CN103529293A - 基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法，是以边沿效应为基础的在时间频率重要参数测量中的应用，其发展是确定测量中的模糊区-串行或者并行，尽量获得单调的测量对象参数的变化，以及在控制处理方面的应用。当信号间频率关系简单时，单调的相位变化会串行地形成检测的模糊区；但是当信号间频率关系复杂时，通过延迟移相等手段也会并行地形成多个检测的模糊区，通过延迟移相后，原先的处于模糊区边沿外的相位差关系，会进入相位重合检测区；或者反过来，原先的处于模糊区边沿内的相位差关系，会移出相位重合检测区。用这样的信息构成测量的闸门时间进行频率等参数测量，可以大大提高测量的分辨率。

Description

基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，尤其涉及一种基于边沿效应的精密测量方法。

背景技术

现代科学技术的发展是建立在精密实验测量基础之上的，在所有的物理量中，时间和频率量具有最高的精度和稳定度，因此对其标准的建立和准确测量具有十分显著的意义和影响。时间频率技术广泛应用于导航、空间技术、通讯、工业生产、交通、科学研究及天文学与计量学中。我们所熟知的工业控制、信息传输和处理、现代数字化技术和计算机都离不开时频技术和时频测量。

随着现代社会信息产业的快速发展，对信息传输和处理的要求越来越高，需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。各种频率源的使用量不断增大，对各种基标准的建立、改进及测量方法和测量技术提出了越来越高的要求。尤其是近几年空间技术的发展，对时频信号的处理提出了更高的要求。在测试计量技术中，为了提高测量的准确度，一个明显的发展趋势是尽可能地将其他物理量转换为频率或者时间进行测量。然而，任何测量装置都存在着有限的测量的分辨率问题，这主要是由于采用器件的有限的响应时间、数字化处理时的量化误差、周期性信号的有限的时间处理的辨识值等。分辨率问题直接导致了测量误差，也成为了影响测量精度的决定性因素。尤其是两个比对信号之间的对应特征分布离散的情况下。

通过对相位重合检测模糊区进行分析研究，当有限的测量分辨率在两个比对对象间的变化呈单调变化的情况下会形成一个集中的模糊区。在该模糊区的边沿，由于测量的分辨率本身具有更高的稳定度，其会出现对被测对象和标准信号间的差值在与模糊区的边沿相关的位置，根据捕获与否得到检出结果。此时检测的分辨率仅仅取决于测量分辨率的稳定度，而远远高于测量分辨率本身。使得测量的精密度或者分辨率显著提高2到3个数量级。信号在相互变化的过程中总是从模糊区之外进入其中。虽然在模糊区的中心能够获得更高的测量分辨率，但是技术上实现很困难。甚至可以说，没有误差的测量是没有可能的。在模糊区的边沿虽然检测的分辨率并不高，但是会由于检测分辨率在边沿处的稳定性和变化的微细程度把比对信号间的相当微细的变化区分出来-也就是入和出的区分。因此很有利于特高分辨率的测量。因此研究边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量更有现实的意义和价值，有效的利用新的理论实现高分辨率时间频率测量控制技术是具有广泛影响的重要工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法，旨在提高测量的精度。

本发明的技术方案是：一种基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法，其特征在于，确定测量的模糊区及其边沿，尽量获得单调的测量对象参数的变化，当信号间频率关系简单时，单调的相位变化会串行地形成检测的模糊区；当信号间频率关系复杂时，通过延迟移相会并行地形成多个检测的模糊区，通过延迟移相后，原先的处于模糊区边沿外的相位差关系，会进入相位重合检测区；或者反过来，原先的处于模糊区边沿内的相位差关系，会移出相位重合检测区；用这样的信息构成测量的闸门时间进行并行的频率和周期性信号，可以大大提高测量的分辨率。

为了建立模糊区并且有一个可利用的边沿效应，本发明是这样实现的：采用了两个并行的重合检测线路并且通过延迟移相的方法使得两路信号在重合检测时有附加的微小相位差增量，这样就会使得一路信号原来处于检测的模糊区的边沿的某一个或几个重合态会由于相位差的增大而跑出边沿区之外，这种出现重合检测差异的边沿状态被选择作为计数测量的闸门的开启和关闭控制，这样闸门的开启和关闭都处于两个信号间的相同相位状况，保证了量化误差最大限度的消除。

