CN105182069A - 一种异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，包括以下步骤：A：将参考信号和被测信号经信号处理系统处理后同时输入相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器；B：对输入的参考信号和被测信号进行相位量子化累积，将输出信号传输至数据选择器；C：利用数据选择器输出相位对比最终结果并获取比对信号的最大公因子周期和群量子化，并将输出信号传输至实时测量闸门产生电路；D：对群量子化的相位进行检测，并将结果传输至时频多参数测量系统；E：利用时频多参数测量系统完成对被测信号的多项参数测量。本发明能够在射频范围内无需频率合成与变换便可完成任意频率信号间宽频、快速及高分辨率的时频多参数测量和比对。

Description

一种异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法

技术领域

本发明涉及一种相位处理方法，尤其涉及一种异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法。

背景技术

相位处理是当今精密测量物理领域的研究热点，它具有极高的测量分辨率，在高精度时频传输与比对、相位噪声测量及抑制、新型高精度原子频标及其信号处理和补偿中具有重要作用。目前国外常用的相位处理方法通常是建立在时间间隔基础上的相位差测量方法，比较典型的主要有时间间隔计数法、时间-数字转换法、相位比对法和双混频时差法等。时间间隔计数法具有宽范围、高线性度和低成本的优点，但受限于填充脉冲频率，可实现优于1纳秒的测量分辨率；时间-数字转换法具有大的测量动态范围且易于集成，但分辨率受限于转换的速率和数字信号的位数；相位比对法具有较高的精度，但只能针对两个频率相同的信号，在高的比相频率下非线性严重，通常应用在0.1MHz以下的低频率范围；双混频时差法是目前国际上普遍采用的高分辨率相位差测量方法，可获得皮秒级的测量分辨率，但测量精度提高受限，主要用于短稳和相位差变化量的测量。近年来，随着航空航天、卫星导航、精密测距、空间定位、现代授时、科学计量、雷达测控等高科技领域的迅速发展，我国学者对相位处理也做了比较深入的研究并取得了多项研究成果。中国科学院国家授时中心(NTSC)时频基准实验室长期采用美国StanfordResearchSystem公司生产的SR-620时间间隔计数器进行两个时间信号之间的相位比对，同时研制了性能不低于国外的双混频器时差测量系统。NTSC为了提高我国的授时精度，还进口了德国TimeTeeh公司生产的基于双混频时差测量原理的多通道相位比较仪PCOMP，将相位处理的测量分辨率提高了若干个数量级。

国内学者在沿用和跟踪国外相位处理方法的同时，也着重发展了用于信号直接比对的异频相位处理方法。针对异频信号间的相位关系，在标称比对频率的基础上提出了最大公因子频率、最小公倍周期及等效鉴相频率的概念，借助相位重合检测方法消除了传统相位处理中所普遍存在的±1个字的计数误差，获得了优于纳秒的测量分辨率；针对异频信号间相位差的变化规律，在考虑相对频偏存在的情况下提出了群周期相位比对方法，开辟了异频相位处理的新思路，使分辨率提高到了皮秒量级；针对异频信号间的相位群处理问题，建立了群相位量子的概念，分析了群相位量子的物理特性，探索了群相位量子的量化步进规律，在宽频率范围内获得了优于皮秒量级的测量分辨率；提出了相位群同步的概念，建立异频率信号之间的精密频率链接，实现了异频信号之间的高精度传输，获得了优于阿秒的测量不确定度。

尽管如此，由于国内在精密频率源尤其是高精度原子频标技术方面与国外有一定差距，虽然不断跟踪国外的先进相位处理技术并对异频相位处理进行了深入研究，但总体上还不能满足高分辨率相位处理的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，能够在射频范围内无需频率合成与变换便可完成任意频率信号间宽频、快速及高分辨率的时频多参数测量和比对。

本发明采用下述技术方案：

一种异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，包括以下步骤：

A：以高稳定信号作为参考信号，以射频范围内的任意频率信号作为被测信号，将参考信号和被测信号经信号处理系统进行处理后同时输入相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器；

其中，高稳定信号是指短期频率稳定度大于E-12/s量级的频率源信号；相位量子化模糊区产生电路由放大器、延迟器、门电路、触发器和选择器组成，通过异频群量子化鉴相电路实现；

B：利用相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器组成的电路对输入的参考信号和被测信号进行相位量子化累积，然后将相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器的输出信号分别传输至数据选择器；

C：利用数据选择器输出相位对比的最终结果，并以输出的相位对比的最终结果获取比对信号的最大公因子周期T_maxc＝(T₀,T_x)和群量子化P_gq＝(1+2+3+……)T_maxc；然后将数据选择器的输出信号传输至实时测量闸门产生电路；

