CN102608416A - 一种基于互相关技术的双混频时差法测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于互相关技术的双混频时差法测量系统，该系统包括：参考源、第一公共源、第二公共源、第一功分器、第二功分器、第一测量单元、第二测量单元、第一时间间隔计数器、第二时间间隔计数器、计算机。本发明进一步公开了一种基于互相关技术的双混频时差法测量方法。通过本发明，克服了目前双混频时差测量系统的不足，其具有以下优点：1、采用互相关技术的双混频时差测量系统的自身稳定度可达10^-15量级；2、测量短期频率稳定度的最小采样时间为1ms；3、公共源的噪声得到抑制，系统的成本降低。

Description

一种基于互相关技术的双混频时差法测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于互相关技术的双混频时差法测量系统和方法，特别适用于高稳定度频率源的频率稳定度测量，这种系统和方法的应用可以解决高稳定度标准频率源的频率稳定度测量问题。

背景技术

目前市场上的频率稳定度测量系统主要是基于差拍法测量原理、双混频时差法测量原理和频差倍增法测量原理的基础上研制的。

差拍法测量系统可以测量宽频带范围内的分数频率源的短期频率稳定度，但是受制于参考源和系统自身频率稳定度的影响，这种系统无法测量高稳定度标准频率的高稳晶振和原子频率标准的短期频率稳定度。系统组成包括：参考源、差拍器、倍频器、计数器和计算机。

频差倍增法测量系统仅可以测量标准频率的高稳晶振和原子频率标准的频率稳定度，但是这种系统却无法测量秒级以下的短期频率稳定度。系统组成：参考源、频差倍增器、计数器和计算机。

双混频时差法测量系统可以测量标准频率的高稳晶振和原子频率标准的频率稳定度，其秒级自身频率稳定度可达到8×10^-14。但是其主要具有三个缺点，其一是由于目前国际上顶级的高稳晶振的秒稳可以达到8×10^-14，所以这种测量系统的自身稳定度不能满足测量要求，其二是这种测量系统只能测量秒稳以上的频率稳定度，对于短期频率稳定度的测量能力不足，其三是公共源的频率稳定度是制约这种测量系统自身稳定度的关键因素，当采用高稳晶振时，造成成本增加。系统组成包括：参考源、公共源、双通道差拍器、隔离放大器、移相器、计数器和计算机。

由于目前高稳晶振的稳定度指标获得了极大的提高，所以需要弥补双混频时差测量系统在测量能力方面的局限性，使之能够满足测量需求。

发明内容

本发明目的在于研制一种基于互相关技术的双混频时差法测量装置，解决高稳晶振的频率稳定度测量问题：1、双混频时差测量系统自身稳定度无法测量高稳晶振的频率稳定度；2、这种测量系统无法测量秒级以下的短期频率稳定度；3、公共源采用高稳晶振时，造成系统的成本增加。

根据本发明，提供一种基于互相关技术的双混频时差法测量系统，该系统包括：参考源、第一公共源、第二公共源、第一功分器、第二功分器、第一测量单元、第二测量单元、第一时间间隔计数器、第二时间间隔计数器、计算机；

第一功分器接收待测信号，参考源输出参考信号至第二功分器，第一公共源输出第一公共信号至第一测量单元，第二公共源输出第二公共信号至第二测量单元，第一功分器的待测端输出第一待测信号至第一测量单元，第一功分器的参考端输出第二待测信号至第二测量单元，第二功分器的待测端输出第一参考信号至第一测量单元，第二功分器的参考端输出第二参考信号至第二测量单元，第一测量单元分别输出第一起始测量信号和第一关闭测量信号至第一时间间隔计数器，第二测量单元分别输出第二起始测量信号和第二关闭测量信号至第二时间间隔计数器，第一时间间隔计数器的数据输出端与计算机的待测端的GPIB接口卡的输入端连接，第二时间间隔计数器的数据输出端与计算机的参考端的GPIB接口卡的输入端连接，第一时间间隔计数器和第二时间间隔计数器分别输出第一时差序列和第二时差序列至计算机，计算机通过互相关算法对两个时差序列进行运算。

