CN102508024A

CN102508024A - 基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法

Info

Publication number: CN102508024A
Application number: CN2011102793682A
Authority: CN
Inventors: 杜保强; 崔光照; 周渭; 安小宇; 董绍锋; 张勋才; 于建国; 魏平俊; 方向前; 曹玲芝; 师宝山; 路立平; 过金超; 谢泽会; 任景英; 李小明; 王卓亚; 牛莹; 王延峰
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法，铯钟输出的10MHz频标先经过整形电路和可调脉冲产生电路生成脉冲信号，再由DDS自动合成频率f₀，f₀的值取决于经过单片机粗测过的f_x，使得f_x与f₀的群周期的整数倍等于测量闸门的时间值，并且f_x与f₀的群相位量子的值等于群相位重合检测电路的分辨率，然后将f₀，f_x送入异频相位重合检测电路产生实际测量闸门，控制计数器工作，MCU将根据计数结果计算出f_x的值，最终由LCD显示输出。本发明引入一个DDS以确定f_x与f₀的频率关系，对任意频率信号在要求的闸门时间内具有好的测量效果。

Description

基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法。

背景技术

用于频率测量的方法有很多，频率测量的准确度主要取决于所测量的频率范围以及被测对象的特点。而测量所能达到的精度，不仅仅取决于作为标准器使用的频率源的精度，也取决于所使用的测量设备和测量方法。目前常用的频率测量方法有：

(1)直接测频法

直接测频法即脉冲填充法，它是最简单的频率测量方法。其主要测量原理是在给定的闸门信号中填入脉冲，通过必要的计数线路，得到填充脉冲的个数，从而算出待测信号的频率或周期，如图1所示。

(2)多周期同步测频法

多周期同步测频法是在直接测频法的基础上发展而来的，在目前的测频系统中具有广泛的应用。在这种测频方法中，实际闸门是不固定的值，而是被测信号的整周期倍，即与被测信号同步，因此消除了对被测信号计数时产生的±1个字计数误差，测量精度大大提高，而且达到了在整个测量频段的等精度测量。测量原理如图2所示。

(3)模拟内插法

模拟内插法是以测量时间间隔为基础的测量方法，它主要解决的问题是测出量化单位以下的尾数，如图3所示。

模拟内插法主要包括两部分：一是粗测，二是细测。粗测就是运用脉冲计数法对实际闸门T_N的测量；细测就是运用内插的方法对量化单位以下的尾数Δt₁和Δt₂的测量。细测时运用“起始”内插器(内插时间扩展器)将Δt₁，将扩大1000倍，即在Δt₁时间内用一个恒流源对一个电容器充电，随后以充电时间999Δt₁的时间放电至电容器原电平。内插时间扩展器控制门由被测起始脉冲开启，在电容器C恢复至原电平时关闭，如图4所示。

(4)时间-幅度转换法

时间-幅度转换法由时间间隔扩展法改进而来，它克服了时间间隔扩展法转换时间过长、非线性难以控制等问题。图5是时间——幅度转换法的原理图。从图5可以看出，与时间间隔扩展法不同，时间——幅度转换法把放电电流源改成了一个高速A/D转换器加一个复位电路。

与图4相比，图5中用A/D过程代替了放电过程，极大地减少了转换时间因为A/D转换过程所需时间与充电时间本来就是在同一个数量级上，而不像放电时间远远大于实际输入间隔。而且这样的电路少了一个放电过程，能够减少它的非线性。利用现代高速的ADC，该法可以得到1～20ps的分辨率。传统上，该法都是用离散器件来实现的，但近年来也有人用ASIC替代离散器件，且与ECL电路配合使用，使精度达到10ps。

(5)游标法

游标法是一种典型的以时间为基础的频率测量方法。这种测量方法用类似于机械游标卡尺的原理，能较为准确地测出整周期数外的零头或尾数，以提高测量的分辨力和准确度。时间游标法比脉冲计数法具有更高的测量精度，测量原理如图6所示。

