CN106908659A - 一种信号源稳定性测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号稳定性测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：归一化处理模块，用于根据参考频率和预设的需要分频的信号频率，获得分频数值；根据所述分频数值，获得采样时间信号；归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率；频率测量模块，用于根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值；稳定性计算模块，用于将所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；并对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量。解决了现有技术中采用相对频偏起伏的标准方差来测量信号源的稳定性的方法，存在准确性不高的技术问题。

Description

一种信号源稳定性测量系统及方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种信号源稳定性测量系统及方法。

背景技术

信号源的稳定性评价是是时频研究工作的一个重要方面，被广泛用于信号处理中。一般来说，组成信号源的各部件噪声引起的整机输出频率起伏是各态历经的，因此它可以用随机统计理论中的方差表征。

现有技术中，一般利用相对频偏起伏的标准方差来表征信号源的频率稳定度。若令f₀为信号源的平均频率，则在取样时间τ内，输出频率的相对频偏为：

然而，本申请发明人通过长期实践发现，现有技术中的上述方案存在如下技术问题：对于各类信号源输出信号而言，其输出频率的相对频偏起伏量y_τ(t)的大小与快慢受幂律谱噪声模型中所列的5种噪声的影响，并且当信号源输出频率中有α＝－1的闪烁调频噪声时，标准方差发散，即对长采样时间，标准方差的统计值不收敛，此外当系统预热间不同时，得出的信号漂移率是不同的。

可见，现有技术中的采用相对频偏起伏的标准方差来测量信号源的稳定性的方法，存在准确性不高的技术问题。

发明内容

本发明提供一种信号源稳定性测量系统及方法，用以解决现有技术中采用相对频偏起伏的标准方差来测量信号源的稳定性的方法，存在准确性不高的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种信号稳定性测量系统，所述测量系统包括：归一化处理模块、频率测量模块和稳定性计算模块，其中，

所述归一化处理模块，用于根据参考频率和预设的需要分频的信号频率，获得分频数值；根据所述分频数值，获得采样时间信号；归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率；

所述频率测量模块，用于根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值；

稳定性计算模块，用于将所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；并对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量。

可选的，所述归一化处理模块还用于：

将所述参考频率进行放大处理；

根据预设的采样时间和公式获得分频数值，其中，f₀为参考频率，f为需要分频的信号频率，D为分频数值。

可选的，所述归一化处理模块还用于：

根据所述被测信号，获得分频后的第一频率；

根据所述第一频率，获得所述被测信号的粗频率值；

根据所述粗频率值，获得标准1MHz信号频率。

可选的，所述频率测量模块还用于：

根据所述采样时间信号，获得被测信号的第一脉冲和参考时钟的第二脉冲；

根据所述第一脉冲、第二脉冲和所述参考频率，获得所述被测信号的频率值。

可选的，所述测量系统还包括：输出模块，用于输出所述测量结果。

基于同样的方法构思，本发明第二方面提供了一种信号稳定性测量方法，所述方法包括：

根据参考频率和预设的需要分频的信号频率，获得分频数值；

根据所述分频数值，获得采样时间信号；

归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率；

根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值；

将所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；

对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量。

可选的，所述根据参考频率和预设的需要分频的信号频率获得分频数值，包括：

将所述参考频率进行放大处理；

根据预设的采样时间和公式获得分频数值，其中，f₀为参考频率，f为需要分频的信号频率，D为分频数值。

可选的，所述归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率，包括：

根据所述被测信号，获得分频后的第一频率；

根据所述第一频率，获得所述被测信号的粗频率值；

根据所述粗频率值，获得标准1MHz信号频率。

可选的，所述根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值，包括：

根据所述采样时间信号，获得被测信号的第一脉冲和参考时钟的第二脉冲；

根据所述第一脉冲、第二脉冲和所述参考频率，获得所述被测信号的频率值。

可选的，所述方法还包括：输出所述测量结果。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的信号源稳定性测量系统及方法，通过归一化处理模块根据所述分频数值，获得采样时间信号，并对被测信号归一化处理获得标准1MHz信号频率；然后通过所述频率测量模块对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值，以此获得准确的被测信号的频率值，最后通过稳定性计算模块，对频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；并对所述稳定度值进行线形拟合，从而获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量，解决了解决现有技术中采用相对频偏起伏的标准方差来测量信号源的稳定性的方法，存在准确性不高的技术问题，可以准确获取被测信号的频率值，并提高被测信号稳定性测量的准确性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中信号源稳定性测量系统的逻辑结构示意图；