优选地，所述待测信号的频率值为5MHz或10MHz，参考信号的频率值为5MHz或10MHz，所述第一公共信号和第二公共信号的频率值均为10MHz+100Hz。

优选地，所述第一测量单元包括：第一隔离放大器、第一混频器、第二混频器、第一倍频器、第二倍频器、第三倍频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一放大整形器和第二放大整形器；所述第二测量单元包括：第二隔离放大器、第三混频器、第四混频器、第四倍频器、第五倍频器、第六倍频器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第三放大整形器和第四放大整形器；

所述第一倍频器的输入端接收来自第一功分器的第一待测信号，所述第二倍频器接收第一公共信号，所述第三倍频器的输入端接收来自第二功分器的第一参考信号，第一倍频器的输出端与第一混频器的本振端射频电缆连接，第二倍频器的输出端与第一隔离放大器的输入端射频电缆连接，第一隔离放大器的公共输出端与第一混频器的射频端射频电缆连接，第一隔离放大器的参考输出端与第二混频器的射频端射频电缆连接，第三倍频器的输出端与第二混频器的本振端射频电缆连接，第一混频器的中频输出端与第一低通滤波器的输入端射频电缆连接，第一低通滤波器的输出端与第一放大整形器的输入端射频电缆连接，第二混频器的中频输出端与第二低通滤波器的输入端射频电缆连接，第二低通滤波器的输出端与第二放大整形器的输入端射频电缆连接，第一放大整形器输出第一起始测量信号，第二放大整形器输出第一关闭测量信号；

所述第四倍频器的输入端接收来自第二功分器的第二参考信号，所述第五倍频器接收第二公共信号，所述第六倍频器的输入端接收来自第一功分器的第二待测信号，第四倍频器的输出端与第三混频器的本振端射频电缆连接，第五倍频器的输出端与第二隔离放大器的输入端射频电缆连接，第二隔离放大器的公共输出端与第三混频器的射频端射频电缆连接，第二隔离放大器的参考输出端与第四混频器的射频端射频电缆连接，第六倍频器的输出端与第四混频器的本振端射频电缆连接，第三混频器的中频输出端与第三低通滤波器的输入端射频电缆连接，第三低通滤波器的输出端与第三放大整形器的输入端射频电缆连接，第四混频器的中频输出端与第四低通滤波器的输入端射频电缆连接，第四低通滤波器的输出端与第四放大整形器的输入端射频电缆连接，第三放大整形器输出第二起始测量信号，第四放大整形器输出第二关闭测量信号。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于互相关技术的双混频时差法测量方法，该方法包括：

第一功分器接收待测信号后输出第一待测信号至第一测量单元，输出第二待测信号至第二测量单元；

第二功分器接收参考信号后输出第一参考信号至第一测量单元，输出第二参考信号至第二测量单元；

第一测量单元接收来自第一公共源的第一公共信号，第二测量单元接收来自第二公共源的第二公共信号；

第一测量单元对所述第一待测信号、第一参考信号以及第一公共信号进行处理，输出第一起始测量信号和第一关闭测量信号至第一时间间隔计数器，第一时间间隔计数器根据所述第一起始测量信号和第一关闭测量信号得到第一时差序列；

第二测量单元对所述第二待测信号、第二参考信号以及第二公共信号进行处理，输出第二起始测量信号和第二关闭测量信号至第二时间间隔计数器，第二时间间隔计数器根据所述第二起始测量信号和第二关闭测量信号得到第二时差序列；