其中延迟移相值的大小要使得在一个最小公倍数周期内处于并行的模糊区边沿的重合态能够在延迟后被丢失。

由于对被测信号的延迟移相，原来处于相位重合检测分辨率限制形成的被捕捉重合信息模糊区的边沿的检出脉冲信号，就会因为处于检测模糊区的边沿的临界位置因为被测信号的延迟移相，相位差值增加而被处于模糊区的外侧，用这样的方法获得的闸门开启和关闭信号保证了信号间完全相同的相位状态，也就是得到了更严格的相位群的同步状态，能够最大限度地抑制测量中的量化误差，具体计算公式如下：

设参考信号为f₁，被测信号为f₂，计数值分别为N₁,N₂，信号通过延迟逻辑（即延迟移相的器件，如延迟线等）形成的闸门和比对信号构成群同步关系，消除了测量中的量化误差，提高了测量精度，且被测频率 $f_2=f_1\frac{N_2}{N_1}.$

本发明通过重合检测分辨率的稳定性来提高测量精度。通过延迟移相的途径获得模糊区的边沿，并以此出现的信号构成测量门时提高分辨率。当信号间频率关系简单时，单调的相位变化会串行地形成检测的模糊区；但是信号间频率关系复杂时，通过延迟移相等手段也会并行地形成多个检测的模糊区，通过延迟移相后，原先的处于模糊区边沿的相位关系，进入了相位重合检测区；或者完全相反。这两种状况的模糊区边沿的利用，都有助于高分辨率的测量。

本发明通过有效的相位重合检测技术，建立起来的计数闸门，实现了量化误差的消除和高分辨率宽范围的频率测量。

边沿效应的应用会带来特殊的优点，包括大幅度地提高测量和处理的精度及分辨率，高分辨率的稳定度分析，快响应时间的噪声分析等。一些在通常情况下难以实现的测量目标和精度通过边沿效应的利用可以获得解决。这样针对相互关系复杂的比对对象，即使没有直接生成的集中的模糊区，也可以通过延迟、参数补偿等途径形成多处局部的集中的模糊区。对他们边沿效应的综合利用可以获得高精度等多方面优良的效果。

附图说明

图1是本发明提供的相位重合检测中的模糊区的边沿获得框图。

图2是本发明提供的典型的并行模糊区边沿的获得的波形示意图。

图3是本发明提供的针对典型的边沿效应的示意图。

图4是本发明提供的新型相位重合点脉冲产生电路。

具体实施方式

测量的分辨率普遍存在于各种对象的测量之中。传统的认识已经以此分辨率作为限制测量精度的关键。以对相位处理问题为例来进行说明，若采用TTL电平的电路，线路开关速度的限制使得其重合检测的分辨率只能达到2ns。也就是在两个比对信号间的相位差小于2ns的情况下线路都会输出代表相位重合的脉冲信号。分辨率问题导致了在两个比对信号或者目标之间形成了测量或处理的模糊区，在判决性测量中凡是进入模糊区的信号间的比对结果都会给出一个基本一致的”检出"结果，而在此区域之外则不会有信息被检出。“检出”信号的位置常常就带有要测量的信息。如果信号间的对应特征分布连续并且小于装置分辨率的状况很集中，会形成一个模糊区。在模糊区的边沿虽然检测的分辨率并不高，但是会由于检测分辨率在边沿处的稳定性和变化的微细程度会把比对信号间的相当微细的变化区分出来。

在模糊区构成问题上除了简单地已经存在的集中重合检出信息区域外还能够就更一般的相位变化状况，通过延迟移相等途径获得离散状况下的模糊区的“边沿”信息。并且对此边沿重复出现的信息组成测量门时，能够保证高分辨率的效果。两个比对信号之间的变化并不规律，相位重合点的出现是随机的，模糊区不集中很分散；频率关系简单时，在一个最小公倍数周期内，两信号的相位差明显具有规律，即相位差从大到小单调的变化，这就使得模糊区集中在一起。在利用仪器进行相位重合点检测的时候，由于精度和噪声的限制实际检测出来的重合点有可能并不是真正的重合点，存在误差。如果控制实际闸门的两个重合点处的误差能够一样，则可以大致上消除误差的影响，从而大幅度提高测量精度，在一个最小公倍数周期内同一个位置处开门和关门，尽管开门和关门都存在一定的误差，但是由于线路的稳定性，可以获得很高的测量精度。其精确度决定于重合检测线路分辨率的精确度，通常线路分辨率精度能够达到ns（10^-9），而利用检测线路分辨率的稳定性，测量分辨率能够可以达到10^-12。所以可以通过重合检测分辨率的稳定性来提高测量精度。如图1所示，通过延迟移相的途径获得模糊区的边沿，并对此出现的信号构成测量门时的开、关信号提高分辨率。

