CN105021904B - 一种基于dds移相技术的快速相位噪声测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统，包括依次连接的信号源模块、鉴相模糊区模块、数据采集模块、低相噪DDS控制模块、频率稳定度测量模块和频谱分析模块。本发明能够利用异频信号间的等效鉴相频率，使任意频率信号不经频率合成和变换就能完成相互间的相位比对，从而快速准确地完成相位噪声测量。

Description

一种基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种相位噪声测量系统及方法，尤其涉及一种基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统及测量方法。

背景技术

随着航空航天、导航定位、深空探测、原子频标及其它高科技领域的迅速发展，对标准信号（如时间基准、通讯载波等）使用的高精密频率源，尤其是对频率源的相位噪声指标提出了更高要求。目前，相位处理和相位噪声测量主要用于通信、计量、电子工程、导航设备、仪器仪表等领域以完成对频率源高精度单边带相位噪声的测量。其中，相位处理方法仍采用传统的相位处理方法，相位噪声测量设备基本上从国外进口。这些相位噪声测量设备不但价格昂贵，而且使用起来极不方便。现有的高精度相位噪声测量方法主要有检相法、鉴频法、差拍法、直接频谱分析法、锁相处理法及高速AD转换法等。

1.检相法。检相法又称零拍法，利用相位检波器将信号的相位起伏变换为电压起伏，由频谱仪测量相位起伏谱密度，再由相位起伏谱密度在小角度条件下，计算得到单边带相位噪声。但检相法中的参考信号必须根据被测信号选择相等的频率且相位噪声必须远远小于被测源的相位噪声；检相法中使用到的测量装置庞大，不利于工程测试；同时由于参考源的限制，使相位噪声测量系统无法充分发挥其效用。

2.鉴频法。鉴频法又称无源法，利用鉴频器将被测源的频率起伏变换为电压起伏，由频谱分析仪测量频率起伏谱密度，再由频率起伏谱密度换算成相位起伏谱密度，然后由相位起伏谱密度在小角度条件下，计算得到单边带相位噪声。该方法存在近载频灵敏度较低，仅适用于频率稳定度较差的频率源和压控晶体振荡器等的测试的缺点。

3.直接频谱分析法。直接频谱分析法是指直接利用频谱分析仪测量单边带相位噪声，但其测量范围有限，测量误差大，只适用于测量漂移较小且相位噪声相对较高的信号源，不能用于频谱纯净的源。

4.锁相处理法。锁相处理法就是利用被测源把一个同频率的高精密参考源相位锁定，在抑制载频的情况下，从锁相电压中提取被测源放大了的相位噪声信息。由于高精度晶体振荡器的相位噪声指标很高，若对它直接测量是很困难的，所以需要把噪声的影响放大到一定程度才能实现测量。

5.高速AD采样法。高速AD采样法是一种直接数字化相位噪声测量方法，在测量系统中采用高速、高精度的AD转换器，通过直接对被测信号进行采样，再经过先进的数字信号处理技术来测量被测信号的相位噪声，然后对测量结果进行频谱分析，通过加入相关算法直接生成相位噪声曲线。但是相位噪声测量系统受AD取样速率的限制；测量输入频率的带宽较窄；在测量高稳定度晶体振荡器时受底部的限制等。

综上，现有的高精度相位噪声测量方法中，无论采用锁相处理的方法或是通过线路改进或算法优化都是建立在同频信号的基础之上，有频率差别的信号只能通过频率变换的方法才能进行处理。如果想在宽频率范围内完成测量中所必须的相位处理就必须结合使用高精度的频率合成器。尽管国内外在这方面技术的研究取得了不少成绩，但从总体上说仍存在诸多问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统及测量方法，能够利用异频信号间的等效鉴相频率，使任意频率信号不经频率合成和变换就能完成相互间的相位比对，从而快速准确地完成相位噪声测量。

本发明采用下述技术方案：

一种基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统，包括依次连接的信号源模块、鉴相模糊区模块、数据采集模块、低相噪DDS控制模块、频率稳定度测量模块和频谱分析模块；

所述的信号源模块用于产生被测相位噪声信号，并将产生的被测相位噪声信号输送至鉴相模糊区模块；

所述的鉴相模糊区模块用于对输入被测相位噪声信号进行异频群量子化鉴相从而获得模糊区；

所述的数据采集模块用于对模糊区内的相位差进行采集，并对采集的相位差信息进行平均处理，产生固定的闸门开关值，并将产生的闸门开关值输送至低相噪DDS控制模块；

所述的低相噪DDS控制模块用于对接收到的闸门开关值进行低相噪DDS控制，并对闸门触发脉冲相位进行移相，获取小于闸门触发脉冲宽度的脉冲和持续恒定性的触发脉冲；小于闸门触发脉冲宽度的脉冲即为极窄闸门脉冲，并将获取的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲输送至频率稳定度测量模块；

