CN111579883A - 一种相位波动测量方法及系统 - Google Patents

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CN111579883A CN202010483070.2A CN202010483070A CN111579883A CN 111579883 A CN111579883 A CN 111579883A CN 202010483070 A CN202010483070 A CN 202010483070A CN 111579883 A CN111579883 A CN 111579883A
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Abstract

本发明涉及一种相位波动测量方法，及系统所述测量方法包括：获取待测信号和参考信号；将所述待测信号转换至千赫兹，得到下转换信号；将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得到第一低频分量；将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号混频，得到第二低频分量；基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相位差。本发明中的上述方法及系统能够减小微波泄漏频移。

Description

一种相位波动测量方法及系统
技术领域
本发明涉及射频领域，特别是涉及一种相位波动测量方法及系统。
背景技术
在铯原子喷泉钟系统，微波激励信号的频率被锁定在原子共振频率上。频 率控制是由相位差测量得到的。在每个周期中，原子叠加和共振场之间的累积 相位差被评估。如果现场驱动信号的相位受到干扰，就会发生相位差测量误差。 对于周期同步扰动，每个周期的误差是相同的。这将影响频率控制，从而导致 喷泉频率的偏移。
为了减小微波泄漏频移，需研制微波干涉开关，而微波干涉开关引起的相 位波动需搭建相位波动测量系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种相位波动测量方法及系统，以减小微波泄漏频 移。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种相位波动测量方法，所述测量方法包括：
获取待测信号和参考信号；
将所述待测信号转换至千赫兹，得到下转换信号；
将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得到第一低频分量；
将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号混频，得到第二 低频分量；
基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相位差。
可选的，所述下转换信号具体采用以下公式：
u1(t)＝v1sin[2πfdifft+θ1(t)]，其中，u1(t)表示下转换信号，v1表示振幅，fdiff表示频率，θ1(t)表示u1(t)的初相位。
可选的，所述参考信号具体采用以下公式：
u2(t)＝v2sin[2πfsignalt+θ2(t)]，其中，u2(t)表示参考信号，v2表示振幅，fsignal表示频率，θ2(t)表示u2(t)的初相位。
可选的，将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得到第一低频 分量具体采用以下公式：
Figure BDA0002518003010000021
其中，uM(t)表示第一低频分量，v1′表示uM(t)的振幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差。
可选的，将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号混频， 得到第二低频分量具体采用以下公式：
Figure BDA0002518003010000022
其中，uN(t)表示第二低频分量，v′表示uN(t)的振 幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差。
可选的，基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相位差具体采用 以下公式：
Figure BDA0002518003010000023
其中，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差，uN(t)表示第二低频分量，uM(t)表示第一低频分 量。
本发明另外提供一种相位波动测量系统，所述测量系统包括：
待测信号和参考信号获取模块，用于获取待测信号和参考信号；
转换模块，用于将所述待测信号转换至千赫兹，得到下转换信号；
混频滤波模块，用于将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得 到第一低频分量；
混频模块，用于将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号 混频，得到第二低频分量；
相位差确定模块，用于基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相 位差。
8、根据权利要求7所述的相位波动测量系统，其特征在于，所述混频滤 波模块具体采用以下公式：
Figure BDA0002518003010000031
其中，uM(t)表示第一低频分量，v1′表示uM(t)的振幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差。
可选的，所述混频模块具体采用以下公式：
Figure BDA0002518003010000032
其中， uN(t)表示第二低频分量，v′表示uN(t)的振幅，θ1(t)和θ2(t)表示初相位，θ1(t)-θ2(t) 表示相位差。
可选的，所述相位差确定模块具体采用以下公式：
Figure RE-GDA0002586667870000033
其中，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差，uN(t)表示第二低频分量，uM(t)表示第一低频分 量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
通过获取待测信号和参考信号；将所述待测信号转换至千赫兹，得到下转 换信号；将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得到第一低频分量； 将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号混频，得到第二低频 分量；基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相位差，得到微波干涉 开关引起的相位波动，进而能够减小微波泄漏频移。
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性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种相位波动测量方法流程图；
图2为本发明实施例一种相位波动测量系统结构示意图；
图3为本发明实施例一种相位波动测量系统硬件示意图；
图4为本发明实施例相位波动测量系统噪底；
图5为本发明实施例射频开关和商用微波开关的相位瞬态效应。
具体实施方式
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。
本发明的目的是提供一种相位波动测量方法及系统，以减小微波泄漏频 移。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种相位波动测量方法流程图，如图1所示，所述方 法包括：
步骤101：获取待测信号和参考信号。
步骤102：将所述待测信号转换至千赫兹，得到下转换信号。
具体公式如下：
u1(t)＝v1sin[2πfdifft+θ1(t)]，其中，u1(t)表示下转换信号，v1表示振幅，fdiff表示频率，θ1(t)表示u1(t)的初相位。
所述参考信号的表达式如下：
u2(t)＝v2sin[2πfsignalt+θ2(t)]，其中，u2(t)表示参考信号，v2表示振幅，fsignal表示频率，θ2(t)表示u2(t)的初相位。
所述参考信号为与所述下转换信号频率相同的连续信号。
