CN107436383A - 一种高精度脉冲信号时差测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度脉冲信号时差测量装置，包括用于生成高频正弦观测量信号的信号处理模块、用于生成与高频正弦观测量信号同周期信号的时钟模块，用于获取整数倍周期时差的计数模块、用于获得相位差的鉴相测量模块、用于计算第一信号和第二信号时间差的计算模块和用于使装置处于初始状态的复位模块；本发明还提供了应用于上述装置的方法，即采用光信号和电信号处理技术将两路输入信号处理为两路高频正弦观测量信号输入至鉴相器直接鉴相以获得不足一计数周期的时差，消除了参考时钟信号的精度影响；采用与高频观测量正弦信号相同周期的计数时钟进行整数倍周期的计时，提高了信号时差计数周期的精度，解决了难以高精度测试脉冲信号时差的问题。

Description

一种高精度脉冲信号时差测量装置和测量方法

技术领域

本发明属于信号时差测量技术领域，尤其涉及一种高精度时钟脉冲信号的时差测量装置和测量方法。

背景技术

高精度时钟同步是5G网络、万物互联网络、卫星导航系统实现高精度定位的基础。实现高精度时钟同步需要实现各个节点之间时钟差的高精度测量。脉冲信号时差测量技术提供了一种能够满足时差高精度测量的方法，是高精度时钟同步的重要决定因素。

脉冲信号时差是指两路脉冲信号到达观测点的时间之差。传统方法采用直接计数、电容积分、时间内插技术等。直接计数法通过在一个时钟下工作的高速翻转器工作，动态范围由计数器计数范围决定，时钟频率和稳定性决定时间分辨率，可以实现大动态范围测量但难以实现高精度测量。电容积分法将精确时间转换为电容电压值，利用电容放电后的电压变化量来测量电容放电时间，该技术受电容质量影响难以测量动态范围较大的时间。时间内插技术采用几个延时单元组成延迟线，利用目标脉冲信号沿延迟线传播的信息进行时间测量，但由于内插时间比较长的情况下需要较长延迟线，难以保证精确测量。名称为《CN101398474-北斗与GPS双系统秒时差切换方法》的中国专利(公开号为CN101398474A)里记载了采用鉴相器来解决脉冲时间较长时难以高精度测试时差的问题，但是其时差的计数周期采用的是信号本身的周期，且是两路信号分别与参考时钟进行对比然后计算差值，最终得到的时差测试结果会同时受参考时钟和计数周期的精度影响。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种高精度脉冲时差测量装置和方法，可提高信号时差计数周期的精度，消除了参考时钟信号的精度影响，解决现有技术中难以高精度测试脉冲信号时差的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高精度脉冲信号时差测量装置，包括：

信号处理模块，用于将输入的第一信号和第二信号处理为相同周期相同延时的第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号；

时钟模块，用于获得与所述第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号相同周期的计数时钟信号；

计数模块，与所述信号处理模块和时钟模块相连，用于获取第一信号到达时开始计数到第二信号到达时结束计数之间的计数个数Counter；

鉴相测量模块，用于获取第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号的相位差P并转换为数字信号；

计算模块，与所述鉴相测量模块和计数模块相连，用于计算第一信号和第二信号的时间差并输出；

复位模块，与所述计算模块、计数模块及信号处理模块相连，用于使所述脉冲信号时差测量装置恢复到初始状态。

为了获得高频正弦信号以提高信号时差计数周期的精度同时使第一信号和第二信号经处理后能直接鉴相消除参考时钟信号的误差，进一步地，所述信号处理模块包括：

第一窄脉冲产生模块，用于将输入的第一信号处理为脉冲宽度为Δτ、延时时间为T的第一窄脉冲信号；

第二窄脉冲产生模块，用于将输入的第二信号处理为脉冲宽度为Δτ、延时时间为T+T₂的第二窄脉冲信号；

高频正弦信号产生模块，用于对所述第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号进行处理并获得周期为TC的第一高频正弦信号和第二高频正弦信号；

光开关模块，用于将第一高频正弦信号和第二高频正弦信号电光转换后的第一光信号和第二光信号进行通道切换；

第一延迟补偿模块，用于将第一光信号进行时间补偿并转换为延时时间为2T+T₂的电信号即第一高频正弦观测量信号；

第二延迟补偿模块，用于将第二光信号进行时间补偿并转换为延时时间为2T+T₂的电信号即第二高频正弦观测量信号。

为了减少信号处理过程中延时所产生的误差，采用延时误差为皮秒级的光电信号处理模块进行延时处理，进一步地，所述第一窄脉冲产生模块包括电光转换器、含延时T光纤延迟线的波分复用光链路、光电转换器、输出下支路加入了Δτ延时的电功率分配器和微波异或门；所述第二窄脉冲产生模块包括电光转换器、含延时T+T₂光纤延迟线的波分复用光链路、光电转换器、输出下支路加入Δτ延时的电功率分配器和微波异或门。

