CN113607047A - 外差干涉信号模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种外差干涉信号模拟系统，包括控制单元、时钟管理单元、数模转换单元；控制单元用于控制并产生外差干涉信号模拟系统的工作信号，时钟管理单元用于提供控制单元的时钟数据和数模转换单元的采样时钟；数模转换单元用于信号采样并将数字信号转化为模拟信号。本发明提供一种外差干涉信号模拟系统能够模拟多种类、高复杂度星间激光外差干涉信号，实现多种类噪声与干涉信号的任意复杂耦合，解决目前光机物理测试环境以及商用信号模拟器不能满足复杂星间激光外差干涉信号处理系统性能检测的问题。

Description

外差干涉信号模拟系统
技术领域
本发明涉及星间信号模拟技术领域，具体涉及一种外差干涉信号模拟系统。
背景技术
近年来，激光外差干涉测量技术呈现出高精度的特点，成为了航天领域中精密测量方面的一种新的测试手段。激光外差干涉测量技术相比较微波测量，能大幅度提升测量精度，提供更为准确的空间测量信息，因此国内外科研机构已经逐渐将激光外差干涉测量技术应用于包括空间引力波探测、地球重力场测量、月球重力场探测、天体测量学以及深空探测在内等需要进行精密测量的空间任务。随着科学研究的需要，越来越多的空间大科学工程均对星间激光外差干涉测量技术提出了纳米甚至皮米量级的测量精度要求，也就要求提高星间激光外差干涉信号处理系统的性能来满足高精度的读出需求。
星间激光外差干涉测量系统搭建过程中涉及的技术较多，且精度要求极高，需要在地面研制阶段进行大量的地面测试以保证空间科学工程任务的顺利完成。星间激光外差干涉链路实现复杂，导致星间激光外差干涉信号普遍具有信号种类多、信号间叠加耦合复杂度高、多种信号处理方法不一致、噪声分析难度大等特点。同时，应用星间激光外差干涉测量技术的空间科学任务需要多星编队，因此在激光外差干涉测量的同时还需要完成星间的测距通讯功能，进一步增加了激光外差干涉信号的复杂程度。以空间引力波探测系统的星间激光外差干涉信号为例，就包含了主拍频信号、两个边拍频信号、测距通讯编码、多普勒频移、散粒噪声、激光频率噪声、加速度噪声、指向抖动噪声、电子学噪声以及热噪声等复杂信息。空间任务需要测量的主要信息就隐藏在如此复杂的信号当中，为了能准确提取出引力波引起的位移变化的主要信息，需要高性能的星间激光外差干涉信号处理系统。空间中的工作环境复杂多变，为了能顺利完成此类空间科学工程任务，需要在地面上尽量模拟接近空间工作状态下的星间激光外差干涉信号，协助完成星间激光外差干涉信号处理系统的地面测试。
地面测试分为两种方式，一种是通过搭建出激光外差干涉的光学平台，通过激光外差干涉过程生成外差干涉信号，测试星间激光外差干涉信号处理系统的性能，上述方式存在地面环境干扰噪声多、无法模拟多普勒频移、且状态调整复杂度高、无法模拟在轨所有工作模式的不足，不能满足星间激光外差干涉信号处理系统对高动态范围信号处理的功能及性能的测试需求。另一种是通过电子学方式直接模拟星间激光外差干涉信号，对星间激光外差干涉信号处理系统进行测试，相比较搭建光学平台的方式，直接模拟更加灵活可控。目前商业通用信号模拟器存在无法实现多种类、高复杂度的星间外差干涉信号模拟以及无法实现多种类噪声与星间外差干涉拍频信号复杂耦合的不足，不能满足复杂空间科学工程任务中多拍频信号处理系统的地面测试需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种外差干涉信号模拟系统，以解决现有技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种外差干涉信号模拟系统，包括用于控制并产生外差干涉信号模拟系统的工作信号的控制单元、用于提供所述控制单元的时钟数据和所述数模转换单元的采样时钟的时钟管理单元、用于信号采样并将数字信号转化为模拟信号的数模转换单元。
所述控制单元包括通讯模块、测距通讯模块、频率偏移模块、至少一个拍频信号模块、噪声生成模块和信号耦合模块。
所述通讯模块用于完成与PC端的通讯，完成与所述拍频信号模块、所述频率偏移模块、所述测距通讯模块、所述噪声生成模块、所述信号耦合模块之间指令与参数的传递。
所述测距通讯模块用于模拟直接序列扩频通讯。
所述拍频信号模块用于生成至少一个幅度可调的拍频信号，当生成的拍频信号大于一个时，分为主拍频信号和边拍频信号，且幅度均可调。
所述频率偏移模块用于生成模拟空间多普勒频移效应信号。
所述噪声生成模块用于生成相位噪声信号以及加性噪声信号。
所述信号耦合模块用于将所述拍频信号模块生成的信号、所述噪声模块生成的加性噪声耦合成为输出信号传送至所述数模转换单元进行数模转换。
