CN103176045A - 基于重合脉冲计数的异频双相位重合检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测系统及方法，该系统包括异频信号相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路、双相位重合检测相位偏差修正电路和门时产生电路；本发明利用异频信号间的群相位重合原理，结合相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路和重合脉冲计数，不仅给出了测量比对所需的闸门信息，同时可由重合脉冲计数值求出相位重合检测偏差值，对最终的测量结果进行修正。该方法消除了相位噪声和触发误差对于相位重合检测的影响；实现的相位差重合检测能到达优于皮秒的测量分辨率。该方法提高了相位重合检测的精度和测量分辨率，实现电路结构简单，易于集成和产品化。
Description
技术领域
本发明属于时频测控技术领域，尤其涉及一种基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测系统及方法。
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，对相应的测量比对技术提出了更高的要求。目前，高性能指标的频标系统普遍达到10-14/τ的频率稳定度和1×10-16以上的测量准确度，没有与频标技术的提高相匹配的测量技术这些高分辨率的测量和比对就无从实现。相位重合检测是时间频率量的测量和比对的关键技术，相位重合检测的精度很大程度上决定了测量和比对的精度。时频信号的测量和比对通常是在某一个确定的比对时间间隔内进行的，即测量闸门，参考测量闸门一般由系统设定。在实际测量比对中，通常用两个比对信号间的相邻的两个相位重合点间的时间间隔来构成实际的测量闸门，这样有利于消除测量比对中的计数误差，从而提高测量比对精度。时频测量技术发展是和相位重合检测技术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。深入研究不同频率信号间的相位重合检测方法，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。
对时频信号的测量和比对中的相位重合检测，使用最多的与门法，即将两路比对信号的沿脉冲信号通过与门的方法，具体的做法是将两路比对信号整形为方波，分别将两路方波信号做一定的可调延时后通过非门取反，然后将延时取反后的同频信号与原信号通过与门求与，得到两路比对信号的沿脉冲信号，最后再将上述两沿脉冲信号通过与门求与，最终得到两路比对信号的相位重合检测脉冲。这里，两路比对信号的沿脉冲可以是上升沿窄脉冲，也可以是下降沿窄脉冲。
但是，实际相位重合检测电路中，由于提取出的沿窄脉冲信号并不是无限的窄，而且窄脉冲高低电平的转换也有一定的延时，因此相位重合检测电路的输出是由许多个窄脉冲组成的一簇重合点检测脉冲。在高于电路触发门限的时候，任何一个相位重合检测脉冲都有可能触发测量闸门的开启或关闭。
另一种常见的相位重合检测电路是D触发器法，即将两路测量比对信号整形为窄脉冲后送入D触发器的输入端和时钟端，利用D触发器的消除了出现多个相位重合脉冲的情况。美国安捷伦公司生产的高精度时间间隔通用计数器5370B采用的就是该方法。
现有方法存在一个共同的缺点，即电子线路存在响应分辨率的问题，一般为纳秒或百皮秒量级，在两路测量比对信号相位差比较小的情况下，如果任何一路测量比对信号或两路测量比对同时存在相位噪声或触发误差，都会对相位重合检测输出脉冲造成比较大的影响，使得最终的相位重合检测存在相位偏差，从而导致整个测量比对系统的精度大大降低。现有的相位重合检测方法都不能从根本上消除这种由于相位噪声和触发误差造成的相位重合检测误差，更无法对这种相位重合检测误差进行修正。
发明内容
针对上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测方法。
本发明实施例是这样实现的，一种基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测系统，该系统包括异频信号相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路和双相位重合检测相位偏差修正电路和门时产生电路；
异频信号相位重合预检测电路及相位重合脉冲群产生结构为：
可调延时模块，与非门相连接，用于对输入的方波信号进行可调节的延时处理；
非门，与可调延时模块、与门相连接，用于对输入的方波信号实现取反处理；
至少一个与门，用于将输入的信号求与，从而得到方波的沿脉冲信号，将多路比对信号经处理后得到的沿脉冲信号求与从而得到多路比对信号的相位重合检测脉冲群；
双相位重合检测相位偏差修正电路结构为：
整形模块，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路相连接，两路比对信号输入系统时首先通过的模块，用于对此两路比对信号进行整形处理，使之形成方波；
相位重合预检测及相位重合脉冲群产生模块，与整形模块、相位重合检测相位偏差修正模块相连接，用于将输入的两路异频方波信号进行处理后，初步得到所需要的相位重合检测脉冲群；
相位重合检测相位偏差修正模块，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路相连接，用于完成对初步检测到的相位重合脉冲群进行误差修正，其具体的内部连接功能为：
计数器，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路、单片机、参考门时电路相连接，用于对相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路产生的相位重合脉冲群进行计数；
参考门时电路，与计数器、单片机相连接，由单片机产生参考门时信号控制计数器，用于保证对开门或关门信号附近的相位重合脉冲群不重复计数；
单片机，与计数器，参考门时电路相连接，用于对参考门时电路发出指令，控制计数器对相位重合检测脉冲群进行计数，对计数器计数结果进行比较处理，给出最终相位重合检测电路的相位差修正值。