传统的的高精度频率测量方法往往要进行高精度相位测量，实现起来相当困难。其实任意两个周期信号的相位差都存在明显的规律性。我们可以把它们通过最小公倍数周期、等效鉴相频率、量化相移分辨率等新概念联系起来，从这些概念出发，可以大大简化频率的测量方法。

假设两个频率信号f₀＝Af_maxc与f_x＝Bf_maxc，其中f_maxc是它们的最大公因子频率，A与B互素。在它们等效相位重合时的情况，两个重合点间的时间间隔称为这两个信号的最小公倍数周期，记为T_minc，则T_minc＝1/f_maxc。两频率信号间相邻两个相位差的差ΔT是固定不变的，且ΔT＝1/ABf_maxc，令f_equ＝ABf_maxc，则ΔT＝1/f_equ，式中：频率f_equ被称为等效鉴相频率，ΔT被称为两频率信号之间的量化相移分辨率。基于群相位关系的测频技术将整数倍的T_minc作为计数闸门，使计数闸门与f₀、f_x同步，避免了±1个字的计数误差，测量精度大大提高。再根据公式

f_x＝f₀*N_x/N₀

即可得出被测频率值。明显，如果能够使对f₀和f_x的计数在它们绝对群相位重合时开始，而在若干个严格T_minc的后，也就是后续的某次发生绝对群相位重合时结束，就可以得到很高的频率测量精度。所以，基于群相位关系的测频技术实现的关键在于如何有效地捕捉群相位重合点。

基于群相位关系的频率测量方案的误差主要来源于群相位重合点捕捉的误差，要实现高分辨率测量，就必须提高群相位重合点捕捉的准确度。但由于被测信号的频率值是不确定的，它与频标信号的相位关系的规律也就不确定，所以基于群相位关系的频率测量方案往往只能对某些频点的信号实现高分辨率测量，而无法对任意频率信号实现高分辨率测量。

基于群相位关系的超高分辨率频率测量方案在不断的使用过程中发现其存在两个问题：一、当被测信号的频率值与频标信号的频率值太接近时，由于群周期太大，形成不了实际闸门，无法进行测量；二、当被测信号与频标信号的频率关系复杂时，相位量子的值太小，而且群相位重合点的分布情况复杂，群相位检测的准确度下降，使最终的频率测量分辨率降低。下面具体分析一下这两种情况。

当被测信号f_x的频率值与频标信号f₀的频率值太接近时，比如f_x＝10000000.01Hz，而f₀＝10000000Hz，它们的群周期T_group＝100s，相位量子Δt＝0.1fs。此时有两个不良因素：一、群周期太大，闸门时间不可控，甚至可能造成实际闸门无法形成；二、相位量子太小，群相位重合点的捕捉准确度不高。所以造成的结果是，可能由于无法形成实际闸门，而无法进行测量，或是测量速度太慢，也有可能是测量分辨率不高。鉴于以上分析，只要群周期太大，相位量子太小，都无法进行正常的高分辨率测量。可以类推，当被测信号f_x接近频标信号f₀的频率值的整数倍，或者标信号f₀接近被测信号f_x的整数倍时，群周期的值也很大，相位量子也很小，同样无法进行正常的测量。当被测信号与频标信号的频率关系复杂时，例如，f_x＝16384000Hz，而f₀＝10000000Hz，在它们的一个最小公倍数周期T_minc中，存在多个不连续近似的群相位重合点，受到噪声以及器件分辨力的影响，群相位重合点的捕捉准确度大大降低，这样使得在这些频点的测量分辨率很低。