所述外差干涉信号模拟系统通过PC端设置需生成模拟信号的参数、指令来设置外差干涉信号模拟系统不同的工作模式。不同的工作模式对应生成不同的外差干涉信号，分别为包含主拍频、边拍频、多普勒频移、测距通讯以及噪声的科学读出测试模式；包含主拍频、多普勒频移的相位读出测试模式；包含主拍频、边拍频、多普勒频移的频率捕获测试模式；包含主拍频、多普勒频移、测距通讯的测距通讯测试模式。
进一步地，所述拍频信号模块还包括直接数字合成器及乘法器，所述直接数字合成器生成不大于16位幅值的拍频信号，所述乘法器位于所述直接数字合成器的输出位置，根据所述PC端设置的指令进行多个拍频信号的幅度调整。
进一步地，所述频率偏移模块产生控制频率偏移的不大于48位的相位增量，对所述拍频信号模块进行同步的频率移动，根据PC端设置的指令控制所述频率偏移模块启停、移动范围以及移动速率。
进一步地，所述噪声生成模块还包括线性位移寄存器，所述线性位移寄存器生成均匀分布的随机噪声，根据所述PC端设置的指令调用所述随机噪声。
进一步地，所述测距通讯模块内包含存储器，存储器中存储多组、多种类伪随机噪声码的查找表，根据所述PC端设置的指令调用相应的查找表来调用所存储的伪随机噪声码。
进一步地，所述测距通讯模块将调用的伪随机噪声码与PC输入的数据信息进行异或运算生成测距通讯编码后，采用二进制相移键控方式调制所述拍频信号的相位，根据所述PC端设置的指令控制启停、相位偏移量大小、测距通讯编码的速率。
进一步地，所述直接数字合成器生成的所述拍频信号的相位增量为：
Figure BDA0003195135640000041
其中，fclk为时钟管理单元输入的时钟，fout为输出频率，Δθ为相位增量，B为相位宽度；
所述拍频信号的相位偏移量为：
Figure BDA0003195135640000042
其中，
Figure BDA0003195135640000043
为需要的相位偏移弧度，θpoff为输入系统的相位偏移；
所述拍频信号的模型为：
Figure BDA0003195135640000044
其中，ωhet是经过频率偏移模块的主拍频频率，ωsb1和ωsb2是经过频率偏移模块的两个边拍频频率；
Figure BDA0003195135640000045
和
Figure BDA0003195135640000046
分别表示主拍频、两个边拍频的相位；mprn表示应用于测距和数据通信的调制指数；Cn是具有+1或0值的二进制伪随机噪声码数据编码序列，其脉冲形状由周期1/Tc的p(t)给出；Amain是主拍频的幅度，Asb1、Asb2是两个边拍频的幅度；np(t)、np1(t)、np2(t)为相位噪声，n(t)为加性噪声。
进一步地，所述控制单元为FPGA芯片。
进一步地，所述控制单元生成所述模拟信号后通过电平转换模块与所述数模转换单元进行数据传输。
本发明能够取得以下技术效果：
1、本发明提出的星间外差干涉信号模拟装置，能够模拟多种类、高复杂度星间激光外差干涉信号，实现多种类噪声与干涉信号的任意复杂耦合，解决目前光机物理测试环境以及商用信号模拟器不能满足复杂星间激光外差干涉信号处理系统性能检测的问题。
2、装置通过设计系统参数可以选择拍频数量、频率、测距通讯传送速率以及耦合的噪声，能满足不同空间科学工程任务的星间激光外差干涉处理系统的测试需求。
3、基于直接数字合成器原理生成的拍频可以灵活的调频、调相以及调幅，噪声模块可以实现噪声种类、特性、信噪比、耦合方式的灵活调节，可以满足不同工作模式下星间激光外差干涉信号处理系统的测试需求，并进一步测试噪声对星间激光外差干涉信号处理系统性能的影响。
附图说明
图1是本发明提供的实施例的外差干涉信号模拟系统的结构示意图；
图2是本发明提供的实施例的外差干涉信号模拟系统的对星间激光外差干涉信号处理系统进行地面测试的工作原理框图；
图3是本发明提供的实施例的外差干涉信号模拟系统生成的模拟信号的频谱图；
图4是本发明提供的实施例的外差干涉信号模拟系统生成的模拟信号的频谱图。
其中的附图标记如下：
时钟管理单元1、数模转换单元2、通讯模块3、测距通讯模块4、频率偏移模块5、噪声生成模块6、拍频信号模块7、信号耦合模块8、信噪比为25dB的高斯白噪声A、信噪比为50dB的高斯白噪声B。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
图1示出了本发明提供的实施例的外差干涉信号模拟系统的结构示意图。
一种外差干涉信号模拟系统，包括用于控制并产生外差干涉信号模拟系统的工作信号的控制单元、用于提供控制单元的时钟数据和数模转换单元2的采样时钟的时钟管理单元1、用于信号采样并将数字信号转化为模拟信号的数模转换单元2。
控制单元包括通讯模块3、测距通讯模块4、至少一个拍频信号模块7、频率偏移模块5、噪声生成模块6和信号耦合模块8。