计算机采集得到所述第一和第二时差序列，通过互相关算法对两个时差序列进行运算，得到互相关后的时差序列。

优选地，所述参考信号的频率值为5MHz或10MHz，参考信号的频率值为5MHz或10MHz，所述第一公共信号和第二公共信号的频率值均为10MHz+100Hz。

优选地，所述第一测量单元对所述第一待测信号、第一参考信号以及第一公共信号进行处理包括：

采用第一倍频器和第三倍频器分别将第一待测信号和第一参考信号的输出频率倍频到100MHz；

采用第二倍频器将第一公共信号的输出频率进行倍频，倍频后信号的频率是100MHz+1kHz，然后此信号通过第一隔离放大器分配为两路信号输出，其中一路信号与经过倍频的第一待测信号进行混频，另一路信号与经过倍频的第一参考信号进行混频；

混频后的两路信号分别通过第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除和频和基频得到两路差拍频率信号，该两路差拍频率信号分别通过第一放大整形器和第二放大整形器进行放大整形得到第一起始测量信号和第一关闭测量信号。

优选地，所述第二测量单元对所述第二待测信号、第二参考信号以及第二公共信号进行处理包括：

采用第四倍频器和第六倍频器分别将第二待测信号和第二参考信号的输出频率倍频到100MHz；

采用第五倍频器将第二公共信号的输出频率进行倍频，倍频后信号的频率是100MHz+1kHz，然后此信号通过第二隔离放大器分配为两路信号输出，其中一路信号与经过倍频的第二待测信号进行混频，另一路信号与经过倍频的第二参考信号进行混频；

所述混频后的两路信号分别通过第三低通滤波器和第四低通滤波器滤除和频和基频得到两路差拍频率信号，该两路差拍频率信号分别通过第三放大整形器和第四放大整形器进行放大整形得到第二起始测量信号和第二关闭测量信号。

优选地，所述两路差拍频率信号的频率为1kHz。

本发明提出的一种基于互相关技术的双混频时差法测量系统和方法，克服了目前双混频时差测量系统的不足，其具有以下优点：1、采用互相关技术的双混频时差测量系统的自身稳定度可达10^-15量级；2、测量短期频率稳定度的最小采样时间为1ms；3、公共源的噪声得到抑制，系统的成本降低。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的基于互相关技术的双混频时差法测量系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

图1示出根据本发明实施例的基于互相关技术的双混频时差法测量系统的结构框图。

该系统包括：参考源、第一公共源、第二公共源、第一功分器、第二功分器、第一测量单元、第二测量单元、第一时间间隔计数器、第二时间间隔计数器、计算机。

第一功分器接收待测信号，参考源输出参考信号至第二功分器，第一公共源输出第一公共信号至第一测量单元，第二公共源输出第二公共信号至第二测量单元，第一功分器的待测端输出第一待测信号至第一测量单元，第一功分器的参考端输出第二待测信号至第二测量单元，第二功分器的待测端输出第一参考信号至第一测量单元，第二功分器的参考端输出第二参考信号至第二测量单元，第一测量单元分别输出第一起始测量信号和第一关闭测量信号至第一时间间隔计数器，第二测量单元分别输出第二起始测量信号和第二关闭测量信号至第二时间间隔计数器，第一时间间隔计数器的数据输出端与计算机的待测端的GPIB接口卡的输入端连接，第二时间间隔计数器的数据输出端与计算机的参考端的GPIB接口卡的输入端连接，第一时间间隔计数器和第二时间间隔计数器分别输出第一时差序列和第二时差序列至计算机，计算机通过互相关算法对两个时差序列进行运算。

根据本发明实施例，所述第一测量单元包括：第一隔离放大器、第一混频器、第二混频器、第一倍频器、第二倍频器、第三倍频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一放大整形器和第二放大整形器。所述第二测量单元包括：第二隔离放大器、第三混频器、第四混频器、第四倍频器、第五倍频器、第六倍频器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第三放大整形器和第四放大整形器。

