CN102735936A - 基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法 - Google Patents

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杜保强
董绍锋
李建军
王卓亚
谢玉彦
司旋坤
王延峰
郭淑婷
刘丹
左艳迪
祝学斌
刘丙春
赵生伟
黄宗杰
裴丹军
史红军
李靳亮
徐畅运
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Abstract

本发明公开了基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法，用频率标准产生两个比对或同步信号f1和f2，两信号频率相同，但f2经时延和f1具有一定的相位差Δt。用另一频率标准产生中介源频率fc，使其周期大于信号f1和f2的周期。将fc与f1送入相位同步检测电路I，它们的相位重合点作为开门信号即开启闸门；将fc与f2送入相位同步检测电路II，它们的相位重合点作为关门信号即关闭闸门；实际的闸门是fc与f1之间的相位重合点与fc与f2之间的相位重合点这两个重合点之间的时间间隔，在闸门时间内对中介源频率fc进行计数，将计数结果Nc送入单位片机处理，最终显示f1和f2之间的相位差测量结果即相位同步结果。

Description

基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法，属于时频测控技术领域。
背景技术
时间频率量的测量和比对在时频测控技术领域中具有很重要的地位。随着频率基标准器的准确度和稳定度的不断提高，也对相应的测量比对技术提出了更高的要求。没有与频标技术的提高相匹配的测量技术，目前的10-14/τ的频率稳定度指标和为了检测频率基准所要求的1×10-16以上的准确度测量的分辨率就无从实现。现代通讯、仪器仪表、导航、空间技术和电子技术则需要频率测量覆盖的范围宽，响应时间快。时频测量技术发展是和频率源精度的提高和应用面的扩大而同步进行的。其中不但包括了精密频率信号之间的比对，而且也包括了宽频率范围的从几乎直流、射频、微波甚至到光频的测量。深入了解时间频率计量的标准和方法不仅使我们对时间频率本身，而且对掌握其它物理量及其测量都是有益的。尤其在科学技术的各个学科、分支互相渗透、互相影响的情况下，深入研究和掌握时间及频率，对科学技术其它领域的工作会带来许多有益的帮助。
高精度的频率标准，一般是具有某些特定频率标称值的标准频率源，如现在常用的频率标准的频率标称值一般是10MHZ、5MHz、2.5MHz、1MHZ和100kHz等等。用于频率标准之间比对、测量的方法及设备，要求具有比普通频率信号的测量方法及设备高的多的测量分辨率和精度。而且对于某些频率标准的特殊指标来说，对测量方法及设备在测量速度、测量设备的带宽等指标方面，均提出了一定要求。另外，由于频率标准之间的比对往往是针对特定的频率值的，所以这种比对又较之任意频率值的测量具有其他一些特点。就这一方面来说，频标的比对又对相应的测量设备，也提供了一个比较方便的条件。
对于频率源的准确度及长期指标的比对，使用最多的是相位比对的方法。而在其稳定度的时畴比对中，许多传统的比对方案还在使用，如频差倍增、双混频时差法等，但是设备的工艺和线路设计有所改进。对频率源的相位噪声的频畴测量中，松锁相回路法和紧锁相回路法也还没有失去其在精度上的先进性。
按照各种不同的频率测量方法的比较，直接计数的方法具有简单的结构和很宽的频率测量范围，但是由于存在着±1个数的计数误差，测量精度是不高的。针对这个误差的技术改进，模拟内插、游标法、宽带相位重合检测以及借助于短时间间隔电容充电与高速A/D转换的测量方法都是现行被广泛应用的技术。这些方法主要是针对宽频率范围的频率测量而应用的。其中，设计优良的仪器在宽频率范围内的测量分辨率能够达到10-11/τ。在频标比对中，相位比对法、拍频法和双混频器时差测量的方法都具有高的比对精度，但是它们的测量范围全都很窄。其中，相位比对法常常被用于频标准确度和长期指标的比对，但是也很有希望被用于短期稳定度指标的测量，后两种比对方法主要用于短期稳定度的比对。从比对精度来看，在短稳比对方面，拍频法、双混频器时差法以及以频差倍增为基础的方法都有可能获得优于1×10-13/τ的测量分辨率。因此，能在宽频率范围内实现高精度频标比对的方法非常值得研究。
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中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法。
一种基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法，包括以下步骤：用频率标准产生两个比对或同步信号f1和f2，两信号频率相同，但f2经时延和f1具有一定的相位差Δt。用另一频率标准产生中介源频率fc，使其周期大于信号f1和f2的周期。将fc与f1送入相位同步检测电路I，它们的相位重合点作为开门信号即开启闸门；将fc与f2送入相位同步检测电路II，它们的相位重合点作为关门信号即关闭闸门；实际的闸门是fc与f1之间的相位重合点与fc与f2之间的相位重合点这两个重合点之间的时间间隔，在闸门时间内对中介源频率fc进行计数，将计数结果Nc送入单位片机处理，最终显示f1和f2之间的相位差测量结果即相位同步结果。
精密相位测量在精密频率控制、频率源的同步测控以及精密距离测量中有重要作用。目前，优于1ps分辨率的要求也被提了出来。