为了获得第一高频正弦信号和第二高频信号且信号的周期能与现有的时钟周期一致，进一步地所述高频正弦信号产生模块包括用来产生周期脉冲信号的环形振荡器、用来降频的分频器和用来生成高频正弦信号的带通滤波器，所述环形振荡器的门电路的延时值为Δτ。

为了使第一信号和第二信号所经过的信号处理路径一致且延时时间一致，进一步地，所述光开关模块包括电光转换器和光开关；所述第一延迟补偿模块包括含延时T+T₂光纤延迟线的波分复用光链路和光电转换器；所述第二延迟补偿模块包括含延时T光纤延迟线的波分复用光链路和光电转换器。

为了使第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号在高频正弦信号产生模块处不重合，进一步地，所述延时时间T₂大于第一脉冲处理为第一高频正弦信号所需的时间。

为了获得与所述第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号相同周期的计数时钟，所述时钟模块包括参考时钟和用于倍频的锁相环。

所述计数模块包括计数器。

所述鉴相测量模块包括鉴相器和模数转换器。

一种高精度脉冲信号时差测量方法，包括如下步骤：

步骤1：第一信号进入第一窄脉冲产生模块时同时触发计数模块开始计数，所述第一窄脉冲产生模块处理完毕生成脉冲宽度为Δτ、延时时间为T第一窄脉冲信号；

步骤2：第二信号进入第二窄脉冲产生模块时同时触发计数模块停止计数并将计数值Counter输入至计算模块；

步骤3：第一窄脉冲信号经过高频正弦信号产生模块，生成周期为TC的第一高频正弦信号后触发复位模块发出清零信号将高频正弦信号产生模块恢复为初始状态；

步骤4：第二窄脉冲产生模块处理完第二信号后生成脉冲宽度为Δτ、延时时间为T+T₂的第二窄脉冲信号；

步骤5：第二窄脉冲信号经过高频正弦信号产生模块，生成周期为TC的第二高频正弦信号；

步骤6：第一高频正弦信号经过光开关模块，生成第一光信号并将信号切换至第一延迟补偿模块上生成第一高频正弦观测量信号；

步骤7：第二高频正弦信号经过光开关模块，生成第二光信号并将信号切换至第二延迟补偿模块上生成第二高频正弦观测量信号；

步骤8：第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号经过鉴相测量模块生成带有两输入信号相位差P的数字信号并输入至计算模块；

步骤9：计算模块将计数模块输入的Counter和鉴相测量模块输入的相位差P采用公式进行计算获得第一信号和第二信号的时间差，其中Counter*TC为整数倍计数时钟周期的时差，为不足一计数时钟周期的时差；

步骤10：复位模块产生复位信号发送脉冲处理模块、计时模块和计算模块，使各模块进入初始状态，为下一次脉冲时间差测量做好准备。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：采用光信号和电信号处理技术将两路输入信号处理为两路高频正弦观测量信号并输入至鉴相器直接鉴相以获得不足一计数周期的时差，消除了参考时钟信号的精度影响。采用与高频正弦观测量信号相同周期的计数时钟进行整数倍周期的计时，提高了信号时差计数周期的精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的一种高精度脉冲信号时差测量装置和测量方法的流程框图；

图2是本发明的一种高精度脉冲信号时差测量装置和测量方法的原理图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1、图2对本发明作详细说明。

一种高精度脉冲信号时差测量装置，包括：

信号处理模块，用于将输入的第一信号和第二信号处理为相同周期相同延时的第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号；

时钟模块，用于获得与所述第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号相同周期的计数时钟信号；

计数模块，与所述信号处理模块和时钟模块相连，用于获取第一信号到达时开始计数到第二信号到达时结束计数之间的计数个数Counter；

鉴相测量模块，用于获取第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号的相位差P并转换为数字信号；

计算模块，与所述鉴相测量模块和计数模块相连，用于计算第一信号和第二信号的时间差并输出；

复位模块，与所述计算模块、计数模块及信号处理模块相连，用于使所述脉冲信号时差测量装置恢复到初始状态。

所述计数模块、计算模块和复位模块可以采用FPGA或MCU实现。

为了获得高频正弦信号以提高信号时差计数周期的精度同时使第一信号和第二信号经处理后能直接鉴相消除参考时钟信号的误差，进一步地，所述信号处理模块包括：

第一窄脉冲产生模块，用于将输入的第一信号处理为脉冲宽度为Δτ、延时时间为T的第一窄脉冲信号；

第二窄脉冲产生模块，用于将输入的第二信号处理为脉冲宽度为Δτ、延时时间为T+T₂的第二窄脉冲信号；

高频正弦信号产生模块，用于对所述第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号进行处理并获得周期为TC的第一高频正弦信号和第二高频正弦信号；