图2为图1中归一化模块的逻辑结构示意图；

图3为图2中被测信号的处理图；

图4为图1中频率测量模块的信号采集示意图；

图5为图1中频率测量模块的处理示意图；

图6为图1中稳定性计算模块的计算结果图。

图7为本发明实施例中信号源稳定性测量方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供本一种信号源稳定性测量系统及方法，解决了现有技术中采用相对频偏起伏的标准方差来测量信号源的稳定性的方法，存在准确性不高的技术问题。实现了信号源稳定性的准确测量。

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：

一种信号稳定性测量系统，所述测量系统包括：归一化处理模块、频率测量模块和稳定性计算模块，其中，所述归一化处理模块，用于根据参考频率和预设的需要分频的信号频率，获得分频数值；根据所述分频数值，获得采样时间信号；归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率；所述频率测量模块，用于根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值；稳定性计算模块，用于将所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；并对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量。

上述系统通过归一化处理模块，获得标准1MHz信号频率，并通过频率测量模块根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值，然后通过稳定性计算模块对所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；最后对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，从而对所述被测信号进行稳定性测量，由于利用稳定性计算模块对所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值，并对上述稳定度值进行线形拟合，从而可以获得准确的稳定性情况，解决了现有技术中采用相对频偏起伏的标准方差来测量信号源的稳定性的方法，存在准确性不高的技术问题，提高了被测信号稳定性测量的准确性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种信号稳定性测量系统，请参考图1，所述测量系统包括：归一化处理模块101、频率测量模块102和稳定性计算模块103，其中，

所述归一化处理模块101，用于根据参考频率和预设的需要分频的信号频率，获得分频数值；根据所述分频数值，获得采样时间信号；归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率；

所述频率测量模块102，用于根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值；

稳定性计算模块103，用于将所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；并对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量。

上述系统中，通过归一化处理模块获得标准1MHz信号频率，并通过频率测量模块根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值，然后通过稳定性计算模块对所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；最后对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，从而对所述被测信号进行稳定性测量，由于利用稳定性计算模块对所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值，并对上述稳定度值进行线形拟合，从而可以获得准确的稳定性情况，解决了现有技术中采用相对频偏起伏的标准方差来测量信号源的稳定性的方法，存在准确性不高的技术问题，提高了被测信号稳定性测量的准确性。

下面，结合图1-图6对本申请提供的信号稳定性测量系统进行详细介绍：

所述归一化处理模块还用于：将所述参考频率进行放大处理；根据预设的采样时间和公式获得分频数值，其中，f₀为参考频率，f为需要分频的信号频率，D为分频数值。根据所述被测信号，获得分频后的第一频率；根据所述第一频率，获得所述被测信号的粗频率值；根据所述粗频率值，获得标准1MHz信号频率。

在具体的实施过程中，具体参见图2-3，可以通过归一化处理模块分别对参考时钟信号和被测信号分别进行处理，参考频率f₀经过第一隔离放大器后被送至第一DDS分频单元(Direct Digital Synthes izer)DDS1的外时钟输入端，作为所述DDS1的工作外部参考时钟，同时DDS1的外部通讯端口连接至单片机，用以接受来自单片机的控制字命令及双向的数据传输。在实际过程中，选用的DDS1芯片内部有2个48位频率控制寄存器(F0、F1)，对于本装置参考频率信号f₀为10MHz，当不使用DDS1内部PLL倍频功能时，48位的频率控制寄存器F0全填充1时，DDS1会有10MHz频率信号输出，因此为得到标准的采样时间周期(如1秒、10秒)，需要对DDS1中频率控制寄存器F0设置相应的分频数值，具体计算的方法是：

上式中，f₀为参考频率，f为需要分频的信号频率，D为分频数值，例如当f₀为10MHz，对于f为1Hz(1秒)及0.1Hz(10秒)的情况，分频数值D为2⁴⁸×10^-7或2⁴⁸×10^-8。具体的采样时间周期，用户可以根据实际采样过程中的需要进行设置，然后运用上述公式计算得到分频数值D。然后通过单片机根据DDS1相应的串行通讯时序，将分频数值D写入DDS1相应缓存器后，得到最终的DDS1端采样时间信号输出。