“基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法”从原理上采用的是“浮动游标法”，它是在两个比对的频率标称值相同信号之间引入另一个和两个信号频率相关的有差值且不能成倍数关系的值。这样使两比对信号间的微小相位差转换成与中介源频率重合点间的时间间隔值。
Δt＝Nc×Pd
Δt是两频率标值相等的比对或相位同步信号f1和f2之间的相位差值，Nc是在实际闸门内(开门和关门之间的时间间隔)对中介源频率的计数值，Pd是中介源信号周期与f1或f2信号的周期之差。
分辨率＝中介频率与比对信号之间的周期差值
本文所述方法能达到0.1ps的分辨率。只是这种方法在相位差值越小的情况下分辨率越高，随着相位差值的增加会影响到测量的分辨率。但是即使这样，高的分辨率依然比目前其它频标比对方法更好。
附图说明
图1为基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测原理；
图2为基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法系统原理图。
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1，图1为基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测原理，图1中f1和f2是两比对的频标信号，Δt是他们的相位差值，fc是中介源频率，Nc是中介源频率的计数值，t是测量闸门。
参考图2，图2为基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法系统原理图，用频率标准产生两个比对或同步信号f1和f2，两信号频率相同，但f2经时延和f1具有一定的相位差Δt。用另一频率标准产生中介源频率fc，使其周期大于信号f1和f2的周期。将fc与f1送入相位同步检测电路I，它们的相位重合点作为开门信号即开启闸门；将fc与f2送入相位同步检测电路II，它们的相位重合点作为关门信号即关闭闸门；实际的闸门是fc与f1之间的相位重合点与fc与f2之间的相位重合点这两个重合点之间的时间间隔，在闸门时间内对中介源频率fc进行计数，将计数结果Nc送入单位片机处理(Δt＝Nc×Pd，其中Pd是fc与f1或f2之间的周期差值。)，最终显示f1和f2之间的相位差测量结果即相位同步结果。相位同步的分辨率取决于fc与f1或fc与f2之间的周期差值，本方案能消除±1个计数误差，很容易达到0.1皮秒的分辨率，且系统性能稳定。
本方案能直接实现任意信号之间的相位同步，无需频率归一化，具体实验数据如表1所示。
表1频标比对实验结果
  fc   f1   feau   ΔT   σ/s
  10MHz   5.000001MHz   50.00001THz   19.999996fs   3.2×10-14
  10MHz   5.00001MHz   5.00001THz   199.9996fs   4.1×10-13
  10MHz   5.0001MHz   500.01GHz   1.99996ps   4.3×10-12
  10MHz   5.001MHz   50.01GHz   19.996ps   4.7x10-11
  10MHz   10.000010MHz   10.00001THz   99.9999fs   3.7×10-13
  10MHz   20.000010MHz   20.00001THz   49.999975fs   1.6×10-13
  10MHz   100.00001MHz   100.00001THZ   9.999999fs   1.7×10-14
  10MHz   190.00001MHz   190.00001THz   5.263fs   5.5×10-15
  10MHz   210.00001MHz   210.00001THz   4.762fs   4.3×10-15
表1中，fequ为fc和f1或f2之间的等效鉴相频率，ΔT为fc和f1或f2之间的量化步进值，σ/s为fc和f1或f2之间相位比对时的频率稳定度或同步精度，由上表可知，频标比对的精度均在0.1ps以上，特殊情况下可以达到fs(飞秒)。
由于频标比对过程中无需频率归一化，高精度的频率合成器是不必须的，这样不仅降低了成本、简化了电路结构、降低系统的本底噪声，提高了系统的同步精度和测量分辨率，同时由于其简单的电路结构，也容易产品化。本发明在导航卫星、雷达、精密时频测控仪器等高科技领域中具有极其重要的地位。
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)

1.一种基于中介源游标法的超高分辨率相位同步检测方法，其特征在于，包括以下步骤：用频率标准产生两个比对或同步信号f1和f2，两信号频率相同，但f2经时延和f1具有一定的相位差△t。用另一频率标准产生中介源频率fc，使其周期大于信号f1和f2的周期。将fc与f1送入相位同步检测电路I，它们的相位重合点作为开门信号即开启闸门；将fc与f2送入相位同步检测电路II，它们的相位重合点作为关门信号即关闭闸门；实际的闸门是fc与f1之间的相位重合点与fc与f2之间的相位重合点这两个重合点之间的时间间隔，在闸门时间内对中介源频率fc进行计数，将计数结果Nc送入单位片机处理，最终显示f1和f2之间的相位差测量结果即相位同步结果。
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