其中，最大公因子周期T_maxc＝(T₀,T_x)中，下标max表示最大，下标c为common首字母，表示公共；T₀表示高稳定信号的周期，T_x表示被测频率信号的周期；群量子化P_gq＝(1+2+3+……)T_maxc中，下标g为group的首字母，表示群，下标q为quantization的首字母，表示量子化；

D：利用实时测量闸门产生电路对群量子化的相位进行检测，将产生的测量闸门的开、关信号传输至时频多参数测量系统；同时，利用计数器产生相位波动性测量结果，并将产生的相位波动性测量结果作为被测信号频率稳定度测量的时域数据，传输至时频多参数测量系统；

E：利用时频多参数测量系统的相位噪声测量模块、相位差测量模块、频标比对测量模块、相位同步测量模块以及时频传递测量模块分别完成对被测信号的相位噪声测量、频率测量、相位差测量、频标比对测量、相位同步测量以及时频传递精度测量，并将最后的测量结果通过显示装置进行显示。

所述的A步骤中，高稳定信号采用VCH-1003M型主动型氢原子频标输出信号。

所述的A步骤中，信号处理系统包括带通滤波器、电压幅度转换器、施密特触发器以及功率放大器。

所述的C步骤中，在利用数据选择器输出相位对比最终结果时，当相位量子化模糊区产生电路输出的结果为模糊区时，数据选择器自动选择高电平“1”进行输出；当相位量子化模糊区产生电路输出的结果没有产生模糊区时，数据选择器自动选择低电平“0”不输出。

所述的B步骤中，数据选择器采用74LS157数据选择器。

本发明以实际频率信号间的相位关系为分析基础，借助群量子化及群量子化的相位变化规律进行高分辨率相位处理，从原理上突破传统相位处理方法中须同频鉴相的限制以及异频相位比对中须以标称频率为基础的局限，在射频范围内无需频率合成与变换便可完成任意频率信号间宽频、快速及高分辨率的时频多参数测量和比对。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

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：

A：以高稳定信号作为参考信号，以射频范围内的任意频率信号作为被测信号，将参考信号和被测信号经信号处理系统进行处理后同时输入相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器；

高稳定信号是指短期频率稳定度大于E-12/s量级的频率源信号。由于时频多参数的测量分辨率主要由参考信号与被测信号的稳定频率关系决定，因此本发明中，高稳定信号采用VCH-1003M型氢原子频标输出信号；VCH-1003M型氢原子频标信号是世界上已知稳定度最好的信号。

信号处理系统包括带通滤波器、电压幅度转换器、施密特触发器以及功率放大器，信号处理系统能够对参考信号和被测信号进行滤波、电压幅度转换、整形及放大一系列变换和处理，然后同时输入相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器。

相位量子化模糊区是指不能被检测电路识别的所有相位差的相位量子化总和。相位量子化模糊区的宽度取决于检测电路的识别能力，当检测电路稳定时，相位量子化模糊区的大小基本不变。相位量子化模糊区产生电路由放大器、延迟器、门电路、触发器和选择器组成，通过异频群量子化鉴相电路实现，相位量子化模糊区产生电路的实现属于现有技术，在此不再赘述。

B：利用异频群量子化的相位变化规律，通过相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器组成的电路对输入的参考信号和被测信号进行相位量子化累积，即对每一个群量子化的相位进行自动叠加，然后将相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器的输出信号分别传输至数据选择器。

本发明中，数据选择器可采用74LS157数据选择器。

C：利用数据选择器输出相位对比最终结果，即将数据选择器的选通端与前级的相位量子化模糊区产生电路的输出端相连接，当相位量子化模糊区产生电路输出的结果为模糊区时自动选择高电平“1”进行输出，当相位量子化模糊区产生电路输出的结果没有产生模糊区时自动选择低电平“0”不输出，以此获取比对信号的最大公因子周期T_maxc＝(T₀,T_x)和群量子化P_gq＝(1+2+3+……)T_maxc；然后将数据选择器的输出信号传输至实时测量闸门产生电路。

最大公因子周期T_maxc＝(T₀,T_x)中，下标max表示最大，下标c为common首字母，表示公共；T₀表示高稳定信号的周期，本实施例中为氢原子频标输出频率信号的周期，T_x表示被测频率信号的周期；利用获取到的最大公因子周期可以产生群量子化相位处理的超高测量分辨率；群量子化P_gq＝(1+2+3+……)T_maxc中，下标g为group的首字母，表示群，下标q为quantization的首字母，表示量子化，利用获取的群量子化能够保证获取到高可靠性测量结果。