第一倍频器的输入端接收来自第一功分器的第一待测信号，第二倍频器接收第一公共信号，第三倍频器的输入端接收来自第二功分器的第一参考信号，第一倍频器的输出端与第一混频器的本振端射频电缆连接，第二倍频器的输出端与第一隔离放大器的输入端射频电缆连接，第一隔离放大器的公共输出端与第一混频器的射频端射频电缆连接，第一隔离放大器的参考输出端与第二混频器的射频端射频电缆连接，第三倍频器的输出端与第二混频器的本振端射频电缆连接，第一混频器的中频输出端与第一低通滤波器的输入端射频电缆连接，第一低通滤波器的输出端与第一放大整形器的输入端射频电缆连接，第二混频器的中频输出端与第二低通滤波器的输入端射频电缆连接，第二低通滤波器的输出端与第二放大整形器的输入端射频电缆连接，第一放大整形器输出第一起始测量信号至第一时间间隔计数器，第二放大整形器输出第一关闭测量信号至第一时间间隔计数器。

第四倍频器的输入端接收来自第二功分器的第二参考信号，第五倍频器接收第二公共信号，第六倍频器的输入端接收来自第一功分器的第二待测信号，第四倍频器的输出端与第三混频器的本振端射频电缆连接，第五倍频器的输出端与第二隔离放大器的输入端射频电缆连接，第二隔离放大器的公共输出端与第三混频器的射频端射频电缆连接，第二隔离放大器的参考输出端与第四混频器的射频端射频电缆连接，第六倍频器的输出端与第四混频器的本振端射频电缆连接，第三混频器的中频输出端与第三低通滤波器的输入端射频电缆连接，第三低通滤波器的输出端与第三放大整形器的输入端射频电缆连接，第四混频器的中频输出端与第四低通滤波器的输入端射频电缆连接，第四低通滤波器的输出端与第四放大整形器的输入端射频电缆连接，第三放大整形器输出第二起始测量信号至第二时间间隔计数器，第四放大整形器输出第二关闭测量信号至第二时间间隔计数器。

如图1所示，工作时，第一功分器接收待测信号后输出第一待测信号至第一测量单元，输出第二待测信号至第二测量单元；第二功分器接收参考信号后输出第一参考信号至第一测量单元，输出第二参考信号至第二测量单元；第一测量单元接收来自第一公共源的第一公共信号，第二测量单元接收来自第二公共源的第二公共信号；第一测量单元对所述第一待测信号、第一参考信号以及第一公共信号进行处理，输出第一起始测量信号和第一关闭测量信号至第一时间间隔计数器，第一时间间隔计数器根据所述第一起始测量信号和第一关闭测量信号得到第一时差序列ξa；第二测量单元对所述第二待测信号、第二参考信号以及第二公共信号进行处理，输出第二起始测量信号和第二关闭测量信号至第二时间间隔计数器，第二时间间隔计数器根据所述第二起始测量信号和第二关闭测量信号得到第二时差序列ξb；计算机通过GPIB总线控制第一时间间隔计数器和第二时间间隔计数器，采集得到所述第一时差序列ξa和第一时差序列ξb，通过互相关算法对这两个时差序列进行运算得到互相关后的时差序列。由于第一测量单元和第二测量单元产生的噪声是非相关性的，所以在互相关算法中会得到一定程度的抑制，抑制程度可达100。

根据本发明实施例，所述参考信号的频率值为5MHz或10MHz，所述第一公共信号和第二公共信号的频率值均为10MHz+100Hz。

具体地，所述第一测量单元对所述第一待测信号、第一参考信号以及第一公共信号进行处理包括：采用第一倍频器和第三倍频器分别将第一待测信号和第一参考信号的输出频率倍频到100MHz；采用第二倍频器将第一公共信号的输出频率进行倍频，倍频后信号的频率是100MHz+1kHz，然后此信号通过第一隔离放大器分配为两路信号输出，其中一路信号与经过倍频的第一待测信号进行混频，另一路信号与经过倍频的第一参考信号进行混频；混频后的两路信号分别通过第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除和频和基频得到两路差拍频率信号，所述两路差拍频率信号的频率为1kHz，该两路差拍频率信号分别通过第一放大整形器和第二放大整形器进行放大整形以减小计数器的触发误差，得到第一起始测量信号和第一关闭测量信号。