运用上述基于群相位关系的处理方法实现对频率的高分辨率测量，是建立在被测信号f_x与频标信号f₀存在一定关系即频率关系固定且存在一定频差的基础之上的，这种情况下，相位量子的变化规律具有一定的线性特征。如果f_x与f₀不具备这个特定的频率关系，则将不能得到高分辨率的测量结果。事实上，在实际频率测量过程中，由于被测信号的频率值是不确定的，它与频标信号的频率关系很难确定，这样它们之间相位关系的变化规律就存在极大的不确定性，所以基于群相位关系处理的频率测量方案往往只能对某些频点的信号实现高分辨率的测量，而无法实现对任意频率信号的高分辨率测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法。采用如下技术方案：

一种基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法，铯钟输出的10MHz频标先经过整形电路和可调脉冲产生电路生成脉冲信号，再由DDS自动合成频率f₀，f₀的值取决于经过单片机粗测过的f_x，使得f_x与f₀的群周期的整数倍等于测量闸门的时间值，并且f_x与f₀的群相位量子的值等于群相位重合检测电路的分辨率，然后将f₀，f_x送入异频相位重合检测电路产生实际测量闸门，控制计数器工作，MCU将根据计数结果计算出f_x的值，最终由LCD显示输出。

本发明引入一个DDS以确定f_x与f₀的频率关系，对任意频率信号在要求的闸门时间内具有好的测量效果。也就是说，测频系统可根据f_x的值，通过DDS自动合成出一个频标信号f₀，让f₀与f_x形成一定的关系，使得f_x与f₀的群周期的整数倍接近测量闸门的时间值，并且f_x与f₀的相位量子的值非常接近群相位重合检测电路的分辨率，这样就可以准确地捕捉到群相位重合点，从而达到对被测信号的频率在要求的测量闸门下的超高分辨率测量。

附图说明

图1为现有技术中脉冲填充法基本原理；

图2为现有技术中多周期同步测频法测量原理；

图3为现有技术中模拟内插法原理图；

图4为现有技术中内插时间扩展器原理图；

图5为现有技术中时间——幅度转换法原理图；

图6为现有技术中游标法测量原理；

图7为本发明基于DDS的超高分辨率频率测量方案。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图7，是基于DDS的超高分辨率测频系统原理框图，本发明提供一种基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法，铯钟输出的10MHz频标先经过整形电路和可调脉冲产生电路生成脉冲信号，再由DDS(型号AD9852)自动合成频率f₀。f₀的值取决于经过单片机粗测(多周期同步测频法)过的f_x，使得f_x与f₀的群周期的整数倍等于测量闸门的时间值，并且f_x与f₀的群相位量子的值等于群相位重合检测电路的分辨率，然后将f₀，f_x送入异频相位重合检测电路产生实际测量闸门，控制计数器工作，MCU将根据计数结果计算出f_x的值，最终由LCD显示输出。

由图7可知，基于DDS的超高分辨率频率测量方法与基于群相位量子处理的频率测量方法最明显的区别在于引入了粗测(多周期同步测频法)过程，并在系统中增加了DDS频率合成器。粗测是为了得到被测信号的大概频率值f′_x，测量分辨率能达到10^-6量级即可，这样给系统自动合成与被测信号具有一定频率关系的频标值提供了依据。按图7所示测量方案，对任意信号进行频率测量实验，测量结果如下：

1.自校实验

在自校实验中，用铯钟输出的10MHz信号作为系统的频标f₀，同时又作为被测信号f_x，测量数据如表1所示。

表1自校实验结果

频率测量结果(Hz)	频率稳定度(σ/s)	频率稳定度(σ/10s)
			10000000.000002±3	7.1×10^-13	9.1×10^-14

表1中测得的频率值是从系统的LCD上直接记录下来的数据，保留到开始跳动的那一位数据为止。由表1中的数据可知，基于DDS的超高分辨率测频系统有三个方面的优点：(1)频标信号和被测信号可以为同一个信号，不需要有频差；(2)有很高的测量分辨率，可达到10^-13量级；(3)自校频率稳定度很高，10s级频率稳定度可以达到10^-14量级以上。