通讯模块3用于完成与PC端的通讯，完成与拍频信号模块7、测距通讯模块4、频率偏移模块5、噪声生成模块6、信号耦合模块8之间指令与参数的传递。测距通讯模块4用于模拟直接序列扩频通讯。拍频信号模块7用于生成至少一个幅度可调的拍频信号，当生成的拍频信号大于一个时，分为主拍频信号和边拍频信号，且幅度、频率均可调。频率偏移模块5用于生成模拟空间多普勒频移效应信号。噪声生成模块6用于生成相位噪声信号和加性噪声信号。信号耦合模块8用于将拍频信号模块7生成的信号以及噪声生成模块6生成的加性噪声耦合成为一路输出信号传送至数模转换单元2进行数模转换。
外差干涉信号模拟系统通过PC端设置需生成模拟信号的参数、指令来设置外差干涉信号模拟系统不同的工作模式。不同的工作模式对应生成不同的外差干涉信号，分别为包含主拍频、边拍频、多普勒频移、测距通讯以及噪声的科学读出测试模式；包含主拍频、多普勒频移的相位读出测试模式；包含主拍频、边拍频、多普勒频移的频率捕获测试模式；包含主拍频、多普勒频移、测距通讯的测距通讯测试模式。
在本发明的一个具体优选示例中，拍频信号模块7还包括直接数字合成器(以下简称DDS)及乘法器，直接数字合成器生成不大于16位幅值的拍频信号，乘法器位于拍频信号的输出位置，根据PC端设置的指令进行多个拍频信号的幅度调整。
在本发明的一个具体优选示例中，频率偏移模块5产生控制频率偏移的不大于48位的相位增量，对拍频信号模块7进行同步的频率移动，根据PC端设置的指令控制频率偏移模块5启停、移动范围以及移动速率。
在本发明的一个具体优选示例中，噪声生成模块6还包括线性位移寄存器，线性位移寄存器生成均匀分布的随机噪声，根据PC端设置的指令调用随机噪声。
在本发明的一个具体优选示例中，测距通讯模块4内包含存储器，存储器中存储多组、多种类伪随机噪声码(以下简称PRN码)的查找表，可以根据设置的指令调用相应的查找表来调用所存储的PRN码。测距通讯模块4将调用的PRN码与PC输入的数据信息进行异或运算生成测距通讯编码后，采用二进制相移键控方式(以下简称BPSK)调制拍频信号的相位，根据PC端设置的指令控制启停、相位偏移量大小、测距通讯编码的速率。PC输入的数据信息为PC端随机生成的[0,1]序列。
在本发明的一个具体优选示例中，DDS生成的拍频信号的相位增量为：
Figure BDA0003195135640000071
其中，fclk为时钟管理单元1输入的时钟，fout为输出频率，Δθ为相位增量，B为相位宽度；
拍频信号的相位偏移量为：
Figure BDA0003195135640000072
其中，
Figure BDA0003195135640000073
为需要的相位偏移弧度，θpoff为输入系统的相位偏移；
拍频信号的模型为：
Figure BDA0003195135640000081
其中，ωhet是经过频率偏移模块7的主拍频频率，ωsb1和ωsb2是经过频率偏移模块7的两个边拍频频率；
Figure BDA0003195135640000082
和
Figure BDA0003195135640000083
分别表示主拍频、两个边拍频的相位；mprn表示应用于测距和数据通信的调制指数；Cn是具有+1或0值的二进制伪随机噪声码数据编码序列，其脉冲形状由周期1/Tc的p(t)给出；Amain是主拍频的幅度，Asb1、Asb2是两个边拍频的幅度；np(t)、np1(t)、np2(t)为相位噪声，n(t)为加性噪声。
其中ωhet、ωsb1和ωsb2是由初始频率经过频率偏移模块5得到的；
Figure BDA0003195135640000084
为测距通讯模块4生成；拍频信号模块7根据频率以及相位变化生成幅度比例为Amain：Asb1：Asb2的一个主拍频信号和两个边拍频信号；相位噪声与加性噪声为噪声生成模块6生成，相位噪声通过相位调制端口在拍频信号模块相位调制在拍频信号中，加性噪声与拍频信号模块7生成的三个拍频信号在信号耦合模块8耦合为一路具有上述信号模型特性的信号。
在本发明的一个具体优选示例中，控制单元为FPGA芯片。
如图2所示，在本发明的一个具体优选示例中，控制单元生成模拟信号后通过电平转换模块与数模转换单元2进行数据传输，本实施例中，电平转换模块为两个电平转换芯片，一个电平转换芯片(芯片型号为sn74avc1t45)传输数模转换模块的1位时钟信息，另一个电平转换芯片(芯片型号为sn74avc16t245)传输数模转换器的输入的16位数据信息。
