CN109379312A - 一种用于频率信号的相位补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于频率信号的相位补偿系统，包括：混频器，混频器将接收到的待测信号和本地基准信号进行混频；滤波器，滤波器对混频器输出的混频信号进行滤波和放大；采集器，采集器对滤波器输出的滤波信号进行采集；数字频率补偿器，数字频率补偿器根据采集器输出的数字信号对待测信号进行补偿并发送给用户。本发明的有益效果为：通过前反馈数字补偿技术的相位补偿系统，利用差频法将测试信号与基准信号通过混频器鉴相，混频后的信号经过滤波器，便获得待测信号与频率源信号的频率差。利用高精度数据采集卡采集差值信号，再将差值信号作为补偿信号传输给AD9910芯片，可以有效地抵消链路中相位的抖动信号，维持用户端信号的稳定。

Description

一种用于频率信号的相位补偿系统及方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种用于频率信号的相位补偿系统及方法。

背景技术

在当今的信息时代，频率和时间是两个重要的物理量，其关系到国家经济、航天、军事等多个领域的战略发展，实现时频信号的高精度长距离传输，便能在诸多领域获得主动权。

由于时频信号在自由空间传播会受到环境的影响，进行传统的授时时，发往远端的时频信号无法保持与源端信号高精度同步，所以将信号无损的传到地面远端用户需要解决频率信号传递受环境干扰使得频率相位发生抖动的问题，也要解决时间信号由于传输链路的影响发生迟延的问题。

现有技术中采用受环境影响小的传播介质传输信号以减少对时频信号的影响如采用光纤传输，但物理传播通道的改善终究是有限的，并不能完全的消除损失和影响。

发明内容

为了解决现有技术存在的信号长距离传输的抖动和损耗问题，本发明提供了一种用于频率信号的相位补偿系统和方法，其具有可以有效地抵消链路中相位的抖动信号，维持用户端信号的稳定，具有良好的抗相位抖动的能力等特点。

本发明的目的是提供一种用于频率信号的相位补偿系统和方法。

根据本发明的具体实施方式的一种用于频率信号的相位补偿系统，包括：

混频器，所述混频器将接收到的待测信号和本地基准信号进行混频；

滤波器，所述滤波器对所述混频器输出的混频信号进行滤波和放大；

采集器，所述采集器对所述滤波器输出的滤波信号进行采集；

数字频率补偿器，所述数字频率补偿器根据所述采集器输出的数字信号对所述待测信号进行补偿并发送给用户。

进一步的，所述数字频率补偿器包括：数字频率补偿芯片和单片机，所述单片机根据所述采集器输出的数字信号控制所述数字频率补偿芯片对所述待测信号进行补偿。

进一步的，所述混频器为ZFM-4+混频器。

进一步的，所述滤波器为具有增益放大作用的前置放大器SR560。

进一步的，所述数字补偿芯片为直接数字合成器芯片AD9910，所述单片机为STM32F103单片机。

进一步的，所述基准信号由氢原子时钟产生。

进一步的，所述采集器为具有USB2.0接口的24位精度数据采集的USB-2401采集卡。

进一步的，所述用于频率信号的相位补偿系统还包括：采集卡用户控制界面，所述采集卡用户控制界面用于对所述USB-2401采集卡的参数进行设置。

根据本发明的具体实施方式的一种用于频率信号的相位补偿方法，包括：

利用差频法将测试信号与基准信号通过混频器鉴相，并将混频后的信号进行低通滤波以获得所述测试信号和所述基准信号的频率差；

利用采集器采集差值信号，并将所述差值信号作为补偿信号发送给数字频率补偿器，对接收的所述测试信号进行补偿。

进一步的，所述待测信号为从远端的用户侧直接接收的信号。

本发明的有益效果为：通过前反馈数字补偿技术的相位补偿系统，利用差频法将测试信号与基准信号通过混频器鉴相，混频后的信号经过滤波器，便获得待测信号与频率源信号的频率差。利用高精度数据采集卡采集差值信号，再将差值信号作为补偿信号传输给数字频率补偿器，可以有效地抵消链路中相位的抖动信号，维持用户端信号的稳定，具有良好的抗相位抖动的能力。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是根据一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿系统的结构示意图；

