CN103414453A - 一种频率源短稳参数数字化检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率源短稳参数数字化检测装置及检测方法，该检测装置包括输入预处理模块，输入信号检测及DDS模块，本振时钟模块，高频时钟模块，时钟同步模块，采样及数字下变频模块和稳定度及相位解调模块。通过对输入信号进行抗混叠滤波后直接进行低噪声带通采样及相位解调处理，实现了频率稳定度及相位噪声的精确测量，利用频率合成技术、低噪声欠采样技术及互相关统计平均处理算法增加了测量系统的准确性和可靠性，测量方法简单、快捷，不需要校准及定标等复杂操作。

Description

一种频率源短稳参数数字化检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种噪声检测方法及装置，特别是涉及一种频率源短稳参数数字化检测方法及装置。

背景技术

高精度、高稳定度的频率源产品广泛应用于雷达、导航、通信等各种精密电子系统，频率源的相位噪声使其瞬时频率偏离其标称值，由相位起伏谱密度表征，而频率源输出频率的稳定特性反映了一定时间间隔内频率的变化，由频率稳定度表征。随着电子技术的不断发展，频率源的性能指标不断提高，对其稳定度及相位噪声参数的测试技术也提出了更高的要求。

目前，市场上频率源稳定度及相位噪声测量装置主要包括外差法和相位检波法搭建的测试系统。其中，外差法是通过测量两个待测源与一个公共振荡源的相位差后相减，得到两个待测源的相位差实现，常见的双混频时差测试设备就是一种典型的外差法。外差法保留了载波的相位信息，从而实现频率稳定度的测量。但外差法存在以下缺陷：1、相位信息通过测量中频过零点的次数获得，但信号电压波动范围较大，超过了测量载波远端相位噪声时的动态范围，2、混频时加入的载波信号增加了测试系统的闪烁噪声，3、频域混叠问题无法克服，以上问题使外差测试系统无法实现相位噪声的准确测量。相位检波法也称锁相环法，它是通过载波抑制来获取相位噪声起伏，通常是利用双平衡混频器和低噪声放大器将相位起伏转换为电压起伏后进行傅里叶分析得到，转换过程引入较大噪声，需要进行傅里叶频率校准，此外，需要利用锁相环路使两路信号保持正交，才能实现检相功能，锁相环抑制了环路带宽内的载波相位信息，当采样时间大于锁相环的环路时间常数时，无法利用相位序列准确估算短期稳定度。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种频率源短稳参数数字化检测方法及装置，能够精确测量频率源的短期频率稳定度及其相位噪声起伏谱密度，解决了外差法与锁相环法无法在同一台仪器中实现频率源的短期稳定度和相位噪声测量的局限性，测量方法更加快捷、可靠，克服了传统测量方法中测量精度低、操作复杂等不足。通过对输入射频信号直接采样后进行数字变频，实现了相位噪声的实时检测，利用抗混叠滤波及欠采样技术使测量带宽的选取更加灵活，增加了输入信号的频率覆盖范围，系统采用了直接数字化的测量方法，灵活性高，可以针对不同的傅里叶频偏设置相应的最佳测量带宽，提高了短期稳定度的估算精度，利用互相关统计平均处理有效降低了模数转换器误差造成的系统噪声底部。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种频率源短稳参数数字化检测装置，该装置包括：

输入预处理模块，根据输入的待测信号及参考信号的频率，选择相应的带通滤波器进行抗混叠滤波，分别生成两路同相和正交信号输出到采样及数字下变频模块，并将预处理后的信号输出至输入检测及DDS模块；

输入检测及DDS模块，用于检测输入的待测信号和参考信号的频率和功率，并产生相应的控制信号回送到输入预处理模块进行相应的功率控制及滤波器选择控制，该输入检测及DDS模块生成可调时钟信号和同步脉冲信号送入时钟同步模块作为低抖动时钟源及同步信号；

时钟同步模块，用于对接收的时钟信号实现时钟驱动、分配及滤波，为采样及下变频模块提供高度一致的时钟信号和四路同步信号，使系统高度对称，以利于后续进行互相关统计平均处理去除数字化时引入的噪声；

采样及数字下变频模块，对输入信号进行带通采样及数字下变频，输出低速、正交信号至稳定度及相位解调模块进行相位解调处理；

稳定度及相位调解模块，对接收的信号进行处理实现相位噪声解调。

所述输入预处理模块包括第一输入预处理模块和第二输入预处理模块，该第一输入预处理模块接收待测信号与所述输入检测及DDS模块来的控制信号，并产生两路正交待测信号；该第二输入预处理模块接收参考待测信号与所述输入检测及DDS模块来的控制信号，并产生两路正交参考信号。