D：利用实时测量闸门产生电路对群量子化的相位进行检测，将产生的测量闸门的开、关信号传输至时频多参数测量系统；同时，利用计数器产生相位波动性测量结果，并将产生的相位波动性测量结果作为被测信号频率稳定度测量的时域数据，并传输至时频多参数测量系统；

实时测量闸门产生电路为现有电路，本发明中利用异频群量子化鉴相方法获取开门和关门信号，能够大幅度提高获得的测量精度和分辨率。

由于现有技术中相位波动性测量主要针对相位差的变化，因此无法获得群量子化的相位，也无法作为频率稳定度测量的时域数据。因此，本发明中，相位波动性测量通过计数器来完成，即通过计数器完成对群量子化相位的大小测量，并将产生的群量子化的相位波动性测量结果作为被测信号频率稳定度测量的时域数据，完成被测信号频率稳定度的检测。

E：将被测信号频率稳定度测量的时域数据传递到时频多参数测量系统，利用时频多参数测量系统的相位噪声测量模块、相位差测量模块、频标比对测量模块、相位同步测量模块以及时频传递测量模块完成对被测信号的相位噪声测量、相位差测量、频标比对测量、相位同步测量以及时频传递精度测量，并将最后的测量结果通过显示装置进行显示。

本发明不同于现有的国内外技术，以实际频率的参考信号和被测信号间的相位关系为分析基础，借助群量子化概念及群量子化的相位变化规律进行高分辨率相位处理，从原理上突破传统相位处理方法中须同频鉴相的限制以及异频相位比对中须以标称频率为基础的局限，在射频范围内无需频率合成与变换便可完成任意频率信号间宽频、快速及高分辨率的时频多参数测量、比对及控制。

本发明所述的异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，不仅在频率测量、频标比对以及相位噪声测量，尤其是对精密频率源的单边带相噪测量方面具有广泛的应用前景，而且还为使用各种精密晶体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、时频测控、精密授时、雷达、天文及其它高科技领域提供对其关键的相位处理、测量、比对、控制和同步检测方面的理论指导和技术支持。

Claims (5)

1.一种异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：以高稳定信号作为参考信号，以射频范围内的任意频率信号作为被测信号，将参考信号和被测信号经信号处理系统进行处理后同时输入相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器；

其中，高稳定信号是指短期频率稳定度大于E-12/s量级的频率源信号；相位量子化模糊区产生电路由放大器、延迟器、门电路、触发器和选择器组成，通过异频群量子化鉴相电路实现；

B：利用相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器组成的电路对输入的参考信号和被测信号进行相位量子化累积，然后将相位量子化模糊区产生电路和双稳态触发器的输出信号分别传输至数据选择器；

C：利用数据选择器输出相位对比最终结果，并以输出的相位对比最终结果获取比对信号的最大公因子周期T_maxc＝(T₀,T_x)和群量子化P_gq＝(1+2+3+……)T_maxc；然后将数据选择器的输出信号传输至实时测量闸门产生电路；

其中，最大公因子周期T_maxc＝(T₀,T_x)中，下标max表示最大，下标c为common首字母，表示公共；T₀表示高稳定信号的周期，T_x表示被测频率信号的周期；群量子化P_gq＝(1+2+3+……)T_maxc中，下标g为group的首字母，表示群，下标q为quantization的首字母，表示量子化；

D：利用实时测量闸门产生电路对群量子化的相位进行检测，将产生的测量闸门的开、关信号传输至时频多参数测量系统；同时，利用计数器产生相位波动性测量结果，并将产生的相位波动性测量结果作为被测信号频率稳定度测量的时域数据，传输至时频多参数测量系统；

E：利用时频多参数测量系统的相位噪声测量模块、相位差测量模块、频标比对测量模块、相位同步测量模块以及时频传递测量模块完成对被测信号的相位噪声测量、相位差测量、频标比对测量、相位同步测量以及时频传递精度测量，并将最后的测量结果通过显示装置进行显示。

2.根据权利要求1所述的异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，其特征在于：所述的A步骤中，高稳定信号采用VCH-1003M型氢原子频标输出信号。

3.根据权利要求1所述的异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，其特征在于：所述的A步骤中，信号处理系统包括带通滤波器、电压幅度转换器、施密特触发器以及功率放大器。

4.根据权利要求1所述的异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，其特征在于：所述的C步骤中，在利用数据选择器输出相位对比最终结果时，当相位量子化模糊区产生电路输出的结果为模糊区时，数据选择器自动选择高电平“1”进行输出；当相位量子化模糊区产生电路输出的结果没有产生模糊区时，数据选择器自动选择低电平“0”不输出。

5.根据权利要求1所述的异频架构下的高分辨群量子化相位处理方法，其特征在于：所述的B步骤中，数据选择器采用74LS157数据选择器。