图2是根据另一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿系统的结构示意图；

图3是根据一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿系统的DDS基本结构框图；

图4根据一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿系统相位补偿系统程序流程图；

图5根据一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿系统相位差值信号电压变化流程图；

图6根据一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿系统原子钟与的测信号的混频结果图；

图7根据一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿系统原子钟与经过补偿后的待测信号的混频结果图；

图8根据一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿系统原子钟与经过补偿后的待测信号的混频结果的放大图；

图9是根据一示例性实施例提供的用于频率信号的相位补偿方法的流程示意图。

附图标记

1-混频器；2-滤波器；3-采集器；4-数字频率补偿器；41-单片机；42-数字频率补偿芯片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参照图1所示，本发明的实施例提供了一种用于频率信号的相位补偿系统，包括：

混频器1，混频器1将接收到的待测信号和本地基准信号进行混频；

滤波器2，滤波器2对混频器1输出的混频信号进行滤波和放大；

采集器3，采集器3对滤波器2输出的滤波信号进行采集；

数字频率补偿器4，数字频率补偿器4根据采集器3输出的数字信号对待测信号进行补偿并发送给用户。

在本发明的一具体实施例中，接入混频器1，测得能够表征待测信号相位抖动的电压信号，经过滤波器2，滤掉高频部分，并将抖动电压信号放大。采集器3可以采集滤波放大后的信号，按照需要将采集到的数据通过数据线传输给电脑。电脑存储数据的同时，通过串口线将数据发送给数字频率补偿器4,数字频率补偿器4根据输入的抖动信号来控制待测信号相位的推拉，完成相位的补偿，可以有效地抵消链路中相位的抖动信号，维持用户端信号的稳定，具有良好的抗相位抖动的能力。

作为上述实施例的一种可行的实现方式，设置在终端上的采集卡用户控制界面(图中未示出)可方便用户对采集器3的参数根据需要进行设置。

参照图2所示，在本发明的一具体实施例中，数字频率补偿器4包括：数字频率补偿芯片42和单片机41，单片机41根据采集器3输出的数字信号控制数字频率补偿芯片42对待测信号进行补偿。

作为上述实施例的一种可行的实现方式，采集器3按照需要将采集到的数据通过数据线传输给电脑。电脑存储数据的同时，通过串口线将数据发送给单片机41,单片机41根据输入的抖动信号来控制数字频率补偿芯片42相位的推拉，完成相位的补偿。

直接频率合成技术DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)，它从相位的概念出发，产生不同相位的正弦波，也可以控制波形的初始相位。利用相位控制字控制相位累加值，将累加值输入到正弦查询表的地址上，取得具有正弦幅度的数字序列，并驱动DAC，输出模拟量。

参照图3所示，为DDS的基本框图，相位控制字和频率控制字是DDS系统的控制信号，决定DDS输出信号的频率和相位。两个加法模块和相位寄存器组成的相位累加器为DDS系统的核心。随着时钟电平值的变化，相位累加器也随之变化。频率控制字决定相位累加器的步长，累加器的值与相位控制字相加输入到正余弦查询表地址上，最后DAC将数字正弦序列转换为模拟正弦信号。设相位累加器的位数为2ⁿ，时钟信号的频率为f_c，累加器按单位步长累加，直到溢出一次的频率为：

若以M为步长,其中M为频率控制字，产生的频率为：

频率控制字与输出相位频率关系为：

其中n为相位累加器的字长，输出信号的频率分别与频率控制字和时钟频率成正比。由奈奎斯特准则，输出信号的频率不能超过抽样频率的一半。在实际的应用中，输出频率不高于系统频率的0.33倍，避免信号产生混叠或在所需频带内混入谐波信号。

在本发明的一具体实施例中，数字频率补偿器4以及外围控制电路是整个相位补偿系统的核心，其中AD9910频率相位的补偿由STM32F103单片机控制，单片机采用32位嵌入式处理器。

数字补偿芯片42是频率合成芯片AD9910(DDS)，并配置14位DAC。此芯片性能优越，在不降低性能的情况下，可以明显地降低功耗。芯片可支持1GSPS采集速率，并且采用高标准的DDS技术。DDS/DAC组合可以构成可编程的频率合成器。在AD9910芯片中，可以通过访问频率、相位与幅度来实现对DDS信号的控制，可通过串行I/O口来修改芯片控制寄存器的值，达到对芯片的控制。