光开关模块，用于将第一高频正弦信号和第二高频正弦信号电光转换后的第一光信号和第二光信号进行通道切换；

第一延迟补偿模块，用于将第一光信号进行时间补偿并转换为延时时间为2T+T₂的电信号即第一高频正弦观测量信号；

第二延迟补偿模块，用于将第二光信号进行时间补偿并转换为延时时间为2T+T₂的电信号即第二高频正弦观测量信号。

为了减少信号处理过程中延时所产生的误差，采用延时误差为皮秒级的光电信号处理模块进行延时处理，进一步地，所述第一窄脉冲产生模块包括电光转换器、含延时T光纤延迟线的波分复用光链路、光电转换器、输出下支路加入了Δτ延时的电功率分配器和微波异或门；所述第二窄脉冲产生模块包括电光转换器、含延时T+T₂光纤延迟线的波分复用光链路、光电转换器、输出下支路加入Δτ延时的电功率分配器和微波异或门。

为了获得第一高频正弦信号和第二高频信号且信号的周期能与现有的时钟周期一致，进一步地所述高频正弦信号产生模块包括用来产生周期脉冲信号的环形振荡器、用来降频的分频器和用来生成高频正弦信号的带通滤波器，所述环形振荡器的门电路的延时值为Δτ。

为了使第一信号和第二信号所经过的信号处理路径一致且延时时间一致，进一步地，所述光开关模块包括电光转换器和光开关；所述第一延迟补偿模块包括含延时T+T₂光纤延迟线的波分复用光链路和光电转换器；所述第二延迟补偿模块包括含延时T光纤延迟线的波分复用光链路和光电转换器。

为了使第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号在高频正弦信号产生模块处不重合，进一步地，所述延时时间T₂大于第一脉冲处理为第一高频正弦信号所需的时间。

为了获得与所述第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号相同周期的计数时钟，所述时钟模块包括参考时钟和用于倍频的锁相环。

所述计数模块包括计数器。

所述鉴相测量模块包括鉴相器和模数转换器。

一种高精度脉冲信号时差测量方法，包括如下步骤：

步骤1：第一信号进入第一窄脉冲产生模块时同时触发计数模块开始计数，所述第一窄脉冲产生模块处理完毕生成脉冲宽度为Δτ、延时时间为T第一窄脉冲信号；

步骤2：第二信号进入第二窄脉冲产生模块时同时触发计数模块停止计数并将计数值Counter输入至计算模块；

步骤3：第一窄脉冲信号经过高频正弦信号产生模块，生成周期为TC的第一高频正弦信号后触发复位模块发出清零信号将高频正弦信号产生模块恢复为初始状态；

步骤4：第二窄脉冲产生模块处理完第二信号后生成脉冲宽度为Δτ、延时时间为T+T₂的第二窄脉冲信号；

步骤5：第二窄脉冲信号经过高频正弦信号产生模块，生成周期为TC的第二高频正弦信号；

步骤6：第一高频正弦信号经过光开关模块，生成第一光信号并将信号切换至第一延迟补偿模块上生成第一高频正弦观测量信号；

步骤7：第二高频正弦信号经过光开关模块，生成第二光信号并将信号切换至第二延迟补偿模块上生成第二高频正弦观测量信号；

步骤8：第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号经过鉴相测量模块生成带有两输入信号相位差P的数字信号并输入至计算模块；

步骤9：计算模块将计数模块输入的Counter和鉴相测量模块输入的相位差P采用公式进行计算获得第一信号和第二信号的时间差，其中Counter*TC为整数倍周期的时差，为不足一计数周期的时差；

步骤10：复位模块产生复位信号发送脉冲处理模块、计时模块和计算模块，使各模块进入初始状态，为下一次脉冲时间差测量做好准备。

采用了上述技术方案后，提高了信号时差计数周期的精度，消除了参考时钟信号的精度影响，即提高了脉冲时差测量的测量精度。

Claims (10)

1.一种高精度脉冲信号时差测量装置，其特征在于，包括：

信号处理模块，用于将输入的第一信号和第二信号处理为相同周期相同延时的第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号；