如图1所示，干涉信号模拟装置生成模拟信号的主要过程如下：时钟管理单元1提供控制单元的时钟数据以及数模转换单元2的采样时钟；PC端将所需模拟信号的参数、指令通过RS422传送至控制单元，控制单元中的通讯模块3根据指令及参数，控制测距通讯模块4、频率偏移模块5、噪声生成模块6的启停，并控制拍频信号模块7的启停及生成数量。频率偏移模块5模拟多普勒频移，通过频率调制调制在拍频信号中，有多拍频情况，主拍频与边拍频均进行调制；通讯测距模块4将PC输入的数据与本地PRN码异或处理，根据BPSK原理生成相位调制信息，与噪声生成模块6中的相位噪声叠加后，调制在拍频信号的相位中，有多拍频情况，先将测距通讯相位调制信息调制在主拍频中，然后将相位噪声分别相位调制在主拍频与边拍频中；拍频信号模块7根据调相、调幅以及初始频率等参数，以系统时钟为基准生成不超过16位的一个或多个拍频信号，并根据主拍频与边拍频的功率比例应用乘法器进行幅度调制，随后将生成的信号传送至信号耦合模块8；信号耦合模块8将一路或多路拍频信号与噪声生成模块6中的加性噪声共同耦合成为一个输出信号，传送至数模转换单元2，完成数字信号向模拟电压信号的转换，输出电压信号传输至外差干涉信号处理系统。
在本发明的一个具体优选示例中，如图1和图2所示，将经过参数调整后的多路拍频信号经信号耦合模块8耦合成一路16位输出信号，经16位总线收发与电平转换芯片(芯片型号为sn74avc16t245)传送至16位并行数据传输的数模转换单元2中进行数模转换。本实施例中生成的拍频信号频率在0-25MHz频段内，因此数模转换单元2选用DAC芯片(芯片型号为LTC1668)，其支持50MHz的采样频率且支持16位的并行数据输入，将数模转换后的电压通过一路SMA端口输出至外差信号干涉处理系统中。
外差干涉信号处理系统对外差干涉信号模拟系统模拟的信号进行频率捕获、相位读出以及通讯解调等处理，能够得到拍频频率、相位以及解调出PC传输的数据，将这些信息传输至PC端，可以与初始信息进行对比，进而分析频率误差、信噪比、以及通讯的误码率等指标。
实施例1：
一种外差干涉信号模拟系统，包括控制单元、时钟管理单元1、数模转换单元2；控制单元用于控制并产生外差干涉信号模拟系统的工作信号，时钟管理单元1为晶振(型号为SCO-53 33 50-80M)用于提供80MHz时钟作为系统时钟，进而生成控制单元的时钟数据和数模转换单元2的采样时钟；数模转换单元2用于信号采样并将模拟信号转化为数字信号。
数模转换单元2为数模转换芯片(型号为LTC1668)支持50MHz的采样频率且支持16位的并行数据输入。
控制单元包括通讯模块3、测距通讯模块4、至少一个拍频信号模块7、频率偏移模块5、噪声生成模块6和信号耦合模块8。拍频信号模块7的数量决定了所能够生成的拍频信号的数量，本发明的外差干涉信号模拟系统可以灵活生成数个拍频信号，并且生成的拍频信号的幅度、频率、相位可调节，能够满足生成高动态范围外差干涉信号的需求。
通过PC端设置对应的参数、指令来设置外差干涉信号模拟系统不同的工作模式。不同的工作模式对应生成不同的外差干涉信号，分别为包含主拍频、边拍频、多普勒频移、测距通讯以及噪声的科学读出测试模式；包含主拍频、多普勒频移的相位读出测试模式；包含主拍频、边拍频、多普勒频移的频率捕获测试模式；包含主拍频、多普勒频移、测距通讯的测距通讯测试模式。时钟管理单元1输出的时钟数据至控制单元，作为控制单元中各模块的基准时钟；通讯模块3用于PC端与各模块之间的通讯。如图3所示，拍频信号模块7生成一个初始频率为15MHz的主拍频信号、两个初始频率分别为14MHz和16MHz的边拍频信号，所生成的拍频信号经频率偏移模块5进行4Hz/s的频率移动模拟多普勒频移处理，所生成的主拍频信号经过测距通讯模块4进行BPSK相位调制，模拟测距通讯功能，所生成的主拍频信号与边拍频信号在拍频信号模块7中分别经过乘法器调幅后，进入信号耦合模块8经无噪声耦合成为输出信号，输出信号进入数模转换单元2进行数模转化后进行输出。
在本发明的一个具体优选示例中，当系统时钟为80MHz时，能够产生48位的相位宽度输入，拍频信号模块7通过DDS原理生成16位幅值的拍频信号，拍频信号模块7还包括乘法器，乘法器位于DDS的输出位置，16位有符号数的拍频信号幅度输出与5位无符号数进行乘法运算，保留前16位作为幅度调制后的输出。根据PC端设置的指令进行多个拍频信号的幅度调整，保证可以在0-32的乘数范围内完成多拍频信号的功率比例调整。根据PC端设置的指令可以控制拍频信号参数，可以灵活的对拍频信号进行调相、调频以及调幅等操作。
在本发明的一个具体优选示例中，频率偏移模块5产生控制频率偏移的48位相位增量，对拍频信号模块7进行同步的频率移动，根据PC端设置的指令控制启停、移动范围以及移动速率。