所述的频率稳定度测量模块用于对接收到的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲进行频率稳定度测量，并将频率稳定度测量结果输送至频谱分析模块；

所述的频谱分析模块用于对接收到的频率稳定度测量结果进行频谱分析，并显示相位噪声测量数据。

所述的鉴相模糊区模块通过异频群量子化器产生被测相位噪声信号的相位量子化和群量子化，异频群量子化器采用D触发器。

所述的频谱分析模块采用频率分析仪。

一种基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统的测量方法，包括以下步骤：

A：利用信号源模块产生被测相位噪声信号，并将产生的被测相位噪声信号输送至鉴相模糊区模块；

B：利用鉴相模糊区模块对输入被测相位噪声信号进行异频群量子化鉴相从而获得模糊区；

C：利用数据采集模块对模糊区内的相位差进行采集，并对采集的相位差信息进行平均处理，产生固定的闸门开关值，并将产生的闸门开关值输送至低相噪DDS控制模块；

D：利用低相噪DDS控制模块对接收到的闸门开关值进行低相噪DDS控制，并对闸门触发脉冲相位进行移相，获取小于闸门触发脉冲宽度的脉冲和持续恒定性的触发脉冲；小于闸门触发脉冲宽度的脉冲即为极窄闸门脉冲，并将获取的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲输送至频率稳定度测量模块；

E：利用频率稳定度测量模块对接收到的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲进行频率稳定度测量，并将频率稳定度测量结果输送至频谱分析模块；

F：利用频谱分析模块对接收到的频率稳定度测量结果进行频谱分析，并显示相位噪声测量数据。

所述的步骤A中，利用信号源模块对被测相位噪声信号依次进行滤波、电压变换和模拟信号处理，将测相位噪声信号转换为数字信号，并对数字信号实现电平标准转换，以产生驱动后级电路的电压。

所述的步骤C中，根据群量子化的大小，采用高频率时钟信号脉冲对模糊区内的相位差进行多周期采样，并对每个周期的相位差采样信息进行脉冲平均处理，最终获得触发计数闸门开启的脉冲信息即闸门开关值。

所述的步骤E中，利用频率稳定度测量模块，对相邻极窄闸门脉冲内的数字化被测相位噪声信号进行计数，计算出被测相位噪声信号的实时频率，最终利用阿仑方差得出频率稳定度。

所述的步骤F中，利用频率分析仪器即直接频谱仪测量法，将频率稳定度测量结果进行频谱分析，直接获得相位噪声测量数据。

本发明基于异频群量子化特征的相位处理技术，利用异频信号间的群量子化并配合低相噪DDS移相方法，解决任意频率信号不经频率合成和变换就能完成被测信号的相位相位噪声快速测量问题，其系统性能指标可达到-172dBc的相位噪声本底。本发明不仅在相噪测量尤其是对信号源的单边带相噪测量方面具有广泛的应用前景，而且还为使用各种振荡器和原子频标的航空航天、导航定位、国防军工、仪器仪表、精密时频测控、雷达、天文及其它高科技领域提供对其关键的相位处理和相噪测量方面的技术支持。本发明不仅能够从原理上更新现有的相噪测量技术，而且还能够解决国际上束缚该领域进一步发展的一些重要难题，这对改善和提升我国在时频测控领域的整体技术水平和国际地位具有十分重要的战略意义。

附图说明

图1为本发明所述基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统的原理框图；

图2为本发明所述基于DDS移相技术的快速相位噪声测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：

如图1和图2所示，本发明所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统，包括依次连接的信号源模块、鉴相模糊区模块、数据采集模块、低相噪DDS控制模块、频率稳定度测量模块和频谱分析模块；

所述的信号源模块用于产生被测相位噪声信号，并将产生的被测相位噪声信号输送至鉴相模糊区模块；

信号源模块用于对被测相位噪声信号进行滤波、电压变换和模拟信号处理，将其转换为数字信号，并对数字信号实现电平标准转换，以产生驱动后级电路的电压。经过信号源模块的系列处理，最终产生出不影响相位大小的数字化被测相位噪声信号。滤波、电压变换、模拟信号处理可分别通过滤波电路、电压变换电路、模拟信号处理电路实现。

