CN112014640A - 一种多通道频标比对测试系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道频标比对测试系统及其工作方法，测试系统包括将被测频标信号和参考频标信号分为多路信号通道的功分器，在每一路信号通道上均设置有模数转换器、数字鉴相模块，多路信号通道上的模数转换器、数字鉴相模块均由一个时钟模块同步控制。其工作方法包括以下步骤：S1、被测频标信号、参考频标信号经过所属信号通道上的模数转换器进行采样，采样后的信号通过所属信号通道上的数字鉴相模块进行解算信号相位，得到被测频标信号、参考频标信号在所属信号通道上的数字相位数据；S2、将被测频标信号、参考频标信号的数字相位数据相减，得到相位差数据；S3、两组相位差数据通过互方差运算模块进行计算，得到阿伦方差。
Description
技术领域
本发明涉及时频计量测试技术领域，尤其涉及一种多通道频标比对测试系统及其工作方法。
背景技术
在时频计量测试领域，多通道的频率信号(5/10MHz)的相位差测量非常重要，但对于该指标的频标比对测试设备，国内主要依赖于进口。随着国家时频体系的推进，以及国防领域对国产化的要求，对具有自主知识产权的高性能频标比对设备需求非常强烈。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，提供一种多通道频标比对测试系统及其工作方法，其可并行实现8个通道的频率信号(5/10MHz)的相位差测量，可实时测量与计算各输入通道的频率偏差、稳定度(阿伦标准偏差)，并通过上位机软件以数据、曲线、图表等形式，直观地显示测量结果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种多通道频标比对测试系统，包括将被测频标信号和参考频标信号分为多路信号通道的功分器，在每一路信号通道上均设置有对信号进行采样的模数转换器、将采样后的信号处理从而得到相位数据的数字鉴相模块，多路信号通道上的模数转换器、数字鉴相模块均由一个时钟模块同步控制。
进一步的，所述功分器为四路信号功分器，其将被测频标信号、参考频标信号均分为四路信号通道。
进一步的，所述模数转换器的采样频率为100MHz，数转换器的采样位数为14bit。
进一步的，所述数字鉴相模块包括用于进行混频操作以及滤波处理的数字下变频模块、用于进行反三角函数计算的鉴相运算模块，所述数字下变频模块内设置有用于对采样后的信号进行混频处理的数字频率合成器，数字频率合成器与模数转换器均与时钟模块相连接。
进一步的，所述多通道频标比对测试系统还包括用于对阿伦方差进行计算的互方差运算模块。
一种多通道频标比对测试系统的工作方法，包括以下步骤：
S1、被测频标信号经过所属信号通道上的模数转换器进行采样，采样后的信号通过所属信号通道上的数字鉴相模块进行解算信号相位，得到被测频标信号在所属信号通道上的数字相位数据；参考频标信号经过所属信号通道上的模数转换器进行采样，采样后的信号通过所属信号通道上的数字鉴相模块进行解算信号相位，得到参考频标信号在所属信号通道上的数字相位数据；
S2、将不同信号通道上被测频标信号的数字相位数据与参考频标信号的数字相位数据相减，得到被测频标信号与参考频标信号的相位差数据；
S3、两组相位差数据通过互方差运算模块进行计算，得到阿伦方差。
进一步的，所述步骤S1中的数字鉴相模块进行解算信号相位时包括以下步骤：
S11、经模数转换器采样后的信号进入数字下变频模块中并与数字频率合成器生成的正弦信号、余弦信号混频；
S12、混频后的信号依次经低通滤波处理和抽取处理后得到低比特率的正交和同相信号；
S13、正交和同相信号在鉴相运算模块中进行反三角函数运算即得到数字相位数据。
进一步的，所述步骤S3中的互方差运算模块进行计算时的计算公式为：
