CN110007149B - 一种数字化移相辅助的线性比相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化移相辅助的线性比相方法，数字化的相位比对从更高精度方面考虑希望尽量少的使用频率变换辅助电路，但是又避免了通常正弦信号波形对于相位处理的非线性失真。按照正弦信号的线性段占全相位变化范围的比例，通过对时钟移相来调整相同标称值频率的时钟信号与比对信号的相位差变化区间。就能保证时钟信号总工作在被比对信号的线性段。当信号间的相位差变化超出该线性段时，可以通过延迟移相使得这个相位差回到线性段。得到的线性相位比对的满周期则等于更高频率的、设定的取样线性段对应的时间，获得的线性度只是等于正弦信号波形在0度附近的特定线性段的线性度，并且可以进行必要的修正。相位的分辨率能够实现并优于ps量级。

Description

一种数字化移相辅助的线性比相方法

技术领域

本发明属于无线电测量以及精密时间频率测量和控制领域，特别是一种数字化移相辅助的线性比相方法。

背景技术

线性比相仪是用于频标比对，相位变化检测的高精度仪器。目前这类仪器的主要目的是用来测量被测信号频率的相对变化。如公式所示：

Δf和τ是平均频率偏差以及度量的平均时间，ΔT是在平均时间τ内的相位差的变化量，也是相位比对仪所要解决的测量问题。

在这个基础上，频率稳定度的计算公式：

可以看出，这里是用相位处理方法的频率和频率稳定度测量。而且相位差的获得是瞬时性质的。这样就可以能够从采集的相位值出发，通过τ的取值就能够从最短的信号周期对应是瞬态稳定度一直到秒、小时、天稳定度等完成测量，其中，m为采样次数。

常见的正弦信号工作的线性区很有限，直接数字采样的方法由于信号相互之间相位差取样的随机性，得到的电压–相位差值有明显的非线性。被测信号0到360度的相位变化，大多数区域信号工作在非线性区。其线性区只是在0度或者180度附近，而且仅仅占了不到满周期的10％。近年来采用数字化的A/D转换器在时频测量中得到了广泛应用，可以利用的有其量化分辨率、分辨率的稳定度以及其线性度等。这些都为相位差的高精度数字化测量打下了基础。

目前，已有技术在解决相位比对问题时，有的采用门电路或集成电路触发器对两个比对信号直接鉴相，如美国HpK34－59991A比相仪，这种方案存在着线性度差、调整不便和在高频下比相时有“死区”及非线性现象的缺陷。美国3.986，113专利采用双混频器幅相检波的方案，虽说对线性度和“死区”有所改善，但仍存在着比相器的测量精度与频率标称值相关和低频比相精度低以及辅助公共振荡器频率在不同比相频率值时必须作不同的更改的不足。模拟方式的线性相位比对仪器在漂移和相位分辨率方面仍有不足之处，尤其是针对复杂的频率信号间其相位差变化难以恢复出被测量信号的实际相位变化的情况。

目前国际上公认最好的双混频器时差测量方法DMTD，无论是模拟的还是数字的DMTD方法确实具有很高的测量分辨率。但是这种方法采用了差拍的方法在误差被倍增的同时大大降低了时差测量时的视在比对频率。这样也就降低了测量更短取样时间频率稳定度的短期和瞬态能力。例如，DMTD方法通过双混频的方法引入了测量的倍增效果，同时又降低了真实测量频率，如从原来比对的10MHz频率经过混频常常被降到几百Hz。这样在终端的比对中就只能测量长于ms时间的频率稳定度。而且DMTD方法存在时间滞后问题。DMTD方法包含混频、滤波、放大、计数等环节，其处理的实时性受到很大的影响。并且DMTD及其他方法虽然具有很高的分辨率，但是设备复杂、造价高，在控制中应用受到限制。