所述的鉴相模糊区模块用于对输入被测相位噪声信号进行异频群量子化鉴相从而获得模糊区；

鉴相模糊区模块通过异频群量子化器产生被测相位噪声信号的相位量子化和群量子化。由于系统的测量分辨率远高于检测电路的检测分辨率，所以被测相位噪声信号的群量子化通过相位比对时便产生鉴相模糊区。

异频群量子化器功能主要由D触发器实现。

所述的数据采集模块用于对模糊区内的相位差进行采集，并对采集的相位差信息进行平均处理，产生固定的闸门开关值，并将产生的闸门开关值输送至低相噪DDS控制模块；

模糊区是由多个不能被检测电路识别的脉冲组成，模糊区宽度由这些脉冲的相位差组成。根据群量子化的大小，采用高频率时钟信号脉冲对模糊区内的相位差进行多周期采样，并对每个周期的相位差采样信息进行脉冲平均处理，最终获得触发计数闸门开启的脉冲信息即闸门开关值。

所述的低相噪DDS控制模块用于对接收到的闸门开关值进行低相噪DDS控制，并对闸门触发脉冲相位进行移相，获取小于闸门触发脉冲宽度的脉冲和持续恒定性的触发脉冲；小于闸门触发脉冲宽度的脉冲即为极窄闸门脉冲，并将获取的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲输送至频率稳定度测量模块；

低相噪DDS控制模块用于控制移相单元，对闸门触发脉冲相位进行移相。移相单元的大小代表了相位延迟的分辨率，相位延迟的分辨率受低相噪DDS模块的控制。闸门触发脉冲经过移相后，其边沿脉冲幅度会降低，不能达到触发闸门开启的电压值，而其中间的脉冲可以触发闸门开启，因此通过对闸门触发脉冲移相，实际上使闸门触发脉冲的有效触发脉冲数减少了，即闸门触发脉冲的宽度变窄了。在低相噪DDS的控制下，经过连续的可调移相，最终可获得小于闸门触发脉冲宽度的脉冲即极窄闸门脉冲。

所述的频率稳定度测量模块用于对接收到的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲进行频率稳定度测量，并将频率稳定度测量结果输送至频谱分析模块；

频率稳定度测量模块主要采用软件处理的手段，对相邻极窄闸门脉冲内的数字化被测相位噪声信号进行计数，计算出被测相位噪声信号的实时频率，利用阿仑方差得出频率稳定度。

所述的频谱分析模块用于对接收到的频率稳定度测量结果进行频谱分析，并显示相位噪声测量数据。

频谱分析模块主要利用频率分析仪器即直接频谱仪测量法，将频率稳定度测量结果进行频谱分析，直接获得相位噪声测量数据。

如图2所示，本发明所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量方法，包括以下步骤：

A：利用信号源模块产生被测相位噪声信号，并将产生的被测相位噪声信号输送至鉴相模糊区模块；

B：利用鉴相模糊区模块对输入被测相位噪声信号进行异频群量子化鉴相从而获得模糊区；

C：利用数据采集模块对模糊区内的相位差进行采集，并对采集的相位差信息进行平均处理，产生固定的闸门开关值，并将产生的闸门开关值输送至低相噪DDS控制模块；

D：利用低相噪DDS控制模块对接收到的闸门开关值进行低相噪DDS控制，并对闸门触发脉冲相位进行移相，获取小于闸门触发脉冲宽度的脉冲和持续恒定性的触发脉冲；小于闸门触发脉冲宽度的脉冲即为极窄闸门脉冲，并将获取的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲输送至频率稳定度测量模块；

E：利用频率稳定度测量模块对接收到的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲进行频率稳定度测量，并将频率稳定度测量结果输送至频谱分析模块；

F：利用频谱分析模块对接收到的频率稳定度测量结果进行频谱分析，并显示相位噪声测量数据。

所述的步骤A中，利用信号源模块对被测相位噪声信号依次进行滤波、电压变换和模拟信号处理，将测相位噪声信号转换为数字信号，并对数字信号实现电平标准转换，以产生驱动后级电路的电压。

所述的步骤C中，根据群量子化的大小，采用高频率时钟信号脉冲对模糊区内的相位差进行多周期采样，并对每个周期的相位差采样信息进行脉冲平均处理，最终获得触发计数闸门开启的脉冲信息即闸门开关值。