式中:σ2 y(τ)是频差y(τ)的阿仑方差；m是在总取样点中2个无间隙y(τ)组合所占的组数；f0是频标标称频率值；τ是取样时间；φ是相位差数据。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的多通道频标比对测试系统，可并行实现8个通道的频率信号(5/10MHz)的相位差测量，可实时测量与计算各输入通道的频率偏差、稳定度(阿伦标准偏差)，并通过上位机软件以数据、曲线、图表等形式，直观地显示测量结果，同时该系统具有不间断测试能力，可同步进行数据采集与存储，可根据用户需要灵活设置测量带宽、数据采样间隔，以及设置输出通道。其上位机软件可实时按通道显示各被测频率信号与参考信号之间的相位偏差、频率偏差等原始观测数据，能按照相关国家计量技术规范实时计算并显示被测频率信号与参考信号之间的频率偏差、稳定度、日波动、日频率漂移、日老化等统计数值，并能够通过数据接口输出原始观测数据。该系统能够并行测量8路频率信号，大大提高了测试效率。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为数字式双混频时差测量系统原理框图；
图2为数字正交鉴相原理框图；
图3为条仿真曲线比对结果示意图；
图4为高速数据采样比测设备原理图；
图5为采样数据的实时处理流程图；
图6为相位差计算的处理流程图；
图7为相位解缠原理图；
图8为日波动曲线测试图；
图9为日老化曲线测试图；
图10为日漂移曲线测试图。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本实施例中公开了一种多通道频标比对测试系统，其包括将被测频标信号和参考频标信号分为多路信号通道的功分器，在每一路信号通道上均设置有对信号进行采样的模数转换器、将采样后的信号处理从而得到相位数据的数字鉴相模块，多路信号通道上的模数转换器、数字鉴相模块均由一个时钟模块同步控制。
测试系统的原理框图
基于软件无线电的理论,设计数字式双混频时差测量系统的原理框图,如图1所示(图1为该测试系统的一部分，仅仅描述了四个通道，另外四个通道结构与其相一致)。被测频标信号(DUT)和参考频标信号(Ref)分别经过功分器分为4路信号，每路信号由模数转换器(ADC)采样，采样后的信号经过数字鉴相模块(DPD)处理得到相位数据，将被测信号和参考信号的相位数据相减得到相位差数据。其中，4个ADC和4个DPD模块均由共同的时钟(CLOCK)同步。从图中可以看出，测量系统是上下对称的两部分，其输出结果都是被测信号与参考信号的相位差数据，再对两路相位差数据做互相关运算，即计算互方差(crossvariance)，最终得到阿伦标准偏差(Allandeviation)结果。
测试系统数学模型
为了说明图1原理的科学合理性，以数学公式的形式对其进行推导。假设DUT频标的相位为θ1，Ref频标的相位为θ2，ADCi引入的相位偏移为θADCi，CLOCK引入的相位偏移为θCLOCK，假定CLOCK对各数字模块是理想同步的，则图1中A点和B点的输出信号相位可由式(1)表示：
那么，C点得到的相位数据可由式(2)表示：
同理，D点得到的相位数据可由式(3)表示：
θD＝θ1-θ2+θADC3-θADC4 (3)
相位差数据θ1-θ2是系统的目标参量，为了方便计算，定义Δθ＝θ1-θ2。由于θADC1与θADC2独立同分布，定义η1＝θADC1-θADC2，可以推得：
E(η1)＝E(θADC1-θADC2)＝E(θADC1)-E(θADC2)＝0 (4)
同理定义η2＝θADC3-θADC4，可以推得E(η2)＝0，且η1和η2独立同分布。
由以上定义可知,C点和D点的信号可以表示为θC＝Δθ+η1，θD＝Δθ+η2。则θC和θD的互方差理论计算如下:
式中:σ2 Δθ为Δθ的方差。
由以上推导可知,C点相位θC和D点相位θD的互方差理论上等于被测信号与参考信号相位差Δθ的方差。应用互方差运算的目的就是对两个输入变量做互相关处理,将原理框图中两路对称系统引入的相关噪声分量抵消掉,从而降低整个测量系统的本底。
模数转换器
