CN106302014A - 宽量程高精度的信号测量方法 - Google Patents

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Abstract

宽量程高精度的信号测量方法，涉及通信技术。本发明包括下述步骤：A、测量时间锁存信号：记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty；B、测量精细参考时间段Ttdc：测量Tx到Ty之间的时延，即为精细参考时间段Ttdc；C、计算被测信号进入时间Tx：Tx＝Tsys‑Ttdc；D、计算相位差；重复步骤A‑C，以两次测量得到的Tx值相减，即为相位差。本发明的测量方法不受测量范围的限制，达到宽量程测量的效果。

Description

宽量程高精度的信号测量方法
技术领域
本发明涉及通信技术。
背景技术
随着科学技术的持续发展，时间同步系统在越来越多的行业和领域得到广泛应用。例如，在通信行业，时间同步系统为通信系统中的各个节点或端设备提供同步时钟和时间信号，保证了通信系统的正常运行；在电力行业，时间同步系统主要为电厂电站提供统一的时间服务，确保各个监控或采集设备间的时间一致，便于监控和分析电网的运行状态。
时间同步系统通常是由多个同步节点设备组成的时间同步网络构成，各个节点设备都具备参考信号接收测量、校准设备时钟和时间，并输出时间和频率信号的功能。例如，当节点设备的信号参考源为卫星信号(GPS或北斗)时，通常采用设备的时钟测量从卫星信号接收的秒脉冲信号的频率来计算出时钟的频偏，通过调整设备时钟的输出频率，来达到与卫星信号的频率同步的目的；通过测量设备的秒脉冲信号与卫星的秒脉冲信号的相位差，来校准设备的秒脉冲信号，从而实现时间同步。可见，信号的相位和频率测量的准确度是影响时间同步设备的同步及授时精度的重要因素。测量的准确度越高，时间同步设备的同步速度越快和同步精度也越高；反之，测量的准确度低，时间同步设备的同步速度慢和同步精度低。
通常对信号的相位测量方法是采用时钟对信号间相位差的时间间隔进行计数，将计数结果乘以时钟的周期就得到相位差的测量结果。对信号的频率进行测量通常采用时钟来计算被测信号经历的周期数除以时间间隔的方法来实现。假设，参考信号两次间的时钟间隔计数为N，参考信号的周期为Tref，则测量得到的时钟的频率为当时钟的周期为Tclock，两个信号相位差的计数为N，则测量得到的相位差Tphase＝N·Tclock。测量的最大误差是时间间隔计数值N有±1个计算值的随机误差，即频率误差相位误差ΔTphase＝±Tclock。以100MHz时钟为例，参考信号的频率为1Hz，则测量得到的时钟频率的相对误差为10-8；相位误差为±10ns。
由上分析可知，常规的时钟计数测量方法会带来很大的误差。即使提高时钟的频率或增大参考信号的周期，对测量精度的提高有限，也难达到目前时间同步设备对参考源信号亚纳秒级的测量精度需求。
对于亚纳秒级的测量一般会采用专业芯片来实现，专业芯片工作稳定，具备自动校准功能，测量精度高。德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC‐GP22常应用于信号时延测量，测量分辨率可达22ps，测量范围为500ns到4ms。可见TDC‐GP22也存在应用缺陷，不能测量间隔小于500ns或大于4ms的信号。
作为一项现有技术，中国专利CN201210593724.2高精度相位和频率测量系统公开了一种相位和频率的测量方法，该方法利用FPGA对两路信号间的间隔用时钟进行粗计数，并将时间间隔的开始和结尾处生成两个内插脉冲，并将两个内插脉冲分别输出至积分式模拟延展电路，再通过计数测量延展电路返回的脉冲，最后结合充放电电路的参数比来计算得到开始和结尾的相位，从而计算得到比较精确的测量间隔。该方法采用双内插法与积分式模拟延展法，对时间间隔的测量分辨率理论能达到50ps，高于传统方法的测量分辨率。该方法采用时间扩展法的主要的缺点是非线性难以控制。由于利用电路充放电原理进行测量，模拟电路充放电过程中难以避免的存在非线性；而且也难以实现具有理想性的恒流源，实际应用中的恒流电路会受电压变化和稳定变化等环境因素的影响，所以非线性不易控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种对信号间隔的高精度测量，并能满足宽量程的应用需求的信号测量方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，宽量程高精度的信号测量方法，包括下述步骤：