当被测信号频率为上百兆甚至更大时，考虑到走时计数器对被测频率范围的限制，在本发明实施例中通过设计其中一路第二DDS分频单元(DDS2)对被测频率信号进行1/100分频处理。被测信号经第二隔离放大器后直接送入第二DDS分频单元的外部时钟输入端，作为DDS2的工作时的参考时钟。DDS2的外部通讯端口连接至单片机，单片机根据式(1)得到的2⁴⁸×10^-2分频数值通过串行通讯时序写入DDS2缓存区，经DDS2得到的1/100分频率信号后，送至第一走时计数器进行粗频率测量，单片机读取第一锁存器对第一走时计数器、取样的数值后，记录下此时的频率数值，乘以100后可得到被测信号的粗频率值F。

另一路经过第二隔离放大器的被测信号被送至第三DDS分频单元的外部时钟输入端，作为第三DDS分频单元工作时的参考时钟。同时第三DDS分频单元的外部通讯端口连接至单片机，单片机根据式(1)计算得到与第三DDS分频单元通讯用的分频数值：其中F为通过第一走时计数器计数、单片机运算得到的被测信号的粗频率值，举例来说，f取1MHz，并通过串行通讯时序将所得的具体分频数值写入第三DDS分频单元缓存区，经第三DDS分频单元后得到1MHz的频率信号，将所得的频率信号再送至低通滤波模块后得到最终的标准1MHz信号频率输出。

所述频率测量模块还用于：根据所述采样时间信号，获得被测信号的第一脉冲和参考时钟的第二脉冲；根据所述第一脉冲、第二脉冲和所述参考频率，获得所述被测信号的频率值。

在具体的实施过程中，具体参见图4-6，通过频率测量模块在参考时钟的作用下，根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值。被测频率信号经过第二DDS分频单元处理后得到的1MHz频率信号与10MHz参考时钟信号分别送至频率测量模块，单片机依据参考时钟信号经第一DDS分频单元处理后得到的采样时间信号的上升沿使能两路频率信号进行测量，具体来说，在一个采样时间信号上升沿后，当被测信号和外部参考时钟信号的上升沿到来时，单片机分别可以控制第二走时计数器和第三走时计数器进行频率计数。在一个采样时间信号下降沿后，当被测信号和外部参考时钟信号的上升沿到来时，单片机分别使第二走时计数器和第三走时计数器结束频率计数，同时获得一个完整采样时间信号时间内，被测信号和外部参考时钟信号的第一脉冲数N1和第二脉冲数N2，分别通过第二锁存器和第三锁存器对上述第一脉冲和第二脉冲的计数值进行锁存。举例来说，设被测信号的频率为Fx，参考频率为f₀(实际中为10MHz)，在闸门时间T内，计数器测得的被测信号和外部参考时钟信号的第一脉冲数N1和第二脉冲数N2，则有：

由式(2)可知，被测信号的频率fx与参考时基频率f₀及两计数器的脉冲值N₁，N₂有关。在一个完整的周期T1内，锁存器中保存的第一计数器和第二计数器的计数值N1、N2传递给单片机，f₀为10MHz保持不变，从而可以获得被测信号的频率值fx。

在稳定性计算模块对被测信号的稳定性计算，具体可以通过如下方法实现：

在这里我们用的是阿仑方差来表征信号源的频率稳定度。阿仑方差表达式为：

式中采样时间与采样周期均为τ，N为采样个数。

由上述公式(2)在一个完整的采样周期T1内获得一个被测信号频率值fx₁，依此类推可以获得fx₁、fx2、fx3、......fx_N，代入公式(3)后可以获得被测信号源频率稳定度值。为了解决现有技术中稳定性测量方法中的漂移问题，在本发明实施例中，我们利用最小二乘法来对上述获得的被测信号源频率值fx₁、fx2、fx3、......fx_N进行一次线性拟合，当系统刚上电时，信号的输出频率是非常不稳定的，存在一定的漂移，具体参见图5，A区表示输出频率不稳定。经过一段时间后从S1点开始系统进入稳定区B，稳定一段时间后当到达S2点，输出频率达到稳定，通过上述对被测信号源频率值进行一次线形拟合的方法，解决现有技术中稳定性测量方法中的漂移问题，从而实现对被测信号频率稳定性的准确测量。

为了便于读取或可视化处理，所述测量系统还包括：输出模块，用于输出所述测量结果。举例来说，由上述可知，当到达S2点时输出频率达到稳定，因此可以从S2点开始，将上述系统获得的每一个fx值拟合的结果通过图5输出至PC端。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了实施例一中系统对应的方法，见实施例二。