具体地，所述第二测量单元对所述第二待测信号、第二参考信号以及第二公共信号进行处理包括：采用第四倍频器和第六倍频器分别将第二待测信号和第二参考信号的输出频率倍频到100MHz；采用第五倍频器将第二公共信号的输出频率进行倍频，倍频后信号的频率是100MHz+1kHz，然后此信号通过第二隔离放大器分配为两路信号输出，其中一路信号与经过倍频的第二待测信号进行混频，另一路信号与经过倍频的第二参考信号进行混频；所述混频后的两路信号分别通过第三低通滤波器和第四低通滤波器滤除和频和基频得到两路差拍频率信号，所述两路差拍频率信号的频率为1kHz，该两路差拍频率信号分别通过第三放大整形器和第四放大整形器进行放大整形，以减小计数器的触发误差，得到第二起始测量信号和第二关闭测量信号。

应当理解，以上借助本发明的优选实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明的保护范围仅由随附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种基于互相关技术的双混频时差法测量系统，其特征在于，该系统包括：参考源、第一公共源、第二公共源、第一功分器、第二功分器、第一测量单元、第二测量单元、第一时间间隔计数器、第二时间间隔计数器、计算机；

第一功分器接收待测信号，参考源输出参考信号至第二功分器，第一公共源输出第一公共信号至第一测量单元，第二公共源输出第二公共信号至第二测量单元，第一功分器的待测端输出第一待测信号至第一测量单元，第一功分器的参考端输出第二待测信号至第二测量单元，第二功分器的待测端输出第一参考信号至第一测量单元，第二功分器的参考端输出第二参考信号至第二测量单元，第一测量单元分别输出第一起始测量信号和第一关闭测量信号至第一时间间隔计数器，第二测量单元分别输出第二起始测量信号和第二关闭测量信号至第二时间间隔计数器，第一时间间隔计数器的数据输出端与计算机的待测端的GPIB接口卡的输入端连接，第二时间间隔计数器的数据输出端与计算机的参考端的GPIB接口卡的输入端连接，第一时间间隔计数器和第二时间间隔计数器分别输出第一时差序列和第二时差序列至计算机，计算机通过互相关算法对两个时差序列进行运算。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待测信号的频率值为5MHz或10MHz，参考信号的频率值为5MHz或10MHz，所述第一公共信号和第二公共信号的频率值均为10MHz+100Hz。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一测量单元包括：第一隔离放大器、第一混频器、第二混频器、第一倍频器、第二倍频器、第三倍频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一放大整形器和第二放大整形器；所述第二测量单元包括：第二隔离放大器、第三混频器、第四混频器、第四倍频器、第五倍频器、第六倍频器、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第三放大整形器和第四放大整形器；

所述第一倍频器的输入端接收来自第一功分器的第一待测信号，所述第二倍频器接收第一公共信号，所述第三倍频器的输入端接收来自第二功分器的第一参考信号，第一倍频器的输出端与第一混频器的本振端射频电缆连接，第二倍频器的输出端与第一隔离放大器的输入端射频电缆连接，第一隔离放大器的公共输出端与第一混频器的射频端射频电缆连接，第一隔离放大器的参考输出端与第二混频器的射频端射频电缆连接，第三倍频器的输出端与第二混频器的本振端射频电缆连接，第一混频器的中频输出端与第一低通滤波器的输入端射频电缆连接，第一低通滤波器的输出端与第一放大整形器的输入端射频电缆连接，第二混频器的中频输出端与第二低通滤波器的输入端射频电缆连接，第二低通滤波器的输出端与第二放大整形器的输入端射频电缆连接，第一放大整形器输出第一起始测量信号，第二放大整形器输出第一关闭测量信号；