所述采样及数字下变频模块包括第一至第四采样及数字下变频模块，分别接收时钟信号，同步信号及正交信号，并对输入信号进行带通采样及数字下变频。

所述输入检测及DDS模块还连接有用于产生时钟信号的时钟模块。

所述时钟模块包括高频时钟模块，该高频时钟模块还连接有本振时钟模块。

一种频率源短稳参数数字化检测方法，该检测方法包括如下步骤：

1）对输入待测信号及参考信号进行采样前预处理；

2）产生高速、低抖动、可调采样时钟信号及同步信号；

3）对输入待测信号及参考信号进行低噪声带通采样及数字下变频；

4）数字化相位噪声互相关功率谱检测；

5）频率短期稳定度计算。

所述步骤1中对输入信号进行预处理时，将输入的待测信号及参考信号进行带通采样前先进行抗混叠滤波，利用输入检测反馈信号控制继电器开关电路自动选择带通滤波器，将不同频段的待测信号及参考信号切换到相应的带通滤波器，滤波后分别输出两路同相和正交信号进行正交、带通采样。

所述步骤4中数字化相位噪声互相关功率谱检测包括：将待测信号与参考信号各自与采样及下变频单元6A，6B，6C，6D中的DDS复制的本地振荡源信号求取相位差，得到待测源与参考源的相位差，根据相位差得到相位噪声功率谱。

所述步骤5中频率短期稳定度计算包括：根据步骤4得到的相位差，通过相位差与阿伦方差之间的关系得到待测信号一定时间间隔内的频率稳定度。

本发明的优点在于：

1、能在同一台测试仪器上实现频率源的时域稳定度及频域相位噪声起伏的精确测量；

2、系统采用模块化设计方法，升级方便；

3、解决了外差法与锁相环的局限性。

附图说明

图1为实现本发明的短期稳定度数字化检测装置功能图。

具体实施方式

如图1为实现本发明的短期稳定度数字化检测装置功能图，该数字化检测装置主要包括：输入预处理模块1A及1B，输入信号检测及DDS（直接数字频率合成）模块2，本振时钟模块3，高频时钟模块4，时钟同步模块5，采样及数字下变频模块6A、6B、6C、6D，频率稳定度及相位解调模块7，显控模块8。

预处理模块1A和1B根据不同频段输入信号，选择相应的带通滤波器进行抗混叠滤波，以利于后续高频信号采样处理，预处理模块1A和1B根据ADC器件的最佳动态范围设置最佳功率，并分别生成两路同相和正交信号输出到采样及数字下变频模块6A，6B，6C和6D，进行采样及数字下变频处理；输入检测及DDS模块2用于检测输入的待测信号和参考信号的频率和功率，并产生相应的控制信号回送到模块1进行相应的功率控制及滤波器选择控制，模块2的DDS生成高精度可调时钟信号和同步脉冲信号送入模块5作为低抖动时钟源及同步信号，利用DDS输出的高精度可调时钟，为宽频带多频点输入信号提供了灵活可变的采样时钟，大大增强了系统的灵活性；本振时钟模块3为低频、高精度时钟源，负责为高频时钟模块4提供高精度参考时钟，模块3可以是其他低抖动时钟模块；模块4的将高频时钟信号分频后锁定到模块3，可输出高频低噪声差分信号，为模块2的DDS提供高质量时钟信号；模块5完成时钟驱动、分配及滤波，为采样及下变频模块6A、6B、6C、6D提供高度一致的时钟信号和四路同步信号，使系统高度对称，有效地实现互相关统计平均处理去除数字化时引入的噪声；模块6A、6B、6C、6D完成输入待测信号及参考信号带通采样及数字下变频，信号正交数字化后计算统计平均值，可大幅减小过零点的采样误差，使系统误差减小，两路待测信号和参考信号参考电平互连，且待测源和参考源采样参考电平互连，使四个采样模块的参考电平高度一致，形成低速、正交信号送入模块7进行解调处理；模块7完成相位噪声解调计算；模块8对频率稳定度曲线及相位起伏谱实现图形界面控制和显示。