门时产生电路，与相位重合预检测电路相连接，用于产生测量对比闸门驱动信号，即信号之间的两个相邻的相位重合点一个作为开门信号开启闸门，一个作为关门信号关闭闸门；
进一步，该检测系统包括三个与门。
本发明实施例的另一目的在于提供一种基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：
首先用频率标准产生两个不同频率的信号f1和f2，其周期分别为T1和T2，测量比对闸门由f1和f2间的相邻的两个相位重合点间的时间间隔构成；
将两路信号分别整形成方波，将两路方波信号f1和f2送入相位重合预检测电路中，相位重合预检测电路输出信号分为两路，一路为测量比对闸门驱动信号，即f1和f2之间的两个相邻的相位重合点一个作为开门信号开启闸门，一个作为关门信号关闭闸门；另一路送到计数器中，对相位重合预检测电路产生的相位重合脉冲簇进行计数，这里设开门信号和关门信号附近的相位重合脉冲数分别为N1和N2；
将计数结果N1和N2进行处理，通过比较N1和N2的大小，结合T1和T2给出最终相位重合检测电路的相位差修正值。
本发明针对传统相位重合检测易受相位噪声和触发误差的影响，存在相位重合检测相位偏差的缺点，提供了一种基于重合脉冲计数对相位重合检测偏差进行修正的超高分辨率异频双相位重合检测方法，利用异频信号间的群相位重合原理，结合相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路和重合脉冲计数，不仅给出了测量比对所需的闸门信息，同时可由重合脉冲计数值求出相位重合检测偏差值，对最终的测量结果进行修正。该方法消除了相位噪声和触发误差对于相位重合检测的影响，极大地提高了相位重合检测的精度和测量的分辨率。本发明所述方法实现的相位差重合检测能到达优于皮秒的测量分辨率。该方法在两个比对信号的频差越小的情况下分辨率越高，即使对于频差较大的情况，获得的分辨率也比现有的相位重合检测方法更好。同时，该方法实现电路结构简单，易于集成和产品化。本发明在高精密时频测控领域，如卫星导航、雷达、精密时频测控仪器等方面具有重要的作用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的异频信号相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路原理图；
图2是本发明实施例提供的基于重合脉冲计数的异频双相位重合检测方法的系统原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为异频信号相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路原理图。如图所示，此电路有两路方波输入比对信号：f1和f2。每路信号从输入到输出都要依次经过如下模块：
可调延时模块，与非门相连接，用于对输入的方波信号进行可调节的延时处理；
非门，与可调延时模块、与门相连接，用于对输入的方波信号实现取反处理；
与门1，与非门、与门3相连接，用于将两路输入的信号（原方波信号f1和延时取反后的信号）求与从而得到方波f1的沿脉冲信号P1；
与门2，与非门、与门3相连接，同理与与门1，用于将两路输入的信号（原方波信号f2和延时取反后的信号）求与从而得到方波f2的沿脉冲信号P2；
与门3，与与门1、2相连接，用于将两路比对信号（方波f1和f2）经处理后得到的沿脉冲信号(P1、P2)求与从而得到两路比对信号的相位重合检测脉冲群；
此电路求取重合脉冲群的具体过程为：两个比对方波信号f1和f2，输入时每个信号都将分为两路（以信号f1为例），一路直接输入到与门1；另一路输入到可调延时模块进行延时处理，然后经过非门取反后再输入到与门1中；此两路输入到与门1中的信号进行求与运算后得到f1信号的沿脉冲信号P1；同理可得信号f2的沿脉冲信号P2；将两路沿脉冲信号同时输入到与门3后最终便可得到所求的相位重合检测脉冲群。
图2为本发明基于重合脉冲计数的异频双相位重合检测方法的系统原理图。如图所示，该系统有两路输入信号（f1和f2），系统主要包含三部分：整形模块、相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路、相位重合检测相位偏差修正模块和门时产生电路。其具体的模块功能连接为：
整形模块，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路相连接，两路比对信号输入系统时首先通过的模块，用于对此两路比对信号进行整形处理，使之形成方波；
相位重合预检测及相位重合脉冲群产生模块，与整形模块、相位重合检测相位偏差修正模块相连接（其输出信号分为两路，一路进入门时产生电路，一路进入计数器），其具体的内部结构电路图如图1所示，用于将输入的两路异频方波信号进行处理后，初步得到所需要的相位重合检测脉冲群；
相位重合检测相位偏差修正模块，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路相连接，用于完成对初步检测到的重合脉冲群进行误差修正，其具体的内部连接功能为：
计数器，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路、单片机、参考门时电路相连接，用于对相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路产生的相位重合脉冲群进行计数；
参考门时电路，与计数器、单片机相连接，由单片机产生参考门时信号控制计数器，用于保证对开门或关门信号附近的相位重合脉冲群不重复计数；
单片机，与计数器，参考门时电路相连接，用于对参考门时电路发出指令，控制计数器对相位重合检测脉冲群进行计数，对计数器计数结果进行比较处理，给出最终相位重合检测电路的相位差修正值。
门时产生电路，与相位重合预检测电路相连接，用于产生测量对比闸门驱动信号，（即信号之间的两个相邻的相位重合点一个作为开门信号开启闸门，一个作为关门信号关闭闸门）；