边沿效应的大量进一步实验说明了这个效应具有适应于不同物理量测量的重要价值。信号间频率关系简单时，单调的相位变化会串行地形成检测的模糊区；但是信号间频率关系复杂时，通过延迟移相等手段也会并行地形成多个检测的模糊区。

为了建立模糊区并且有一个可利用的边沿效应，本发明是这样实现的：采用了两个并行的重合检测线路并且通过延迟移相的方法使得两路信号在重合检测时有附加的微小相位差增量。这样就会使得一路信号原来处于检测的模糊区的边沿的某一个或几个重合态会由于相位差的增大而跑出边沿区之外。通过图1中并行的边沿效应的线路使得这种出现重合检测差异的边沿状态被选择作为计数测量的闸门的开启和关闭控制。这样闸门的开和关都处于两个信号间的相同相位状况，这也保证了量化误差最大限度的消除。如图3所示，这里为了获得模糊区的边沿信息，两路重合检测线路的输出分辨反相和延迟。反相的目的是为了把发生重合检测信息丢失的边沿位置的信息检出，而对应的一路延迟则是为了抵消反相器的延迟。

关于延迟值的选择，由于信号间相位关系的多样性可能的模糊区的宽度也会不一样。延迟值的大小要使得在一个最小公倍数周期内处于并行的模糊区边沿的重合态能够在延迟后被丢失。

图2并行的边沿效应波形图很好地说明了工作的过程。由于对被测信号的延迟移相，原来处于相位重合检测分辨率限制形成的被捕捉重合信息模糊区的边沿的检出脉冲信号，就会因为处于检测模糊区的边沿的临界位置因为被测信号的延迟移相，相位差值增加而被处于模糊区的外侧，用这样的方法获得的闸门开启和关闭信号保证了信号间完全相同的相位状态，也就是得到了更严格的相位群的同步状态，能够最大限度地抑制测量中的量化误差，具体计算公式如下：

设参考信号为f₁，被测信号为f₂，计数值分别为N₁,N₂，信号通过延迟逻辑形成的闸门和比对信号构成群同步关系，消除了测量中的量化误差，提高了测量精度，且被测频率

结合框图1和波形图2我们看到了，由于对f₂信号的延迟移相，原来处于相位重合检测分辨率限制形成的被捕捉重合信息模糊区的边沿的检出脉冲信号，如图2中上半部的重合检出信号脉冲的行的第二个,就会因为处于检测模糊区的边沿的临界位置因为f₂信号的延迟移相,相位差值增加而被处于模糊区的外侧。这就出现了在图2的下半部，重合检出信号脉冲的行的第二个被丢失掉。用框图的方法，这个信息是最容易捕捉的。而所谓最严格重合的信息，如重合检出信号脉冲的行的第一个则是掩盖在所有检出信息中难以获得。以这样的方法获得的“变化”信息产生的闸门开启和关闭信号保证了信号间完全相同的相位状态，也就是得到了更严格的相位群的同步状态。能够最大限度地抑制测量中的量化误差。

综上所述，在FPGA片内设计出的相位重合检测电路如图4所示。

首先，频率信号通过一个非门延迟和与门得到与输入方波信号同频的窄脉冲信号，然后，将两路信号的脉冲信号通过一个与门，用这样的方法找重合点，在两路信号脉冲同时出现时，此时就可以认为两路信号的上升沿重合，两路信号相与就不是低电平，而是在输出端会得到一个窄脉冲，这就是相位重合脉冲。

可调的延迟单元的作用是使得波形的脉冲宽度可调节，脉冲宽度被调到适合的宽度之时，也就是测量结果达到最准确度之时。最合适的脉冲宽度就是在调节频率值时频率值不能被测量的瞬间产生的。在电路中加入一个D触发器，这样可以减少一半的重合点数目，对于计算和实验都更加有利。如图4所示，当参考信号f₀和被测信号f_x发生相位重合后的信号输入给D触发器，在f₀的上升沿时对f_x进行采样，可以保证f_x的上升沿在每次相位重合时总是落后于f₀的上升沿，D触发器的反相端连接到下一级的与门，也就是相位差是以f₀为参考的，可以确保相位差的“单行性”。