本发明的另一个目的是提供一种实现频率源参数数字化检测方法，该检测方法的具体步骤为：

第一步对输入待测信号及参考信号进行采样前预处理

本系统采用带通采样模式，结合附图1，预处理模块1A和1B根据输入的待测信号及参考信号的频率，选择相应的带通滤波器分别对待测信号和参考信号进行抗混叠滤波，以提高采样及数字下变频模块带通采样时的信噪比，此外，模块1A和1B利用正交移相器分别产生两路同相和两路正交信号（如图中模块1A产生两路sin1和cos1；模块1B产生两路sin2和cos2）输出到模块6A，6B，6C和6D，进行采样及数字下变频处理。

第二步产生高速、低抖动、可调采样时钟信号产生及同步信号

高频信号采样时影响采样性能的重要因素是时钟源的抖动，时钟信号的孔径抖动会引起整个A/D信噪比下降。为了实现高频信号的低噪声采样，本系统采用带通采样的方式对输入的待测信号和参考信号进行数字化处理，系统时钟的性能对采样精度的影响至关重要。我们要对500MHz范围内任意频点的信号进行带通采样，因此，系统采样时钟频率不固定，利用输入检测及DDS模块的DDS可实现高精度可调时钟信号的产生。首先，根据输入信号的频率范围确定带通采样的时钟频率，将一个高频时钟信号分频后锁定到一个低频、高稳振荡源，形成一个与低频时钟同样精度的低抖动高频时钟信号，并作为DDS的参考时钟，由DDS产生低抖动的可调时钟作为系统采样时钟。对不同频点的待测源，通过DDS灵活地调节采样频率，以满足带通采样要求。同时，DDS输出的时钟还作为数字下变频单元的本振时钟，用来产生两路正交的数字信号与采样后的数字信号进行混频。此外，DDS模块产生的同步脉冲信号经过时钟同步模块5的功分器产生4路同步信号为多路采样模块数据帧开始位置提供判定依据，同时，模块5的功分器将输入的时钟信号分成4路时钟信号，为模块6A，6B，6C，6D四个模块提供高度一致的采样时钟信号。

第三步对输入射频信号进行低噪声带通采样及数字下变频

由模块2完成输入信号功率及频率检测后，形成功率控制信号，将待测信号及参考信号这两路信号的功率自动调节到采样及数字下变频模块中采样器件的最佳动态范围，为防止谐波、噪声混叠到相位测量谱中，对输入的两路信号进行带通采样前首先进行抗混叠滤波，利用预处理模块中的继电器开关电路自动选择带通滤波器，将不同频段的两路输入信号切换到相应的预处理模块中的带通滤波器，滤波后分别输出两路同相和正交信号进行正交、带通采样，有效减小了过零点的采样误差。采样后利用可编程器件完成数字下变频及抽取滤波，以利于后续数字检相功能的实现。

第四步数字化相位噪声互相关功率谱检测

采样及下变频单元6A，6B，6C，6D完成对接收到的第一通道的两路正交信号和第二通道的两路正交信号（待测源正交输入和参考源正交输入的两路信号，如图中的两路sin1,cos1,及两路sin2和cos2信号）分别与数字下变频单元6A，6B，6C，6D中的DDS复制的两路正交信号（数字下变频模块6产生的两路本地正交参考信号。这两路信号是前者的复制信号）进行混频和低通滤波，通过反正切计算可得到两路相位差信号。这两路相位差为待测源和参考源各自与采样及下变频单元6A，6B，6C，6D中的DDS复制的本地振荡源信号的相位差，将两次得到的相位差信号相减，得到待测源与参考源的相位差，可消除本振相位噪声的影响。进行反正切计算时，由于反正切函数的值域为-π到+π，利用解卷绕算法得到相位差的线性曲线，将得到的待测源与参考源的相位差进行傅立叶变换，可求得功率谱密度，进而得到单边带相位噪声。在计算功率谱密度时，根据1Hz至1MHz频偏范围设置相应的相位数据采样速率，实现了高频偏点的快速测试能力。

这里，6A，6B，6C，6D的分别产生的两路正交输入信号（sin1和cos1及sin2和cos2）分别与其内部的DDS复制信号进行混频、滤波后的信号求和后计算反正切，可减小模块6的采样误差。此外，由于数字化时的热噪声成为限制系统性能的主要因素，因此整个系统采用了上述完全对称的互相关结构，即由模块6A与6B输出的待测源与参考源的相位差与6C和6D输出的待测与参考源的相位差进行互相关。利用互相关技术可以大大降低采样时不相关性热噪声，利用互相关功率谱代替单通道功率谱计算单边带相位噪声，将系统噪声底部提高约30dB。