在本发明的一个具体优选示例中，测距通讯模块4还包括存储器，通过查找表的方式存储多组、多种类伪随机噪声码，根据PC的指令通过查找表调用速率为2.5Mbps的PRN码与传输速率约为40kbps的PC输入的数据信息进行异或运算生成测距通讯编码后，采用BPSK方式调制在主拍频信号的相位中。当测距通讯编码为‘0’时无相位偏移，为‘1’时增加宽度为48位的相位偏移增量，根据PC端设置的指令控制启停、相位偏移量大小、测距通讯编码的速率。
在本发明的一个具体优选示例中，DDS的拍频信号的相位增量为：
Figure BDA0003195135640000111
其中，fclk为时钟管理单元1输入的时钟，fout为输出频率，Δθ为相位增量，B为相位宽度；
拍频信号的相位偏移量为：
Figure BDA0003195135640000112
其中，
Figure BDA0003195135640000113
为需要的相位偏移弧度，θpoff为输入系统的相位偏移；
拍频信号模型为：
Figure BDA0003195135640000114
其中，ωhet是经过频率偏移模块5的主拍频频率，ωsb1和ωsb2是经过频率偏移模块5的两个边拍频频率；
Figure BDA0003195135640000121
和
Figure BDA0003195135640000122
分别表示它们的相位；mprn表示应用于测距和数据通信的调制指数；Cn是具有+1或0值的二进制伪随机噪声码数据编码序列，其脉冲形状由周期1/Tc的p(t)给出；Amain是主拍频的幅度，Asb1、Asb2是两个边拍频的幅度；np(t)、np1(t)、np2(t)为相位噪声，n(t)为加性噪声，在本实施例中，相位噪声及加性噪声均为0。根据DDS原理，通过改变拍频信号的相位增量模拟多普勒频移；通过改变拍频信号的相位偏移量模拟测距通讯编码的相位调制；通过在DDS的输出处加入乘法器完成拍频信号的幅度调制功能，实现多个拍频信号的功率比例调整。
在本发明的一个具体优选示例中，控制单元为FPGA芯片，指令与参数使用RS422协议与控制单元进行通讯，传输波特率为115200bps。
在本发明的一个具体优选示例中，如图1和图2所示，将经过参数调整后的多路拍频信号经信号耦合模块8耦合成一路16位输出信号，经16位总线收发与电平转换芯片(芯片型号为sn74avc16t245)传送至16位并行数据传输的数模转换单元2中进行数模转换。本实施例1中生成的拍频信号频率在0-25MHz频段内，因此数模转换单元2选用DAC芯片(芯片型号为LTC1668)，其支持50MHz的采样频率且支持16位的并行数据输入，将数模转换后的电压通过一路SMA端口输出至外差信号干涉处理系统中。
实施例2：
一种外差干涉信号模拟系统，包括控制单元、时钟管理单元1、数模转换单元2；控制单元用于控制并产生外差干涉信号模拟系统的工作信号，时钟管理单元1用于提供80MHz时钟作为系统时钟，进而提供控制单元的时钟数据和数模转换单元2的采样时钟；数模转换单元2用于信号采样并将模拟信号转化为数字信号。
控制单元包括通讯模块3、测距通讯模块4、至少一个拍频信号模块7、频率偏移模块5、噪声生成模块6和信号耦合模块8。拍频信号模块7的数量决定了所能够生成的拍频信号的数量，本发明的外差干涉信号模拟系统可以灵活生成数个拍频信号，并且生成的拍频信号的幅度、频率、相位可调节，能够满足生成高动态范围外差干涉信号的需求。
通过PC端设置对应的参数、指令来设置外差干涉信号模拟系统不同的工作模式。不同的工作模式对应生成不同的外差干涉信号，分别为包含主拍频、边拍频、多普勒频移、测距通讯以及噪声的科学读出测试模式；包含主拍频、多普勒频移的相位读出测试模式；包含主拍频、边拍频、多普勒频移的频率捕获测试模式；包含主拍频、多普勒频移、测距通讯的测距通讯测试模式。时钟管理单元1输出的时钟数据至控制单元，作为控制单元中各模块的基准时钟，通讯模块3用于PC端与各模块之间的通讯。如图4所示，拍频信号模块7生成一个初始频率为15MHz的主拍频信号、两个初始频率分别为14MHz和16MHz的边拍频信号，所生成的拍频信号经频率偏移模块5进行4Hz/s的频率移动模拟多普勒频移处理，所生成的主拍频信号经过测距通讯模块4进行BPSK相位调制，模拟测距通讯功能，所生成的主拍频信号与边拍频信号在拍频信号模块7中分别经过乘法器进行调幅，噪声生成模块6分别依次生成的信噪比为25dB的高斯白噪声A和信噪比为50dB的高斯白噪声B，与拍频信号模块7生成的三路拍频信号进入信号耦合模块8经耦合成为输出信号，输出信号进入数模转换单元2进行数模转化后进行输出。
在本发明的一个具体优选示例中，当系统时钟为80MHz时，能够产生48位的相位宽度输入，当拍频信号模块7通过DDS原理生成16位幅值的拍频信号，拍频信号模块7还包括乘法器，乘法器位于DDS的输出位置，16位有符号数的拍频信号幅度输出与5位无符号数进行乘法运算，保留前16位作为幅度调制后的输出。根据PC端设置的指令进行多个拍频信号的幅度调整，保证可以在0-32的乘数范围内完成多拍频信号的功率比例调整。根据PC端设置的指令可以控制拍频信号参数，可以灵活的对拍频信号进行调相、调频以及调幅等操作。