A、测量时间锁存信号：记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty；
B、测量精细参考时间段Ttdc：测量Tx到Ty之间的时延，即为精细参考时间段Ttdc；
C、计算被测信号进入时间Tx：Tx＝Tsys-Ttdc；
D、计算相位差；重复步骤A-C，以两次测量得到的T1值相减，即为相位差。
所述系统时间为基于FPGA的周期性时钟。
对于多路信号，所述步骤D为：对第二路被测信号运用步骤A-C，得到第二路被测信号进入时间T2，T2与Tx的差值即为两路信号的相位差。
所述步骤A中，延时周期数N满足Tclock为系统时间的周期。
本发明的有益效果是，通过被测量信号锁存准确的系统时间，根据锁存时间的差运算即可得到两次或多次信号间的相位差(时延)数据；不同信号的锁存时间的差运算可得到不同信号间的相位差(时延)数据。可见该测量方法不受测量范围的限制，达到宽量程测量的效果。
本发明利用时钟获取被测量信号的上升沿，并在固定时钟周期后锁存系统时间，并结束TDC-GP22的测量，这样有效的保障来TDC-GP22测量的可靠性，从而保证来测量精度。针对被测信号所做的时延，已包含在TDC-GP22的测量数据中，通过数据的差运算后已从结果中扣除。
本发明利用TDC-GP22的测量功能实现来皮秒级的测量分辨率，提高了信号测量的准确度。TDC-GP22芯片是一种较为广泛应用的芯片，购买成本相对低，因此具有较低的硬件成本优势。
附图说明
图1是本发明的原理图。
图2是本发明的实施例的原理图。
图3是本发明的测量系统结构框图。
具体实施方式
参见图1。
本发明提出一种基于FPGA的时钟计数测量信号间隔的粗相位差，TDC-GP22测量信号的细相位差，从而实现对信号间隔的高精度测量，并能满足宽量程的应用需求。其中，粗相位差的测量采用时钟计数信号间间隔的个数，根据测量的时钟个数乘以时钟周期值可得到相差值；细相差的测量指测量信号的上升沿与时钟上升沿间的时间间隔，该测量值分辨率在皮秒级；根据粗相差值及高分辨率的细相差值，简单运算可得到被测信号间皮秒级精度的相差值。
本发明中为了解决测量的信号间的相位关系存在变化的问题，提出一种基于时钟运行一个系统时间，利用时钟监控被测信号的上升沿，根据被测信号的上升沿锁存当前系统时间得到被测信号的粗时间值，应用TDC-GP22测量被测信号的上升沿与时钟上升沿间的间隔得到细时间相位值，再根据初时间值减去细时间相位值，可得被测信号相对于系统时间精确的时间值。利用信号的时间值相减可得信号间高精度的相位差值。
本发明中为了解决TDC-GP22的可测区间有限的问题(测量范围500ns～4ms)，在利用时钟识别被测信号的上升沿锁存系统时间时，当识别出被测信号的上升沿后延时一定的时间(大于500ns)后才锁存系统时间，这样可以保证被测信号上升沿与时钟锁存信号间的间隔大于TDC-GP22测试的死区间500ns。
本发明针对TDC-GP22存在测量的死区间的问题，利用时钟将被测信号的上升沿与时间锁存信号间的间隔控制在死区间外，这样有效的避免来TDC-GP22的应用缺点来达到高精度广范围的应用需求。
本发明的方法如图1所示，系统中运行一个系统时间单元，系统的时钟周期为Tclock(Tclock>0)，系统时间单元每个时钟上升沿时刻输出的时间Tsys比上一时钟上升沿输出的时间多Tclock。将被测信号接入高精度测量芯片TDC-GP22的start管脚，将基于被测信号上升沿产生的时间锁存信号接TDC-GP22的stop管脚，TDC-GP22测量得到的精细部分的测量结果Ttdc。被测信号进入系统相对于系统准确的时间值Tn＝Tsys-Ttdc，进行两次测量，Tn+1-Tn为被测信号相邻两次的相位差值；在同一系统中同时对多个信号进行测量，信号间的时间值之差即为信号间的相位差值。