实施例二

本实施例提供一种信号稳定性测量方法，请参考图7，所述方法包括：

步骤S101，根据参考频率和预设的需要分频的信号频率，获得分频数值；

步骤S102，根据所述分频数值，获得采样时间信号；

步骤S103，归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率；

步骤S104，根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值；

步骤S105，将所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；

步骤S106，对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量。

在上述方法中，所述根据参考频率和预设的需要分频的信号频率获得分频数值，包括：

将所述参考频率进行放大处理；

根据预设的采样时间和公式获得分频数值，其中，f₀为参考频率，f为需要分频的信号频率，D为分频数值。

在上述方法中，所述归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率，包括：

根据所述被测信号，获得分频后的第一频率；

根据所述第一频率，获得所述被测信号的粗频率值；

根据所述粗频率值，获得标准1MHz信号频率。

在上述方法中，所述根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值，包括：

根据所述采样时间信号，获得第一频率计数和第二频率计数，其中所述第一频率计数为被测信号计数器的计数，第二频率计数为参考时钟计数器的计数；

根据所述第一频率计数和第二频率计数，获得被测信号的第一脉冲和参考时钟的第二脉冲；

根据所述第一脉冲、第二脉冲和所述参考频率，获得所述被测信号的频率值。

所述方法还包括：输出所述测量结果。

由于本发明实施例二所介绍的方法，为实施本发明实施例一的信号稳定性测量系统所采用的方法，故而基于本发明实施例一所介绍的系统，本领域所属人员能够了解该方法的具体结构及变形，故而在此不再赘述。凡是本发明实施例一的系统的实现方法都属于本发明所欲保护的范围。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的信号源稳定性测量系统及方法，通过归一化处理模块根据所述分频数值，获得采样时间信号，并对被测信号归一化处理获得标准1MHz信号频率；然后通过所述频率测量模块对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值，以此获得准确的被测信号的频率值，最后通过稳定性计算模块，对频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；并对所述稳定度值进行线形拟合，从而获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量，解决了解决现有技术中采用相对频偏起伏的标准方差来测量信号源的稳定性的方法，存在准确性不高的技术问题，可以准确获取被测信号的频率值，并提高被测信号稳定性测量的准确性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种信号稳定性测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：归一化处理模块、频率测量模块和稳定性计算模块，其中，

所述归一化处理模块，用于根据参考频率和预设的需要分频的信号频率，获得分频数值；根据所述分频数值，获得采样时间信号；归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率；

所述频率测量模块，用于根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值；

稳定性计算模块，用于将所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；并对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述归一化处理模块还用于：

将所述参考频率进行放大处理；

根据预设的采样时间和公式获得分频数值，其中，f₀为参考频率，f为需要分频的信号频率，D为分频数值。

3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述归一化处理模块还用于：

根据所述被测信号，获得分频后的第一频率；

根据所述第一频率，获得所述被测信号的粗频率值；

根据所述粗频率值，获得标准1MHz信号频率。

4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述频率测量模块还用于：

根据所述采样时间信号，获得被测信号的第一脉冲和参考时钟的第二脉冲；

根据所述第一脉冲、第二脉冲和所述参考频率，获得所述被测信号的频率值。

5.如权利要求1-4任一项所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括：输出模块，用于输出所述测量结果。

6.一种信号稳定性测量方法，其特征在于，所述方法包括：

根据参考频率和预设的需要分频的信号频率，获得分频数值；

根据所述分频数值，获得采样时间信号；

归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率；

根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值；

将所述频率值进行阿伦方差处理，获得所述被测信号的频率稳定度值；

对所述稳定度值进行线形拟合，获得测量结果，以对所述被测信号进行稳定性测量。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据参考频率和预设的需要分频的信号频率获得分频数值，包括：

将所述参考频率进行放大处理；

根据预设的采样时间和公式获得分频数值，其中，f₀为参考频率，f为需要分频的信号频率，D为分频数值。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述归一化处理被测信号，获得标准1MHz信号频率，包括：

根据所述被测信号，获得分频后的第一频率；

根据所述第一频率，获得所述被测信号的粗频率值；

根据所述粗频率值，获得标准1MHz信号频率。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述采用时间信号对所述被测信号进行时域频率测量，获得所述被测信号的频率值，包括：

根据所述采样时间信号，获得被测信号的第一脉冲和参考时钟的第二脉冲；

根据所述第一脉冲、第二脉冲和所述参考频率，获得所述被测信号的频率值。

10.如权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

输出所述测量结果。