在本发明的一个具体优选示例中，频率偏移模块5产生控制频率偏移的48位相位增量，对拍频信号模块7进行同步的频率移动，根据PC端设置的指令控制启停、移动范围以及移动速率。
在本发明的一个具体优选示例中，测距通讯模块4还包括存储器，通过查找表的方式存储多组、多种类伪随机噪声码，根据PC的指令通过查找表调用速率为2.5Mbps的PRN码与传输速率约为40kbps的PC输入的数据信息进行异或运算生成测距通讯编码后，采用BPSK方式调制在主拍频信号的相位中。当测距通讯编码为‘0’时无相位偏移，为‘1’时增加宽度为48位的相位偏移增量，根据PC端设置的指令控制启停、相位偏移量大小、测距通讯编码的速率。
在本发明的一个具体优选示例中，根据耦合噪声的数学模型，依据均匀分布与相应噪声分布特性(如高斯、泊松等)的映射函数关系，通过数值拟合的方式生成具有相应特性的噪声模型。结合PC端的控制噪声参数，可以实现耦合噪声种类、特性、信噪比、耦合方式的灵活调节，根据空间工程的不同工作模式，调用相应噪声特性的噪声模块。此方式能够使本发明实现多种类噪声模拟，满足实际需求中模拟各种外差干涉信号，使本发明能够应用在多种外差信号模拟的环境中，满足不同工作模式下外差干涉信号模拟系统能够生成不同的模拟信号，也可以进一步测试不同噪声对外差干涉信号模拟系统性能的影响。
在本发明的一个具体优选示例中，DDS的拍频信号的相位增量为：
Figure BDA0003195135640000141
其中，fclk为时钟管理单元1输入的时钟，fout为输出频率，Δθ为相位增量，B为相位宽度；
拍频信号的相位偏移量为：
Figure BDA0003195135640000142
其中，
Figure BDA0003195135640000143
为需要的相位偏移弧度，θpoff为输入系统的相位偏移；
拍频信号模型为：
Figure BDA0003195135640000151
其中，ωhet是经过频率偏移模块5的主拍频频率，ωsb1和ωsb2是经过频率偏移模块5的两个边拍频频率；
Figure BDA0003195135640000152
和
Figure BDA0003195135640000153
分别表示它们的相位；mprn表示应用于测距和数据通信的调制指数；Cn是具有+1或0值的二进制伪随机噪声码数据编码序列，其脉冲形状由周期1/Tc的p(t)给出；Amain是主拍频的幅度，Asb1、Asb2是两个边拍频的幅度；np(t)、np1(t)、np2(t)为相位噪声，n(t)为加性噪声。根据DDS原理，通过改变拍频信号的相位增量模拟多普勒频移；通过改变拍频信号的相位偏移量模拟测距通讯编码的相位调制；通过在DDS的输出处加入乘法器完成拍频信号的幅度调制功能，实现多个拍频信号的功率比例调整；通过信号耦合模块8实现将加性高斯白噪声与三个拍频信号耦合为一路信号。
在本发明的一个具体优选示例中，控制单元为FPGA芯片，指令与参数使用RS422协议与控制单元进行通讯，传输波特率为115200bps。
在本发明的一个具体优选示例中，如图1和图2所示，将经过参数调整后的多路拍频信号经信号耦合模块8耦合成一路16位输出信号，经16位总线收发与电平转换芯片(芯片型号为sn74avc16t245)传送至16位并行数据传输的数模转换单元2中进行数模转换。本实施例2中生成的拍频信号频率在0-25MHz频段内，因此数模转换单元2选用DAC芯片(芯片型号为LTC1668)，其支持50MHz的采样频率且支持16位的并行数据输入，将数模转换后的电压通过一路SMA端口输出至外差信号干涉处理系统中。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体优选示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种外差干涉信号模拟系统，其特征在于，包括用于控制并产生外差干涉信号模拟系统的工作信号的控制单元、用于提供所述控制单元的时钟数据和所述数模转换单元的采样时钟的时钟管理单元、用于信号采样并将数字信号转化为模拟信号的数模转换单元；
所述控制单元包括通讯模块、测距通讯模块、频率偏移模块、至少一个拍频信号模块、噪声生成模块和信号耦合模块；其中，
所述通讯模块用于完成与PC端的通讯，完成与所述拍频信号模块、所述频率偏移模块、所述测距通讯模块、所述噪声生成模块、所述信号耦合模块之间的指令与参数的传递；
所述测距通讯模块用于模拟直接序列扩频通讯信号；