综上，现阶段方法的缺陷或不足主要包括：

1、测量响应时间慢、短期比对时间只能达到ms级；

2、相噪、长期漂移较大，长期稳定度不足；

3、设备复杂，造价高，应用受到限制；

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明提出一种数字化移相辅助的线性比相方法，采用对于时钟信号移相处理的方法，利用ADC采集信号线性区作为检相区间，实现高分辨率的相位比对和处理。该方法硬件结构简单，成本低，分辨率高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种数字化移相辅助的线性比相方法，对时钟信号移相处理，使得时钟信号总工作在被测信号的线性段，采集被测信号线性段的数字相位信息并进行处理，计算比对信号的频率和频率稳定度，具体包括以下步骤：

①将被测信号f₁的线性段放大到AD采样器的满量程；

②选取与被测信号相同频率标称值的参考信号f₂作为AD采样器的采样时钟信号，并通过移相器将参考信号f₂移入被测信号f₁的线性区；

③FPGA控制AD采样器分别对被测信号f₁进行采样，并且把采集到的线性区的电压数据送入单片机MCU；

④单片机MCU将采集到的电压-相位信息转化为两个信号间的相位差，并通过相位差变化计算被测信号的频率和频率稳定度。

其中，当一个时钟信号完成一个满周期的采集后，移相后会再对线性区进行采集，将一个满周期内的全部有效采集点按相位连续排列得到一条明显的线性相位比对曲线，当选取的线性段范围较大时，在边缘处会得到偏离的曲线，需要对数据进行修正处理。

本发明相比现有技术优点为：

相位分辨率能够优于ps量级甚至更高。比相和测量频率的响应时间可以从信号的载频周期开始，且长期一直覆盖到天以上，可实现ns量级的频率稳定度测量以及控制等。而且这种没有频率变换而直接得到线性的测量结果的方法能够具有较小的漂移，由于系统简单和处理直接，其噪声指标及长期稳定度会更好。

附图说明

图1是本发明系统设备构成图；

图2是本发明采样波形图；

图3是本发明系统工作流程图；

图4是本发明线性相位比对的比对曲线和时钟的对应性；

图5是本发明方法的应用方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

数字化的相位差，尤其是线性相位差测量目前的模式还存在着频率变换处理等附加手段，因此直接、能够排除各种附加误差的线性相位比对方法是值得考虑的。大量压缩误差源，而能够在数字化的条件下实现线性相位处理和比对在理论上有可能获得相对理想的分辨率，而且便于实现和复制。

本发明设备原理方框图如图1所示，被测信号f₁与参考信号f₂两个比对信号频率相近，其具体实施步骤如下：

①f₁为被测信号，而时钟信号f₂是输入的标准信号，但是增加了可以调节的延时移相器。

②放大器1a将被测信号的线性段放大到AD采样器2a的满量程以获得高精度，利用AD采样器2a采集被测信号线性区的电压-相位信息。

③FPGA 3a控制AD采样器2a进行采样，并且把采集到的电压数据送入单片机MCU4a；设定有效时钟组的有效取样值范围，保证采集工作在线性段采样。一旦时钟信号由于两个信号之间的相位变化而移动出线性区时，通过延时移相器5a对时钟信号进行移相，使得相位差又进入这个线性区域，也就是这种时钟信号在设定线性段边界的移相恰恰是一个相位比对的满周期的完成。而采集的相位数据也就会有一个时钟周期的增加或者减少。这就相对于0到360度的相位比对，一个时钟从0度出区域，另一个时钟则从360度进入。也可能反过来。所以下一个比相周期的开始恰恰也就是上一个比相周期的结束，对于周期性相位比对0度和360度是等同的，保证了相位的连续性。这样有移相处理情况下的频率稳定度计算时，按照处理数据组内无间隔、组间有间隔的方法，去掉移相造成的相位跳变获得频率稳定度计算结果。