模数转换器的采样频率和采样位数是影响采样结果的2个重要指标。假定频标信号的频率是10MHz,根据奈奎斯特定理,模数转换的采样频率至少要20MHz,但根据实际经验,采样频率至少要达到输入信号频率的5倍以上才能获得具有较好信噪比和保真度的数字信号。随着数字化技术的不断发展,目前,100MHz以上的模数转换芯片已较为普遍,因此,模数转换仿真模型的采样频率可以选择100MHz。同时,采样位数决定了对模拟输入信号量化的精度,是影响数字化相位信息精度的主要分量。而且,相同采样频率不同采样位数的模数转换芯片之间的性价比差别较大,因此,影响量化精度的采样位数如何选择,需要仿真实验结果进行分析判断。
在MATLAB环境下,基于图1原理构建仿真系统,并仿真生成两个具有5种调制噪声的频标信号,以逐次逼近模型仿真模数转换器,采样频率设为100MHz,分别以8bit、10bit、12bit、14bit和16bit作为采样位数进行仿真实验,仿真结果如下表所示；其为采样位数与阿伦标准偏差关系表；
从表中的数据可以看出,采样位数越高阿伦标准偏差的结果越小,即测量系统的本底越低。同时,随着采样位数的变化,不同取样时间下的阿伦标准偏差也存在不同的变化趋势。采样位数越低,对取样时间短的阿伦标准偏差影响较大,取样时间1ms的阿伦标准差与100ms相比变化显著。当采样位数较高时,各取样时间下的阿伦标准差值变化不显著,基本在一个数量级以内。基于仿真分析的结果,再结合采样芯片的性价比因素,在实际采样实验中,用14bit采样分辨率的模数转换器比较合适。
数字鉴相仿真
在信号处理领域解算信号相位的方法较多,应用较多的方法包括正交鉴相、FFT鉴相和互相关鉴相等。由于正交鉴相法是基于下变频解算相位的方法,因此比较适用于有实时数据处理需求的设备。
图2是数字正交鉴相法的原理框图。模数转换(ADC)后的数字信号进入数字下变频(DDC)模块,分别与直接数字频率合成器(DDS)生成的正弦(sin)和余弦(cos)信号混频,混频输出信号经低通滤波(LPF)和抽取(Decimate)处理得到低频低比特率的正交(Q)和同相(I)信号,再对两路信号做反三角函数运算得到数字相位数据。其中,DDS由系统共用时钟CLOCK同步。
互相关仿真
得到相位差数据,再对两组对称系统输出的相位差数据做互相关运算从而得到阿伦标准偏差结果。其中,互相关运算公式可由式(5)推得,而在时间频率领域中,由于贝塞尔方差对特定噪声影响的不收敛性,通常用阿伦方差表征频标的频率稳定度。因此,需要结合互方差和阿伦方差的数学模型来推导出此处的互相关运算公式,如式(6)所示:
式中:σ2 y(τ)是频差y(τ)的阿仑方差；m是在总取样点中2个无间隙y(τ)组合所占的组数；f0是频标标称频率值；τ是取样时间；φ是相位差数据；其上角标C和D分别代表图1中两对称系统输出信号。
在MATLAB环境下,按上述原理构建数字鉴相仿真模块和互方差运算模块,基于图1原理搭建仿真系统,并仿真生成2个具有一定噪声特性的频标信号,以不同噪声量级的DDS输出信号进行仿真实验,仿真结果如图3所示。图中横坐标为取样时间τ,单位为s,最小取样时间τ0为1ms,纵坐标为阿伦标准偏差σy(τ),横纵坐标均采用对数方式显示。图中画出了3条仿真曲线,黑实线是由2个仿真频标信号相位差直接解算的结果,可以作为没有受测量系统影响的标称值曲线；虚线是经仿真系统单路鉴相处理算出的阿伦标准偏差结果；实心圆点曲线是经仿真系统双路鉴相处理并做互相关的结果。
图3(a)是在DDS输出信号中加入较小噪声分量的仿真结果,其仿真噪声系数比输入频标信号的噪声系数小一个数量级。从图中曲线可以看出,在1～10ms之间,虚线和实心圆点曲线都与黑实线相差较大,
分析可知其主要是模数转换引入的误差,而实心圆点曲线与虚线之间也有较小差别,且前者相对偏低,说明互相关算法对模数转换引入相关噪声能够起到抵消作用；在10ms～1s之间,三条曲线基本重合,说明仿真系统具有较低本底,能够无失真测量出输入频标信号的阿仑标准偏差曲线。
图3(b)是在DDS输出信号中加入较大噪声分量的仿真结果,其仿真噪声系数与输入频标信号的噪声系数为同一个数量级,从图中曲线可以看出,虚线、实心圆点曲线和黑实线变化趋势相近,但三者没有重合部分,由于测量系统本底噪声较大,使得测量结果产生失真。而图中实心圆点曲线与虚线相比明显更接近黑实线,说明互相关算法对抵消测量系统引入的相关噪声效果显著。
各个主要设备的工作原理
设备组成