所述拍频信号模块用于生成至少一个拍频信号，当生成的拍频信号大于一个时，分为主拍频信号和边拍频信号，且幅度、频率均可调节；
所述频率偏移模块用于生成模拟空间多普勒频移效应信号；
所述噪声生成模块用于生成相位噪声信号和加性噪声信号；
所述信号耦合模块用于将所述拍频信号模块生成的拍频信号、噪声模块生成的加性噪声信号耦合成为输出信号传送至所述数模转换单元进行数模转换；
所述外差干涉信号模拟系统通过所述PC端设置需生成模拟信号的参数、指令来设置外差干涉信号模拟系统不同的工作模式；不同的工作模式对应生成不同的外差干涉信号，分别为包含主拍频、边拍频、多普勒频移、测距通讯以及噪声的科学读出测试模式；包含主拍频、多普勒频移的相位读出测试模式；包含主拍频、边拍频、多普勒频移的频率捕获测试模式；包含主拍频、多普勒频移、测距通讯的测距通讯测试模式。
2.根据权利要求1所述的外差干涉信号模拟系统，其特征在于，所述拍频信号模块还包括直接数字合成器和乘法器，所述直接数字合成器生成不大于16位幅值的拍频信号，所述乘法器位于所述直接数字合成器的输出位置，根据所述PC端设置的指令进行多个拍频信号的幅度调整。
3.根据权利要求2所述的外差干涉信号模拟系统，其特征在于，所述频率偏移模块产生控制频率偏移的不大于48位的相位增量，对所述拍频信号模块进行同步的频率移动，根据所述PC端设置的指令控制所述频率偏移模块启停、移动范围以及移动速率。
4.根据权利要求1所述的外差干涉信号模拟系统，其特征在于，所述噪声生成模块还包括线性位移寄存器，所述线性位移寄存器生成均匀分布的随机噪声，根据所述PC端设置的指令调用所述随机噪声。
5.根据权利要求4所述的外差干涉信号模拟系统，其特征在于，所述测距通讯模块还包括存储器，所述存储器中存储多组、多种类伪随机噪声码的查找表，根据PC端设置的指令调用相应的查找表来调用所存储的伪随机噪声码。
6.根据权利要求5所述的外差干涉信号模拟系统，其特征在于，所述测距通讯模块将调用的伪随机噪声码与所述PC输入的数据信息进行异或运算生成测距通讯编码后，采用二进制相移键控方式调制所述拍频信号的相位，根据所述PC端设置的指令控制启停、相位偏移量大小、测距通讯编码的速率。
7.根据权利要求2所述的外差干涉信号模拟系统，其特征在于，所述直接数字合成器生成的所述拍频信号的相位增量为：
Figure FDA0003195135630000021
其中，fclk为时钟管理单元输入的时钟，fout为输出频率，Δθ为相位增量，B为相位宽度；
所述拍频信号的相位偏移量为：
Figure FDA0003195135630000022
其中，
Figure FDA0003195135630000023
为需要的相位偏移弧度，θpoff为输入系统的相位偏移；
所述拍频信号的模型为：
Figure FDA0003195135630000024
其中，ωhet是经过所述频率偏移模块的主拍频频率，ωsb1和ωsb2是经过所述频率偏移模块的两个边拍频频率；
Figure FDA0003195135630000031
和
Figure FDA0003195135630000032
分别表示主拍频、两个边拍频的相位；mprn表示应用于测距和数据通信的调制指数；Cn是具有+1或0值的二进制伪随机噪声码数据编码序列，其脉冲形状由周期1/Tc的p(t)给出；Amain是主拍频的幅度，Asb1、Asb2是两个边拍频的幅度；np(t)、np1(t)、np2(t)为相位噪声，n(t)为加性噪声。
8.根据权利要求1所述的外差干涉信号模拟系统，其特征在于，所述控制单元为FPGA芯片。
9.根据权利要求1所述的外差干涉信号模拟系统，其特征在于，还包括电平转换模块，所述控制单元生成所述模拟信号后通过所述电平转换模块与所述数模转换单元进行数据传输。
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030223077A1 (en) * 2002-05-13 2003-12-04 Hill Henry A. Compensation for geometric effects of beam misalignments in plane mirror interferometers
CN101825458A (zh) * 2010-03-31 2010-09-08 北京航空航天大学 干涉相位比较法绝对距离测量系统
JP2011242345A (ja) * 2010-05-21 2011-12-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology スペクトル測定装置及び測定方法