所述第四倍频器的输入端接收来自第二功分器的第二参考信号，所述第五倍频器接收第二公共信号，所述第六倍频器的输入端接收来自第一功分器的第二待测信号，第四倍频器的输出端与第三混频器的本振端射频电缆连接，第五倍频器的输出端与第二隔离放大器的输入端射频电缆连接，第二隔离放大器的公共输出端与第三混频器的射频端射频电缆连接，第二隔离放大器的参考输出端与第四混频器的射频端射频电缆连接，第六倍频器的输出端与第四混频器的本振端射频电缆连接，第三混频器的中频输出端与第三低通滤波器的输入端射频电缆连接，第三低通滤波器的输出端与第三放大整形器的输入端射频电缆连接，第四混频器的中频输出端与第四低通滤波器的输入端射频电缆连接，第四低通滤波器的输出端与第四放大整形器的输入端射频电缆连接，第三放大整形器输出第二起始测量信号，第四放大整形器输出第二关闭测量信号。

4.一种基于互相关技术的双混频时差法测量方法，其特征在于，该方法包括：

第一功分器接收待测信号后输出第一待测信号至第一测量单元，输出第二待测信号至第二测量单元；

第二功分器接收参考信号后输出第一参考信号至第一测量单元，输出第二参考信号至第二测量单元；

第一测量单元接收来自第一公共源的第一公共信号，第二测量单元接收来自第二公共源的第二公共信号；

第一测量单元对所述第一待测信号、第一参考信号以及第一公共信号进行处理，输出第一起始测量信号和第一关闭测量信号至第一时间间隔计数器，第一时间间隔计数器根据所述第一起始测量信号和第一关闭测量信号得到第一时差序列；

第二测量单元对所述第二待测信号、第二参考信号以及第二公共信号进行处理，输出第二起始测量信号和第二关闭测量信号至第二时间间隔计数器，第二时间间隔计数器根据所述第二起始测量信号和第二关闭测量信号得到第二时差序列；

计算机采集得到所述第一和第二时差序列，通过互相关算法对两个时差序列进行运算，得到互相关后的时差序列。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述参考信号的频率值为5MHz或10MHz，参考信号的频率值为5MHz或10MHz，所述第一公共信号和第二公共信号的频率值均为10MHz+100Hz。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一测量单元对所述第一待测信号、第一参考信号以及第一公共信号进行处理包括：

采用第一倍频器和第三倍频器分别将第一待测信号和第一参考信号的输出频率倍频到100MHz；

采用第二倍频器将第一公共信号的输出频率进行倍频，倍频后信号的频率是100MHz+1kHz，然后此信号通过第一隔离放大器分配为两路信号输出，其中一路信号与经过倍频的第一待测信号进行混频，另一路信号与经过倍频的第一参考信号进行混频；

混频后的两路信号分别通过第一低通滤波器和第二低通滤波器滤除和频和基频得到两路差拍频率信号，该两路差拍频率信号分别通过第一放大整形器和第二放大整形器进行放大整形得到第一起始测量信号和第一关闭测量信号。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二测量单元对所述第二待测信号、第二参考信号以及第二公共信号进行处理包括：

采用第四倍频器和第六倍频器分别将第二待测信号和第二参考信号的输出频率倍频到100MHz；

采用第五倍频器将第二公共信号的输出频率进行倍频，倍频后信号的频率是100MHz+1kHz，然后此信号通过第二隔离放大器分配为两路信号输出，其中一路信号与经过倍频的第二待测信号进行混频，另一路信号与经过倍频的第二参考信号进行混频；

所述混频后的两路信号分别通过第三低通滤波器和第四低通滤波器滤除和频和基频得到两路差拍频率信号，该两路差拍频率信号分别通过第三放大整形器和第四放大整形器进行放大整形得到第二起始测量信号和第二关闭测量信号。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述两路差拍频率信号的频率为1kHz。

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