为了保证TDC-GP22的测量满足其测量范围的要求，将系统时钟识别出的被测信号上升沿延迟N(N为正整数)个时钟周期后产生时间锁存信号。时间锁存信号用于锁存系统时间，并同时作为TDC-GP22的测量结束信号。TDC-GP22测量的死区间为500ns，为了保证TDC-GP22的测量有效，锁存信号的延时周期数N需要满足
实施例：参见图2。
图2的系统时间周期为10ms，各步骤为：
A、测量时间锁存信号：记录被测信号上升沿时刻T1在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty，Ty为30ms；
B、测量精细参考时间段Ttdc：测量Tx到Ty之间的时延，即为精细参考时间段Ttdc＝30-14＝16ms；
C、计算被测信号进入时间Tx：Tx＝Tsys-Ttdc；
D、计算相位差；重复步骤A-C，以两次测量得到的T1值相减，即为相位差。
根据本发明所述的信号测量方法，设计出的一种信号测量系统如图3。
信号测量系统由高稳定时钟单元、FPGA单元和TDC-GP22应用单元构成，其中FPGA单元由系统时间运行单元模块、时间锁存信号模块、TDC_GP22控制单元模块和数据处理单元模块构成。
高稳定时钟单元主要由高稳恒温晶振或铷原子钟为核心器件，产生测量系统所需的时钟信号，TDC-GP22所需的工作时钟和校准时钟信号。为了提高时钟的准确度和稳定性，可利用如卫星接收的1PPS信号或高等级时钟系统输出的频率信号来实现对时钟的调整或驯服。
TDC-GP22应用单元主要由TDC-GP22测量芯片及其工作所需的外围电路组成。TDC-GP22的SPI接口提供对其控制及测量数据读取接口；start管脚是测试开始信号的控制管脚，stop管脚是测量结束的控制管脚；每次测量结束并可读取数据时，中断信号管脚产生中断信号。
FPGA单元的系统时间运行单元模块在时钟的驱动下进行系统时间的运行，并向其他模块输出时间，为测量信号提供时间戳信息。
时间锁存信号生成模块监测被测信号，通过时钟采集被测信号的上升沿，并在N个时钟周期后产生时间锁存信号用于锁存当前系统时间数据Tsys，并将该信号输出到TDC-GP22芯片的sotp管脚。其中N为系统参数，选取的依据是N个时钟周期的时延大于500ns，即保证TDC-GP22的start与stop信号的时间间隔大于500ns，满足最低测量范围需要。
TDC-GP22控制单元通过SPI总线实现对TDC-GP22芯片的工作状态监控，及其他测量所需的控制功能，并读取测量数据。
数据处理单元模块将锁存的系统时间减去TDC-GP22的测量数据得到被测信号到达测量系统的时间数据，并根据应用及设计需求将数据送到其他功能单元或做进一步的运算获取其他数据。

Claims (4)

1.宽量程高精度的信号测量方法，包括下述步骤：
A、测量时间锁存信号：记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty；
B、测量精细参考时间段Ttdc：测量Tx到Ty之间的时延，即为精细参考时间段Ttdc；
C、计算被测信号进入时间Tx：Tx＝Tsys-Ttdc；
D、计算相位差；重复步骤A-C，以两次测量得到的Tx值相减，即为相位差。
2.如权利要求1所述的宽量程高精度的信号测量方法，其特征在于，所述系统时间为基于FPGA的周期性时钟。
3.如权利要求1所述的宽量程高精度的信号测量方法，其特征在于，所述步骤D为：对第二路被测信号运用步骤A-C，得到第二路被测信号进入时间T2，T2与Tx的差值即为两路信号的相位差。
4.如权利要求1所述的宽量程高精度的信号测量方法，其特征在于，所述步骤A中，延时周期数N满足Tclock为系统时间的周期。
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