步骤103：将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得到第一低 频分量。
具体公式如下：
Figure BDA0002518003010000041
其中，uM(t)表示第一低频分量，v1′表示uM(t)的振幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差。
步骤104：将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号混频， 得到第二低频分量。
具体的，是将参考信号移相90°，与下转换信号混频，产生第二低频分 量，公式如下：
Figure BDA0002518003010000051
其中，uN(t)表示第二低频分量，v′表示uN(t)的振 幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差。
步骤105：基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相位差。
具体公式如下：
Figure BDA0002518003010000052
其中，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差，uN(t)表示第二低频分量，uM(t)表示第一低频分 量。
图2为本发明实施例一种相位波动测量系统结构示意图，所述测量系统包 括：
待测信号和参考信号获取模块201，用于获取待测信号和参考信号；
转换模块202，用于将所述待测信号转换至千赫兹，得到下转换信号；
混频滤波模块203，用于将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤 波，得到第一低频分量；
混频模块204，用于将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换 信号混频，得到第二低频分量；
相位差确定模块205，用于基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得 到相位差。
本发明中具体的硬件系统采用商用的信号源搭建相位波动测量系统，如图 3所示，商用信号源DS345作为两台DDS的时钟源，一台DDS输出一路10kHz 频率信号作为参考信号输出给SR830，一台双通道的DDS输出两路信号分别 为300MHz和300.01MHz信号，300MHz信号和300.01MHz经过混频低通 滤波后得到10kHz的信号作为待测信号输出到SR830的待测端，SR830输出 两路信号分别为X和Y由数据采集卡采集。开关放置在300MHz信号输出端的后面。一路TTL信号作为触发同时提供给数据采集卡和开关。当测量连续 信号输出的相位波动时，将开关设置为常开模式。为避免采集不同步引入的相 位延迟性，数据采集卡采用NI公司的PCI-6122同步采集卡，配置NI的接线 盒BNC-2110。采集的长度为10000，采样率为10000Hz，将SR830面板上的 X和Y输出端信号采集并存储在数组中，软件计算得到相位差。抽取和滤波 增加有效的动态范围达到18位，为了达到要求的相位分辨率，平均每周期采 集到的相位差并周期性的存储结果，每个周期减去平均的相位，多次测量平均 可消除随机相位波动的影响。两路10kHz的相位波动峰峰值在几个小时内达 到4urad。
当300MHz信号后直接与混频器相连，此时的相位波动2urad为此系统的 噪底。如图4所示。其中，时间常数是100us。
当300MHz信号后引入射频干涉开关，如图5所示，其中的小图为干涉 开关的相位波动放大后的结果。由于射频干涉开关涉及多个器件引入了额外的 噪声，在五天的时间累积内相位波动达到10μrad。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于 实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较 简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种相位波动测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
获取待测信号和参考信号；
将所述待测信号转换至千赫兹，得到下转换信号；
将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得到第一低频分量；
将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号混频，得到第二低频分量；
基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相位差。
2.根据权利要求1所述的相位波动测量方法，其特征在于，所述下转换信号具体采用以下公式：
u1(t)＝v1 sin[2πfdifft+θ1(t)]，其中，u1(t)表示下转换信号，v1表示振幅，fdiff表示频率，θ1(t)表示u1(t)的初相位。
3.根据权利要求1所述的相位波动测量方法，其特征在于，所述参考信号具体采用以下公式：
u2(t)＝v2 sin[2πfsignalt+θ2(t)]，其中，u2(t)表示参考信号，v2表示振幅，fsignal表示频率，θ2(t)表示u2(t)的初相位。
4.根据权利要求1所述的相位波动测量方法，其特征在于，将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得到低频分量具体采用以下公式：
Figure FDA0002518001000000011
θ1(t)-θ2(t)表示相位差，其中，uM(t)表示第一低频分量，v1′表示uM(t)的振幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位。
5.根据权利要求1所述的相位波动测量方法，其特征在于，将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号混频，得到第二低频分量具体采用以下公式：
Figure FDA0002518001000000012
其中，uN(t)表示第二低频分量，v′表示uN(t)的振幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差。
6.根据权利要求1所述的相位波动测量方法，其特征在于，基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相位差具体采用以下公式：
Figure FDA0002518001000000021
其中，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差，uN(t)表示第二低频分量，uM(t)表示第一低频分量。
7.一种相位波动测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：
待测信号和参考信号获取模块，用于获取待测信号和参考信号；
转换模块，用于将所述待测信号转换至千赫兹，得到下转换信号；
混频滤波模块，用于将所述下转换信号和所述参考信号进行混频滤波，得到第一低频分量；
混频模块，用于将所述参考信号移相预先设定度数，并与所述下转换信号混频，得到第二低频分量；
相位差确定模块，用于基于所述第二低频分量和所述第一低频分量得到相位差。
8.根据权利要求7所述的相位波动测量系统，其特征在于，所述混频滤波模块具体采用以下公式：
Figure FDA0002518001000000022
其中，uM(t)表示第一低频分量，v1′表示uM(t)的振幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差。
9.根据权利要求7所述的相位波动测量系统，其特征在于，所述混频模块具体采用以下公式：
Figure FDA0002518001000000023
其中，uN(t)表示第二低频分量，v′表示uN(t)的振幅，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差。
10.根据权利要求7所述的相位波动测量系统，其特征在于，所述相位差确定模块具体采用以下公式：
Figure FDA0002518001000000024
其中，θ1(t)表示u1(t)的初相位、θ2(t)表示u2(t)的初相位，θ1(t)-θ2(t)表示相位差，uN(t)表示第二低频分量，uM(t)表示第一低频分量。
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