此设备所构成的频率稳定度测试设备由阻抗匹配模块、信号采集模块、数据实时处理模块和相位差及频率稳定度计算模块构成，总体原理设计如图4所示。
两路输入信号经过与采集电路的阻抗匹配，转化为幅度适合采集电路采集的信号后，被高速采集电路转化为数字信号。由于采样频率较高，一般需在100M/S量级，所以采样数据必须实时处理为即包含测量信息且码率较低的数据流才能在普通PC机上做后续计算。数据实时处理是一个两路数据的并行处理过程可以在FPGA或多核DSP上进行。实时处理后的被测和参考数据可以在基于PC或其它单片机的系统上进行相位差以及频率稳定度的计算。
采样数据的实时处理流程
采样数据的实时处理流程如图5所示，参考信号FR和FM(其标频为F0)被采样后分别与数据处理芯片内部产生的正弦数据FH(FH频率为F0-FD，FD为差频载波频率，一般远远小于F0)相混频，也就是将数据相乘，然后经低通滤波器LP1后得到差频信号，其标频为FD。参考信号和被测信号的处理为并行处理过程。
为降低发送到上位机的数据量，对数据进行多级滤波-抽取，将信号采样频率从上百兆每秒以上降低到后续CPU处理可接受的范围(一般在一兆每秒以下)。为了防止信号含有带外成分，造成采样混叠，每做一步选抽前对信号进行低通滤波，滤波器为LP2。最终将低采样码率的数据流发至PC或其它CPU上位机，做后续处理。
相位差计算的处理流程
实时处理流程后的低码率信号数据为正弦数据，要通过对整段数据的集中处理才能计算出两路数据的相对相位差。计算相位差的流程如图6所示。两路数据分别与数据处理CPU内部产生的正弦数字混频信号进行混频，也就是将数据相乘，混频得到的数据通过低通滤波保留0频率附近的低频成分。然后采用反正弦的方法计算每路数据的相位，得到-π～π的相位数据。为还原相位数据方便计算相位差，将此相位数据进行解缠，如图7所示，恢复相位中的直线倾斜成分。将两路信号的相位直线倾斜成分相减得到直线倾斜成分相位差。
为了进一步滤出除数据中的噪声，可以初步计算的相位数据进行低通滤波。因为相位的直线倾斜成分对应于一个固定的频率差，这部分数据成份对计算频率稳定度没有影响，所以在滤波之前应去除直线倾斜成分，得到残留相位数据，这有利在降噪的同时保持相位数据的完整性。在滤波前对残留相位数据进行N倍选抽可以降低数据采样频率，减少滤波器的阶数，降低计算量。为了适应不同测试对象，此处的滤波设计为可选带宽滤波，对于频率稳定度较差噪声范围较大的被测信号可选较高带宽的低通滤波器；对于频率稳定度较高噪声范围较小的被测信号可选较低带宽的低通滤波器。滤波后再计算相位数据，并将两路数的滤波相位数据相减得到滤波残留相位差。
将线倾斜成分相位差和滤波残留相位差求和可计算出两路数据的完整相位差数据，将相位差除以时间可得到频率差，进而可计算出两路信号的相对频率稳定度。
本发明中的原型样机测试
原型样机经过实际测试后，测试结果如下表所示：
| 通道 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 1s | 2.57e-14 | 3.98e-14 | 4.66e-14 | 4.72e14 | 3.62e-14 | 3.47e-14 | 4.31e-14 | 4.71e-14 |
| 10s | 3.91e-15 | 6.10e-15 | 6.98e-15 | 7.40e-15 | 5.74e-15 | 5.18e-15 | 6.73e-15 | 6.92e-15 |
| 100s | 6.39e-16 | 9.17e-16 | 8.23e-16 | 9.37e-16 | 8.08e-16 | 7.91e-16 | 8.38e-16 | 1.09e-15 |
| 1000s | 1.36e-16 | 3.21e-16 | 3.68e16 | 3.44e-16 | 2.49e-16 | 2.99e-16 | 3.25e-16 | 3.22e-16 |
其中日波动测试值S＝2.57e-014，测试原始数据如下表：
日波动测试曲线如图8所示：
老化率测试结果K＝1.76e-015，r＝0.52，测试原始数据如下：
| 取样数据 | 数值 |