根据我们前面的工作，可以看到最有利于边沿效应应用的条件就是两个比对的对象之间存在着一个集中的测量模糊区。为此，比对的参数之间连续的单调变化特征是其中的一个重要的特性。因为这样才能使得小于因为检测分辨率的数值集中在一起成了具有边沿的模糊区。通常，准确的被测量值应该在模糊区的中心位置。但是在更广泛的情况下，没有误差的这一点是很难得到的。

上述关于具有边沿的模糊区的表现实质上是串行特征的模糊区的边沿状况和效应，在广泛的比对、测量中这种情况毕竟并不多。针对类似于图2状况的相位差情况的分布，从串行特征的表现是不会有集中的有边沿的模糊区的。此时通过对信号间的一路进行微小的延迟移相，就会使得在众多的相位差的状况中原来处于最小公倍数周期中离散状况下的重合检测分辨率边沿的特定相位差值由原来勉强能够检出相位重合信息的情况演变成为因为相位差值的增加而丢失相位重合信息。这种延迟移相导致相位重合信息的反转说明了原来信号间处于确定的某一并行的模糊区的边沿状态。即使信号间的相位状况再复杂，由于确知了并行的模糊区的边沿并以这样的信息构成测量闸门的开、关控制，因此测量的分辨率和有集中模糊区的情况下借助于边沿效应获得的精度是相同的。

同样，在宽范围的频率测量中即使从总体上模糊区并不集中但是通过移相仍然可以分析局部的动态处理所产生的多个小模糊区的比较、处理的问题。在原有的信号间的相位关系下通过微小的移相，会造成部分离散的信号关系之间出现多个局部的模糊区。由于动态调整的原因，也会产生对应的模糊区的边缘。所以照样也会因为这样的边沿效应的出现而获得极高的精度。这要在器件分辨率的限制下，发挥其高稳定度，能够抓住可以重复利用的特定的、一致性等性能很好的相位数值。这里需要处理、分析的、甚至包括补偿的工作是必须做好的。这里要针对信号间的量化相位差的步进值来考虑“动态-移相”的程度问题。

Claims (4)

1.一种基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法，其特征在于，确定测量的模糊区及其边沿，尽量获得单调的测量对象参数的变化，当信号间频率关系简单时，单调的相位变化会串行地形成检测的模糊区；当信号间频率关系复杂时，通过延迟移相会并行地形成多个检测的模糊区，通过延迟移相后，原先的处于模糊区边沿外的相位差关系，会进入相位重合检测区；或者反过来，原先的处于模糊区边沿内的相位差关系，会移出相位重合检测区；用这样的信息构成测量的闸门时间进行并行的频率和周期性信号测量，可以大大提高测量的分辨率。

2.如权利要求1所述的基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法，其特征在于，为了建立模糊区并且有一个可利用的边沿效应，本发明是这样实现的：采用了两个并行的重合检测线路并且通过对一路信号在重合检测前延迟移相的方法使得两路信号在重合检测时有附加的微小相位差增量，这样就会使得一路信号原来处于检测的模糊区的边沿的某一个或几个重合态会由于相位差的增大而跑出边沿区之外，这种出现重合检测差异的边沿状态被选择作为计数测量的闸门的开启和关闭控制，这样闸门的开启和关闭都处于两个信号间的相同相位状况，保证了量化误差最大限度的消除。

3.如权利要求2所述的基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法，其特征在于：延迟移相值的大小要使得在一个最小公倍数周期内处于并行的模糊区边沿的重合态能够在延迟后被丢失。

4.如权利要求2所述的基于边沿效应的并行的频率和周期性信号参数测量方法，其特征在于，由于对被测信号的延迟移相，原来处于相位重合检测分辨率限制形成的被捕捉重合信息模糊区的边沿的检出脉冲信号，就会因为处于检测模糊区的边沿的临界位置因为被测信号的延迟移相，相位差值增加而被处于模糊区的外侧，用这样的方法获得的闸门开启和关闭信号保证了信号间完全相同的相位状态，也就是得到了更严格的相位群的同步状态，能够最大限度地抑制测量中的量化误差，具体计算公式如下：

设参考信号为f₁，被测信号为f₂，计数值分别为N₁,N₂，信号通过延迟逻辑形成的闸门和比对信号构成群同步关系，消除了测量中的量化误差，提高了测量精度，且被测频率

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