2.测频实验

在实际测频实验中，用铯钟输出的10MHz信号作为系统的频标信号，而被测信号来自于多种信号源，测量数据如表2所示。

表2任意信号频率测量实验结果

被测信号f_x	测得频率值(Hz)	秒级稳定度	10秒级稳定度
				X72铷钟10MHz	10000000.0001±1	7.3×10^-12	8.7×10^-13
OSA 8607B 5MHz	5000000.4731±1	6.2×10^-12	3.1×10^-12
				HP8662A 12.8MHz	12800000.5379±1	6.7×10^-12	3.5×10^-12
HP8662A 16.384MHz	16384000.5584±1	6.6e^-12	3.4e^-12
				HP8662A 20971523Hz	20971523.5796±1	6.3×10^-12	3.2×10^-12

表2中的数据表明，改进后的系统不论被测信号与频标信号的关系是简单还是比较复杂，测量稳定度均能达10^-12量级，实现了对任意频率信号的等精度测量。与基于群相位量子化处理的频率测量方案相比，在引入DDS后，只需要用一个高稳定度的源，就可以实现对任意频率信号的高分辨率测量。由于利用了DDS，使得f₀与f_x的频率关系可控，也使得它们的相位变化规律可控，也就提高了群相位重合点检测的分辨率，最终提高了频率测量的分辨率。同时由于引入了粗测过程，结合MCU，使系统具有对任意频率信号进行频率的智能化特征。

最后，本发明方案和传统的频率测量方法明显不同的是，经过信号间相位重合点的检测构成测量闸门能够大大提高测量的精度。本专利采用DDS对被测信号进行频率和相位的跟踪，调整被测和参考信号之间的频率关系为接近或者成分、倍数关系且有一定频差。这样可以在最佳的相位差步进状态下实现测量。

利用频率信号间群周期及相位量子变化的规律性及异频信号间群相位重合点的分布规律，在两群相位重合点处建立测量闸门，克服了传统频率测量中存在的±1个计数误差的问题。通过脉宽调整电路减少相位重合点簇中的脉冲个数并在附加相位控制电路的帮助下有效地捕捉最佳相位重合点，进而降低实际测量闸门开启和关闭的随机性，大大提高了系统的测量精度。为了保证任意信号的可测量性，在此基础上，引入了DDS和频率粗测的过程，确保被测信号与频标信号具有一定的频率关系以及相位关系的可控性，实验结果和分析表明了新方案设计的科学性和先进性，其实际测量精度可达到10^-13/s量级，与传统频率测量系统相比，新方案具有测量精度高，电路结构简单，成本低及系统稳定性高的优点。该方案在时频测控领域中是一个新的突破，它不再是利用传统的比相方法单纯依靠线路上的改进、算法上的优化或微电子器件的发展来提高测量精度，而是利用自然界中周期性信号相互间的固有关系及变化规律，把这些规律应用于频率信号相互关系的研究中，无须频率归一化便可完成相互间的相位比对、测量及处理。随着微电子工艺的发展和CPLD性能的提高，基于群相位量子化处理的频率测量系统的测量精度有可能会进一步提高，因而在航空航天、导航定位、精密授时、时间同步、精密时频测控及原子频标的发展等高科技领域具有广泛的应用前景和推广价值。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于频率与相位关系辅助处理的频率和相位差精密测量方法，其特征在于，铯钟输出的10MHz频标先经过整形电路和可调脉冲产生电路生成脉冲信号，再由DDS自动合成频率f₀，f₀的值取决于经过单片机粗测过的f_x，使得f_x与f₀的群周期的整数倍等于测量闸门的时间值，并且f_x与f₀的群相位量子的值等于群相位重合检测电路的分辨率，然后将f₀，f_x送入异频相位重合检测电路产生实际测量闸门，控制计数器工作，MCU将根据计数结果计算出f_x的值，最终由LCD显示输出。