| 1 | -6.77e-015 |
| 2 | -9.07e-015 |
| 3 | 4.89e-016 |
| 4 | 2.18e-015 |
| 5 | -1.27e-014 |
| 6 | 5.88e-015 |
| 7 | -4.26e-015 |
| 8 | 3.31e-015 |
| 9 | -5.68e-015 |
| 10 | 4.90e-015 |
| 11 | -3.83e-015 |
| 12 | 1.01e-014 |
| 13 | 9.42e-015 |
| 14 | -6.08e-015 |
| 15 | 1.16e-014 |
日老化测试曲线如图9所示：
日漂移率测试值K＝3.71e-016，r＝0.19，测试原始数据如下：
日漂移曲线如图10所示；
该测试系统所实现的技术指标已经达到国内领先、国际先进水平。该水平的8通道频标比对系统，在时频计量测试领域，有广阔的使用前景，如高稳晶振、铷钟、铯钟等各类频率源的稳定度测试，且可以实现8通道并行测量，大大提高了测试与检定的效率。
本发明中的测试系统可以加以产品化，实现成果转化，形成稳定、准确、可靠的频标测试设备，为各类计量机构、科研院所提供测试、检定与校准服务，具有显著的社会效益和经济效益。
Claims (8)
1.一种多通道频标比对测试系统，其特征在于：所述多通道频标比对测试系统包括将被测频标信号和参考频标信号分为多路信号通道的功分器，在每一路信号通道上均设置有对信号进行采样的模数转换器、将采样后的信号处理从而得到相位数据的数字鉴相模块，多路信号通道上的模数转换器、数字鉴相模块均由一个时钟模块同步控制。
2.如权利要求1所述的多通道频标比对测试系统，其特征在于：所述功分器为四路信号功分器，其将被测频标信号、参考频标信号均分为四路信号通道。
3.如权利要求2所述的多通道频标比对测试系统，其特征在于：所述模数转换器的采样频率为100MHz，数转换器的采样位数为14bit。
4.如权利要求3所述的多通道频标比对测试系统，其特征在于：所述数字鉴相模块包括用于进行混频操作以及滤波处理的数字下变频模块、用于进行反三角函数计算的鉴相运算模块，所述数字下变频模块内设置有用于对采样后的信号进行混频处理的数字频率合成器，数字频率合成器与模数转换器均与时钟模块相连接。
5.如权利要求4所述的多通道频标比对测试系统，其特征在于：所述多通道频标比对测试系统还包括用于对阿伦方差进行计算的互方差运算模块。
6.一种如权利要求5所述的多通道频标比对测试系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、被测频标信号经过所属信号通道上的模数转换器进行采样，采样后的信号通过所属信号通道上的数字鉴相模块进行解算信号相位，得到被测频标信号在所属信号通道上的数字相位数据；参考频标信号经过所属信号通道上的模数转换器进行采样，采样后的信号通过所属信号通道上的数字鉴相模块进行解算信号相位，得到参考频标信号在所属信号通道上的数字相位数据；
S2、将不同信号通道上被测频标信号的数字相位数据与参考频标信号的数字相位数据相减，得到被测频标信号与参考频标信号的相位差数据；
S3、两组相位差数据通过互方差运算模块进行计算，得到阿伦方差。
7.如权利要求6所述的多通道频标比对测试系统的工作方法，其特征在于：所述步骤S1中的数字鉴相模块进行解算信号相位时包括以下步骤：
S11、经模数转换器采样后的信号进入数字下变频模块中并与数字频率合成器生成的正弦信号、余弦信号混频；
S12、混频后的信号依次经低通滤波处理和抽取处理后得到低比特率的正交和同相信号；
S13、正交和同相信号在鉴相运算模块中进行反三角函数运算即得到数字相位数据。
8.如权利要求7所述的多通道频标比对测试系统的工作方法，其特征在于：所述步骤S3中的互方差运算模块进行计算时的计算公式为：
式中:σ2y(τ)是频差y(τ)的阿仑方差；m是在总取样点中2个无间隙y(τ)组合所占的组数；f0是频标标称频率值；τ是取样时间；φ是相位差数据。
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