⑤单片机MCU将接收到的电压数据转换为相位差值：

ΔT_n＝φ_n+1-φ_n

Δf和τ是平均频率偏差以及度量的平均时间，ΔT是在平均时间τ内的相位差的变化量，V₀为参考信号的振幅，ε(t)为幅度方向的偏差值，f₀为标称频率，

为相位的偏差值，t代表时刻，φ代表角度。然后在此基础上计算频率稳定度：

其中，m为采样次数。

图2是采样波形图，首先移相使时钟信号进入被测信号线性区，然后采集工作在线性段的电压-相位信息，一旦这个时钟信号由于两个信号之间的相位变化而移动出这个线性区时，通过移相又使得相位差进入这个线性区域，再继续采集线性区的电压-相位信息。

非线性校正在这种典型的线性相位比对仪中是必须考虑的，尤其是有效采集区占被测信号的满周期的比例较大的时候。当一个时钟信号完成一个满周期的采集后，移相后会再对这个线性区进行采集，在一个最小公倍数周期内不会出现完全相同的采样值，所以将一个满周期内的全部有效采集点按相位连续排列可以得到一条明显的线性相位比对曲线，如图2所示，当选取的线性段范围较大时，在边缘处可能会得到偏离的曲线，这时需要对数据进行修正处理。

图3是系统工作流程图，设定有效时钟组的有效取样值范围，工作在线性段并且在其中固定的部分范围–通常的时钟中有效时钟在有效取样值范围内采样–保证采集工作在线性段采样是通过一路移相且信号间的频差很小–随着不得已的移相，考虑相位差数据的移相值的加、减–按照采集的电压数据转换成相位差值，对于靠近有效取样值范围边界的数据进行非线性修正–统计随着相位差值变化ΔT的而累积的比对时间τ-在相位差值变化ΔT的基础上，按照τ的累积计算频差Δf及频率稳定度。

在按照时钟周期在特定的线性段处理器中设定了固定的满周期的始、末位置。按照被测信号的周期为间隔，落在这个特定的线性段区中的时钟采集的电压–相位差值是有效相位差值。一旦该时钟出了这个特定的线性段区，通过移相使其再回到这个区域，此时采样的时钟是同一个时钟信号，图4是这个工作的说明。

本发明方法还可以进一步应用在被测信号的相位变化、频率、频率稳定度、相位噪声的测量以及数字化的锁相环、模块化的频率–相位控制器件和系统等方面。图5是其应用方向的说明。数字化的相位比对不仅仅是用于频率稳定度测量，其更多的是用于相位噪声测量以及频率和相位控制。和目前最高精度的测量技术相比，这种方法虽然并不能够完全连续的测量和控制任意频率的相位及频率等，但是其毕竟能够把各种最常用的频率点的信号的相位及频率高精度地测量，而且测量更加的简单、方便。

Claims (2)

1.一种数字化移相辅助的线性比相方法，其特征在于，对时钟信号移相处理，使得时钟信号总工作在被测正弦信号的线性段，采集被测信号线性段的数字相位信息并进行处理，计算被测信号的频率和频率稳定度，具体包括以下步骤：

①将被测信号f₁的线性段放大到AD采样器的满量程；

②选取与被测信号相同频率标称值的参考信号f₂作为AD采样器的采样时钟信号，并通过移相器将参考信号f₂移入被测信号f₁的线性区；

③FPGA控制AD采样器对被测信号f₁进行采样，并且把采集到的线性区的电压数据送入单片机MCU；

④单片机MCU将采集到的电压-相位信息转化为被测信号和参考信号之间的相位差，并通过相位差变化计算被测信号的频率和频率稳定度。

2.根据权利要求1所述的一种数字化移相辅助的线性比相方法，其特征在于，当一个时钟信号完成一个比相满周期的采集后，移相后会再对被测信号线性区进行采集，将一个满周期内的全部有效采集点按相位变化的连续性排列得到一条明显的线性相位比对曲线，当选取的线性段范围较大时，在边缘处会得到偏离的曲线，需要对数据进行修正处理。

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