在本发明的一具体实施例中，混频是通过频谱线性搬迁进行频率变换的过程，由本地振荡器、带通滤波器和非线性器件组成。混频器主要获得原子钟信号与未补偿抖动信号以及原子钟信号与补偿后的信号的差值。选择ZFM-4+混频器，使其具有更低的插入损耗。

滤波器2选用前置放大器SR560，前置放大器SR560不仅有放大增益的作用而且有滤波器的功能。由于原子钟信号在链路传输中经过混频器1，信号发生衰减，混频后的信号，不仅需要滤掉高频信号而且需要将衰减后的信号放大，所以在系统选用同时具有放大和滤波功能的前置放大器SR560。

在本发明的一具体实施例中，采集器3是具有USB2.0接口的24位高精度数据采集卡，可以采集模拟电压和电流等信号。USB-2401配套的应运程序U-Test将采集到的数据按不同的方式显示出来，可以控制USB-2401的采样率，并且将数据存储成dat格式文件，最高可达2000Hz；同时，可以设置USB-2401数据采集卡的采集模式、显示模式、存储方式、电压量程等；而且U-Test可以将USB-2401数据采集卡采集到的数据以图像方式实时的呈现。USB-2401应运程序U-Test易于操作，功能优越，便于进行测试。

作为上述实施例的一种可行的实现方式，采集卡采集到补偿后的信号与原子钟信号的差值信号后需要通过串口发送给单片机41，来控制DDS对信号相位的推拿。由于USB-2401采集卡应用软件U-Test没有串口发送数据功能，所以用VB语言重新编译用户控制采集界面，并添加通过串口给单片机传输数据的功能。用户控制界面中通道模式对应测试程序U-Test中的通道选择，电压范围和U-Test中一致。新增加的功能有：采样率的选择性更多，可以选择20Hz到2000Hz，增加了串口发送数据的功能。

参照图4所示，为本发明一具体实施例中相位补偿程序的流程图，数字补偿程序由Keil uVision4软件编译，Keil软件具有强大的程序开发方案，易于单片机程序功能的开发。使用single tone的单频模式配置AD9910。AD9910的工作频率和工作方式配置程序以及程序说明如下：

Register[0]＝0x00；Register[1]＝0x00；Register[2]＝0x00；Register[3]＝0x00；Write AD9910(CFR1,4,Register)；//控制CFR1寄存器，选择DDS余弦输出。

Register[0]＝0x01；Register[1]＝0x40；Register[2]＝0x08；Register[3]＝0x20；Write AD9910(CFR2,4,Register)；//控制CFR2寄存器。

Register[0]＝0x1b；Register[1]＝0x1f；Register[2]＝0xc1；Register[3]＝0x80；Write AD9910(CFR3,4,Register)；//链路中的10MHz信号作为AD9910的外部参考信号，输入的参考信号经过内部锁相环倍频器，内部锁相环可以将使用远小于系统时钟的参考时钟频率。输入10MHz参考时钟，分频系数为64，得到fSYSCLK为640MHz的系统时钟。

Register[0]＝0x00；Register[1]＝0x00；Register[2]＝0x7f；Register[3]＝0xff；WriteA D9910(AuxDACAddress,4,Register)；//辅助DAC控制。

Register[0]＝0x3f；Register[1]＝0xff；Register[2]＝(phase>>8)；Register[3]＝phase；Register[4]＝0x04；Register[5]＝0x00；Register[6]＝0x00；Register[7]＝0x00；WriteAD9910(0x0e,8,Register)。

其中Register[2]＝(phase>>8)；Register[3]＝phase；//设置16位相位控制字POW。

Register[4]＝0x04；Register[5]＝0x00；Register[6]＝0x00；Register[7]＝0x00；//设置32位频率控制字，将FTW配置为2^26，系统频率配置为10MHz，输出频率fout为10MHz信号。

Register[0]＝0x3f；Register[1]＝0xff；//设置14位幅度控制字，ASF为2^14-1，幅度比例因子为1。

采集卡将频率差值数据发送给补偿模块来进行补偿判断，sample_ini是将前几组数据做平均作为补偿判断基准值，以后发来的每个数据sample1都会与sample_ini做比较，当sample1比sample_ini小，则增大相位控制字POW的值，反之亦然。得到补偿控制指令后，AD9910对相位进行补偿，使用户端的相位与接收端保持同步。