US20120154780A1 (en) * 2010-12-16 2012-06-21 Zygo Corporation Cyclic error compensation in interferometric encoder systems
CN103234515A (zh) * 2013-04-19 2013-08-07 中国科学院力学研究所 一种空间激光干涉系统弱光锁相技术的模拟方法和装置
CN106025787A (zh) * 2016-08-08 2016-10-12 清华大学 基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统
CN106324613A (zh) * 2016-10-19 2017-01-11 清华大学深圳研究生院 用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及方法
US20170016835A1 (en) * 2014-04-07 2017-01-19 Nova Measuring Instruments Ltd. Optical phase measurement method and system
CN108732579A (zh) * 2017-04-13 2018-11-02 莱卡地球系统公开股份有限公司 借助于干涉测量的高分辨率距离测量
CN110412606A (zh) * 2019-08-16 2019-11-05 中国科学院武汉物理与数学研究所 基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置及其方法
CN112764007A (zh) * 2020-12-25 2021-05-07 北醒（北京）光子科技有限公司 一种调频连续波激光雷达系统及激光雷达扫描方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030223077A1 (en) * 2002-05-13 2003-12-04 Hill Henry A. Compensation for geometric effects of beam misalignments in plane mirror interferometers
CN101825458A (zh) * 2010-03-31 2010-09-08 北京航空航天大学 干涉相位比较法绝对距离测量系统
JP2011242345A (ja) * 2010-05-21 2011-12-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology スペクトル測定装置及び測定方法
US20120154780A1 (en) * 2010-12-16 2012-06-21 Zygo Corporation Cyclic error compensation in interferometric encoder systems
CN103234515A (zh) * 2013-04-19 2013-08-07 中国科学院力学研究所 一种空间激光干涉系统弱光锁相技术的模拟方法和装置
US20170016835A1 (en) * 2014-04-07 2017-01-19 Nova Measuring Instruments Ltd. Optical phase measurement method and system
CN106025787A (zh) * 2016-08-08 2016-10-12 清华大学 基于外差干涉法的飞秒激光载波包络偏移频率锁定系统
CN106324613A (zh) * 2016-10-19 2017-01-11 清华大学深圳研究生院 用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及方法
CN108732579A (zh) * 2017-04-13 2018-11-02 莱卡地球系统公开股份有限公司 借助于干涉测量的高分辨率距离测量
CN110412606A (zh) * 2019-08-16 2019-11-05 中国科学院武汉物理与数学研究所 基于外差激光干涉仪同时测量距离和位移的装置及其方法
CN112764007A (zh) * 2020-12-25 2021-05-07 北醒（北京）光子科技有限公司 一种调频连续波激光雷达系统及激光雷达扫描方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
高凯: "全反射式外差干涉测量微小应力的模拟分析", 《激光与光电子学进展》 *

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