混频器(2)，混频器(2)的输出通过无源低通滤波器(3)，无源低通滤波器(3)输出一个频率为F_D1的差拍信号，记为DDD1；

(b)差拍信号经过放大和整形单元(4)后，输出一个频率为F_D1的方波信号；

(c)将方波信号送入计数器(5)进行脉冲填充计数，计数器的时钟由参考频率倍频产生，计数器(5)与单片机控制单元(8)通过SPI接口(10)连接，计数结果通过SPI接口(10)送入单片机控制单元(8)；

(d)在单片机控制单元(8)中，将脉冲填充计数值与预置的计数值进行比较，单片机控制单元(8)通过SPI接口(10)和数模转换器(9)通讯，改变数模转换器(9)的寄存器值从而改变压控振荡器(1)的压控端的电压值，从而改变压控振荡器(1)的输出频率F_OCS，使脉冲填充计数值和预置计数值相等，将压控振荡器(1)的输出频率记为F_REF’。

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