其中，AD9910芯片的DDS模块输出参考信号，AD9910芯片的寄存器位CFR[16]决定参考信号是正弦信号还是余弦信号，参考信号的参变量(幅度、频率和相移)由DDS振幅、频率和相位控制字控制输入信号决定的，该芯片的输出频率f_out由DDS频率控制字(FTW)控制，f_out、FTW和f_SYSCLK的关系公式为：

则

因为FTW必须为一个整数值，所以函数round(x)将自变量四舍五入为最接近的整数，

是幅度控制表达式，决定幅度值的控制字为ASF，幅度的大小有14位锁存器决定；

是相位控制表达式，决定相位的控制字为POW，幅度的大小有16位锁存器决定。

在本发明的一具体实施例中，相位补偿系统中的补偿的效果用频率稳定度来表征，当频率源频率随机起伏的概率分布为正态分布的时候，一般采用标准方差来衡量频率稳定程度。通过研究发现，频率源的随机起伏并不是一种平稳的随机过程，其概率分布不符合正态分布。因而不适宜用标准方差来表征频率稳定度，而是用阿伦方差。Allan方差公式有多种，本文采用Overlapping Allan方差公式：

τ为平均采样时间，采样个数为m，M近似为采样长度；

用来表征频率稳定度。

参照图5所示，作为上述实施例的一种可行的实现方式，频率为10MHz、幅度为V_c的原子钟信号与频率为10MHz、幅度为V_s的补偿后的信号混频，

原子钟输入信号为：

补偿后的信号为：

经过混频、低通放大电路，采集卡采集到的信号为：

其中一路信号是原子钟信号，其相位抖动相比于另一路可以忽略，为0，设K为频率稳定度，频率稳定度推导如下：

其中为10MHz，可以用Matlab软件求出频率稳定度，然后画出OverlappingAllan方差。

参照图6所示，将原子钟信号与待测信号混频，得到近似锯齿波的混频结果，混频电压极值为0.16V。

参照图7和图8所示，将原子钟信号与与经过补偿后的待测信号混频，电压极值为0.008V，远低于将原子钟信号与待测信号混频的电压极值0.16V。

通过以上分析，可以看到本相位补偿系统可以很好地模拟链路中相位抖动的目的，也可以较好地对链路中相位的偏移做补偿。

参照图9所示，本发明的实施例还提供了一种用于频率信号的相位补偿方法，包括以下步骤：

101、利用差频法将测试信号与基准信号通过混频器鉴相，并将混频后的信号进行低通滤波以获得测试信号和所述基准信号的频率差；

102、利用采集器采集差值信号，并将差值信号作为补偿信号发送给数字频率补偿器，对接收的所述测试信号进行补偿。

其中，待测信号为从远端的用户侧直接接收的信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于频率信号的相位补偿系统，其特征在于，包括：

混频器，所述混频器将接收到的待测信号和本地基准信号进行混频；

滤波器，所述滤波器对所述混频器输出的混频信号进行滤波和放大；

采集器，所述采集器对所述滤波器输出的滤波信号进行采集；

数字频率补偿器，所述数字频率补偿器根据所述采集器输出的数字信号对所述待测信号进行补偿并发送给用户。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字频率补偿器包括：数字频率补偿芯片和单片机，所述单片机根据所述采集器输出的数字信号控制所述数字频率补偿芯片对所述待测信号进行补偿。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述混频器为ZFM-4+混频器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤波器为具有增益放大作用的前置放大器SR560。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数字补偿芯片为直接数字合成器芯片AD9910，所述单片机为STM32F103单片机。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基准信号由氢原子时钟产生。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集器为具有USB2.0接口的24位精度数据采集的USB-2401采集卡。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：采集卡用户控制界面，所述采集卡用户控制界面用于对所述USB-2401采集卡的参数进行设置。

9.一种用于频率信号的相位补偿方法，其特征在于，包括：

利用差频法将测试信号与基准信号通过混频器鉴相，并将混频后的信号进行低通滤波以获得所述测试信号和所述基准信号的频率差；

利用采集器采集差值信号，并将所述差值信号作为补偿信号发送给数字频率补偿器，对接收的所述测试信号进行补偿。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述待测信号为从远端的用户侧直接接收的信号。