第五步频率短期稳定度计算

频率源在两个采样时间间隔内频率的变化由阿伦方差表征，根据IEEE定义，阿伦方差与相位时间序列关系为： ${\mathrm{\&sigma;}}_y^2\left(\mathrm{\&tau;}\right)=<\frac{1}{2}{\left[\frac{{\mathrm{\&phi;}}_{k+2}-2{\mathrm{\&phi;}}_{k+1}+{\mathrm{\&phi;}}_k}{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&nu;}}_0\mathrm{\&tau;}}\right]}^2>$ （1），其中，<>表示计算统计平均，φ_k为相位时间序列，σ_y(τ)为阿伦方差，ν₀为标称频率，τ为采样的时间间隔，k表示第k个采样点。根据第四步测得的相位差利用公式（1），可计算出一定时间间隔内的频率稳定度。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。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各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。

Claims (9)

1.一种频率源短稳参数数字化检测装置，其特征在于，该装置包括：

输入预处理模块，根据输入的待测信号及参考信号的频率，选择相应的带通滤波器进行抗混叠滤波，分别生成两路同相和正交信号输出到采样及数字下变频模块，并将预处理后的信号输出至输入检测及DDS模块；

输入检测及DDS模块，用于检测输入的待测信号和参考信号的频率和功率，并产生相应的控制信号回送到输入预处理模块进行相应的功率控制及滤波器选择控制，该输入检测及DDS模块生成可调时钟信号和同步脉冲信号送入时钟同步模块作为低抖动时钟源及同步信号；

时钟同步模块，用于对接收的时钟信号实现时钟驱动、分配及滤波，为采样及下变频模块提供高度一致的时钟信号和四路同步信号，使系统高度对称，以利于后续进行互相关统计平均处理去除数字化时引入的噪声；

采样及数字下变频模块，对输入信号进行带通采样及数字下变频，输出低速、正交信号至稳定度及相位解调模块进行相位解调处理；

稳定度及相位调解模块，对接收的信号进行处理实现相位噪声解调。

2.根据权利要求1所述的一种频率源短稳参数数字化检测装置，其特征在于，所述输入预处理模块包括第一输入预处理模块和第二输入预处理模块，该第一输入预处理模块接收待测信号与所述输入检测及DDS模块来的控制信号，并产生两路正交待测信号；该第二输入预处理模块接收参考待测信号与所述输入检测及DDS模块来的控制信号，并产生两路正交参考信号。

3.根据权利要求1所述的一种频率源短稳参数数字化检测装置，其特征在于，所述采样及数字下变频模块包括第一至第四采样及数字下变频模块，分别接收时钟信号，同步信号及正交信号，并对输入信号进行带通采样及数字下变频。

4.根据权利要求1所述的一种频率源短稳参数数字化检测装置，其特征在于，所述输入检测及DDS模块还连接有用于产生时钟信号的时钟模块。

5.根据权利要求3所述的一种频率源短稳参数数字化检测装置，其特征在于，所述时钟模块包括高频时钟模块，该高频时钟模块还连接有本振时钟模块。

6.一种频率源短稳参数数字化检测方法，其特征在于，该检测方法包括如下步骤：

1）对输入待测信号及参考信号进行采样前预处理；

2）产生高速、低抖动、可调采样时钟信号

及同步信号；

3）对输入待测信号及参考信号进行低噪声带通采样及数字下变频；

4）数字化相位噪声互相关功率谱检测；

5）频率短期稳定度计算。

7.根据权利要求6所述的一种频率源短稳参数数字化检测方法，其特征在于，所述步骤1中对输入信号进行预处理时，将输入的待测信号及参考信号进行带通采样前先进行抗混叠滤波，利用输入检测反馈信号控制继电器开关电路自动选择带通滤波器，将不同频段的待测信号及参考信号切换到相应的带通滤波器，滤波后分别输出两路同相和正交信号进行正交、带通采样。

8.根据权利要求6所述的一种频率源短稳参数数字化检测方法，其特征在于，所述步骤4中数字化相位噪声互相关功率谱检测包括：将待测信号与参考信号各自与采样及下变频单元6A，6B，6C，6D中的DDS复制的本地振荡源信号求取相位差，得到待测源与参考源的相位差，根据相位差得到相位噪声功率谱。

9.根据权利要求6所述的一种频率源短稳参数数字化检测方法，其特征在于，所述步骤5中频率短期稳定度计算包括：根据步骤4得到的相位差，通过相位差与阿伦方差之间的关系得到待测信号一定时间间隔内的频率稳定度。

Images