本发明基于异频群量子化特征的相位处理技术，利用异频信号间的群量子化并配合低相噪DDS移相方法，解决任意频率信号不经频率合成和变换就能完成被测信号的相位相位噪声快速测量问题，其系统性能指标可达到-172dBc的相位噪声本底。本发明不仅在相噪测量尤其是对信号源的单边带相噪测量方面具有广泛的应用前景，而且还为使用各种振荡器和原子频标的航空航天、导航定位、国防军工、仪器仪表、精密时频测控、雷达、天文及其它高科技领域提供对其关键的相位处理和相噪测量方面的技术支持。本发明不仅能够从原理上更新现有的相噪测量技术，而且还能够解决国际上束缚该领域进一步发展的一些重要难题，这对改善和提升我国在时频测控领域的整体技术水平和国际地位具有十分重要的战略意义。

Claims (8)

1.一种基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统，其特征在于：包括依次连接的信号源模块、鉴相模糊区模块、数据采集模块、低相噪DDS控制模块、频率稳定度测量模块和频谱分析模块；

所述的信号源模块用于产生被测相位噪声信号，并将产生的被测相位噪声信号输送至鉴相模糊区模块；

所述的鉴相模糊区模块用于对输入被测相位噪声信号进行异频群量子化鉴相从而获得模糊区；

所述的数据采集模块用于对模糊区内的相位差进行采集，并对采集的相位差信息进行平均处理，产生固定的闸门开关值，并将产生的闸门开关值输送至低相噪DDS控制模块；

所述的低相噪DDS控制模块用于对接收到的闸门开关值进行低相噪DDS控制，并对闸门触发脉冲相位进行移相，获取小于闸门触发脉冲宽度的脉冲和持续恒定性的触发脉冲；小于闸门触发脉冲宽度的脉冲即为极窄闸门脉冲，并将获取的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲输送至频率稳定度测量模块；

所述的频率稳定度测量模块用于对接收到的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲进行频率稳定度测量，并将频率稳定度测量结果输送至频谱分析模块；

所述的频谱分析模块用于对接收到的频率稳定度测量结果进行频谱分析，并显示相位噪声测量数据。

2.根据权利要求1所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统，其特征在于：所述的鉴相模糊区模块通过异频群量子化器产生被测相位噪声信号的相位量子化和群量子化，异频群量子化器采用D触发器。

3.根据权利要求1所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统，其特征在于：所述的频谱分析模块采用频率分析仪。

4.一种利用权利要求1、2或3所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：利用信号源模块产生被测相位噪声信号，并将产生的被测相位噪声信号输送至鉴相模糊区模块；

B：利用鉴相模糊区模块对输入被测相位噪声信号进行异频群量子化鉴相从而获得模糊区；

C：利用数据采集模块对模糊区内的相位差进行采集，并对采集的相位差信息进行平均处理，产生固定的闸门开关值，并将产生的闸门开关值输送至低相噪DDS控制模块；

D：利用低相噪DDS控制模块对接收到的闸门开关值进行低相噪DDS控制，并对闸门触发脉冲相位进行移相，获取小于闸门触发脉冲宽度的脉冲和持续恒定性的触发脉冲；小于闸门触发脉冲宽度的脉冲即为极窄闸门脉冲，并将获取的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲输送至频率稳定度测量模块；

E：利用频率稳定度测量模块对接收到的极窄闸门脉冲宽度和持续恒定性的触发脉冲进行频率稳定度测量，并将频率稳定度测量结果输送至频谱分析模块；

F：利用频谱分析模块对接收到的频率稳定度测量结果进行频谱分析，并显示相位噪声测量数据。

5.根据权利要求4所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统的测量方法，其特征在于：所述的步骤A中，利用信号源模块对被测相位噪声信号依次进行滤波、电压变换和模拟信号处理，将测相位噪声信号转换为数字信号，并对数字信号实现电平标准转换，以产生驱动后级电路的电压。

6.根据权利要求4所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统的测量方法，其特征在于：所述的步骤C中，根据群量子化的大小，采用高频率时钟信号脉冲对模糊区内的相位差进行多周期采样，并对每个周期的相位差采样信息进行脉冲平均处理，最终获得触发计数闸门开启的脉冲信息即闸门开关值。

7.根据权利要求4所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统的测量方法，其特征在于：所述的步骤E中，利用频率稳定度测量模块，对相邻极窄闸门脉冲内的数字化被测相位噪声信号进行计数，计算出被测相位噪声信号的实时频率，最终利用阿仑方差得出频率稳定度。

8.根据权利要求4所述的基于DDS移相技术的快速相位噪声测量系统的测量方法，其特征在于：所述的步骤F中，利用频率分析仪器即直接频谱仪测量法，将频率稳定度测量结果进行频谱分析，直接获得相位噪声测量数据。