时钟模块，用于获得与所述第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号相同周期的计数时钟信号；

计数模块，与所述信号处理模块和时钟模块相连，用于获取第一信号到达时开始计数到第二信号到达时结束计数之间的计数个数Counter；

鉴相测量模块，用于获取第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号的相位差P并转换为数字信号；

计算模块，与所述鉴相测量模块和计数模块相连，用于计算第一信号和第二信号的时间差并输出；

复位模块，与所述计算模块、计数模块及信号处理模块相连，用于使所述脉冲信号时差测量装置恢复到初始状态。

2.根据权利要求1所述的脉冲信号时差测量装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：

第一窄脉冲产生模块，用于将输入的第一信号处理为脉冲宽度为Δτ、延时时间为T的第一窄脉冲信号；

第二窄脉冲产生模块，用于将输入的第二信号处理为脉冲宽度为Δτ、延时时间为T+T₂的第二窄脉冲信号；

高频正弦信号产生模块，用于对所述第一窄脉冲信号和第二窄脉冲信号进行处理并获得周期为TC的第一高频正弦信号和第二高频正弦信号；

光开关模块，用于将第一高频正弦信号和第二高频正弦信号电光转换后的第一光信号和第二光信号进行通道切换；

第一延迟补偿模块，用于将第一光信号进行时间补偿并转换为延时时间为2T+T₂的电信号即第一高频正弦观测量信号；

第二延迟补偿模块，用于将第二光信号进行时间补偿并转换为延时时间为2T+T₂的电信号即第二高频正弦观测量信号。

3.根据权利要求2所述的脉冲信号时差测量装置，其特征在于，所述第一窄脉冲产生模块包括电光转换器、含延时T光纤延迟线的波分复用光链路、光电转换器、输出下支路加入了Δτ延时的电功率分配器和微波异或门；所述第二窄脉冲产生模块包括电光转换器、含延时T+T₂光纤延迟线的波分复用光链路、光电转换器、输出下支路加入Δτ延时的电功率分配器和微波异或门。

4.根据权利要求2所述的脉冲信号时差测量装置，其特征在于，所述高频正弦信号产生模块包括环形振荡器、分频器和带通滤波器，所述环形振荡器的门电路的延时值为Δτ。

5.根据权利要求2所述的脉冲信号时差测量装置，其特征在于，所述光开关模块包括电光转换器和光开关；所述第一延迟补偿模块包括含延时T+T₂光纤延迟线的波分复用光链路和光电转换器；所述第二延迟补偿模块包括含延时T光纤延迟线的波分复用光链路和光电转换器。

6.根据权利要求3或5所述的脉冲信号时差测量装置，其特征在于，所述延时时间T₂大于第一脉冲处理为第一高频正弦信号所需的时间。

7.根据权利要求2所述的脉冲信号时差测量装置，其特征在于，所述时钟模块包括参考时钟和用于倍频的锁相环。

8.根据权利要求1所述的脉冲信号时差测量装置，其特征在于，所述计数模块包括计数器。

9.根据权利要求1所述的脉冲信号时差测量装置，其特征在于，所述鉴相测量模块包括鉴相器和模数转换器。

10.一种高精度脉冲信号时差测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：第一信号进入第一窄脉冲产生模块时同时触发计数模块开始计数，所述第一窄脉冲产生模块处理完毕生成脉冲宽度为Δτ、延时时间为T第一窄脉冲信号；

步骤2：第二信号进入第二窄脉冲产生模块时同时触发计数模块停止计数并将计数值Counter输入至计算模块；

步骤3：第一窄脉冲信号经过高频正弦信号产生模块，生成周期为TC的第一高频正弦信号后触发复位模块发出清零信号将高频正弦信号产生模块恢复为初始状态；

步骤4：第二窄脉冲产生模块处理完第二信号后生成脉冲宽度为Δτ、延时时间为T+T₂的第二窄脉冲信号；

步骤5：第二窄脉冲信号经过高频正弦信号产生模块，生成周期为TC的第二高频正弦信号；

步骤6：第一高频正弦信号经过光开关模块，生成第一光信号并将信号切换至第一延迟补偿模块上生成第一高频正弦观测量信号；

步骤7：第二高频正弦信号经过光开关模块，生成第二光信号并将信号切换至第二延迟补偿模块上生成第二高频正弦观测量信号；

步骤8：第一高频正弦观测量信号和第二高频正弦观测量信号经过鉴相测量模块生成带有两输入信号相位差P的数字信号并输入至计算模块；

步骤9：计算模块将计数模块输入的Counter和鉴相测量模块输入的相位差P采用公式进行计算获得第一信号和第二信号的时间差；

步骤10：复位模块产生复位信号发送脉冲处理模块、计时模块和计算模块，使各模块进入初始状态，为下一次脉冲时间差测量做好准备。