本发明所要解决的技术问题是针对现有相位重合检测技术的不足提供一种基于重合脉冲计数的超高分辨率异频相位重合检测方法。
基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测方法，包括以下步骤：首先用频率标准产生两个不同频率的信号f1和f2，其周期分别为T1和T2，测量比对闸门由f1和f2间的相邻的两个相位重合点间的时间间隔构成。简便起见，设f1>f2，即T1<T2。将两路信号分别整形成方波，将两路方波信号f1和f2送入相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路中，相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路输出信号分为两路，一路为测量比对闸门驱动信号，即f1和f2之间的两个相邻的相位重合点一个作为开门信号开启闸门，一个作为关门信号关闭闸门；另一路送到计数器中，对相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路产生的相位重合脉冲群进行计数，这里设开门信号和关门信号附近的相位重合脉冲数分别为N1和N2。将计数结果N1和N2送到单片机中进行处理，单片机通过比较N1和N2的大小，结合T1和T2给出最终相位重合检测电路的相位差修正值：△φ=(N2-N1)×(T2-T1)；
超高分辨率的相位测量比对在精密频率控制、频率源的同步测控以及精密时空测量中具有重要的作用，相位重合检测的精度对相位测量比对的精度有着相当大的影响。
基于重合脉冲计数法的超高分辨率双相位重合检测方法从原理上采用的是异频信号间的群相位重合原理，即两个异频信号间的相位关系总是存在一个从不重合逐渐过渡到重合，在过渡到不重合的过程。异频信号间的群相位重合理论造成了传统的相位重合检测电路得到是一群有许多个相位重合脉冲组成的脉冲群，相位噪声或触发误差等对相位重合检测的影响都体现在这些脉冲中，通过对测量比对闸门在开门和关门附近的脉冲群中的脉冲进行计数，从而得到相位重合检测电路的相位差修正值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测系统，其特征在于，该系统包括异频信号相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路，双相位重合检测相位偏差修正电路和门时产生电路；
异频信号相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路结构为：
可调延时模块，用于对输入的方波信号进行可调节的延时处理；
非门，与可调延时模块、与门相连接，用于对输入的方波信号实现取反处理；
至少一个与门，用于将输入的信号与其延时取反信号求与，从而得到方波的沿脉冲信号，将多路比对信号经处理后得到的沿脉冲信号求与从而得到多路比对信号的相位重合检测脉冲群；
双相位重合检测相位偏差修正电路结构为：
整形模块，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路相连接，两路比对信号输入系统时首先通过的模块，用于对两路比对信号进行整形处理，使之形成方波；
相位重合预检测及相位重合脉冲群产生模块，与整形模块、双相位重合检测偏差修正模块相连接，用于将输入的两路异频方波信号进行处理后，初步得到所需要的门时产生信号和相位重合检测脉冲群；
双相位重合检测偏差修正模块，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路相连接，用于完成对初步检测到的重合脉冲群进行计数，进而对相位重合检测偏差进行误差修正，其具体的内部连接功能为：
计数器，与相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路、单片机、参考门时电路相连接，用于对相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路产生的相位重合脉冲群进行计数；
参考门时电路，与计数器、单片机相连接，由单片机产生参考门时信号控制计数器，用于保证对开门或关门信号附近的相位重合脉冲群不重复计数；
单片机，与计数器，参考门时电路相连接，用于对参考门时电路发出指令，控制计数器对相位重合检测脉冲群进行计数，对计数器计数结果进行比较处理，给出最终相位重合检测电路的相位差修正值；
门时产生电路，与相位重合预检测电路及相位重合脉冲群产生相连接，用于产生测量对比闸门驱动信号，即信号之间的两个相邻的相位重合点一个作为开门信号开启闸门，一个作为关门信号关闭闸门。
2.如权利要求1所述的基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测系统，其特征在于，该检测系统包括异频信号相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路，双相位重合检测相位偏差修正电路和门时产生电路。
3.一种基于重合脉冲计数的超高分辨率异频双相位重合检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：
首先用频率标准产生两个不同频率的信号f1和f2，其周期分别为T1和T2，测量比对闸门由f1和f2间的相邻的两个相位重合点间的时间间隔构成；
将两路信号分别整形成方波，将两路方波信号f1和f2送入相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路中，相位重合预检测及相位重合脉冲群产生电路输出信号分为两路，一路为测量比对闸门驱动信号，即f1和f2之间的两个相邻的相位重合点一个作为开门信号开启闸门，一个作为关门信号关闭闸门；另一路送到计数器中，对相位重合预检测电路产生的相位重合脉冲群进行计数，这里设开门信号和关门信号附近的相位重合脉冲数分别为N1和N2；将计数结果N1和N2进行处理，通过比较N1和N2的大小，结合T1和T2给出最终相位重合检测电路的相位差修正值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130626 |