CN113933612B - 一种基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统及测量方法 - Google Patents

一种基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统及测量方法，包括参考信号模块、被测信号模块、群相位重合点脉冲检测模块、单片机处理模块、FPGA模块、相位差转换模块、时频域转换模块、测量结果显示模块和电源模块；通过异频群量子化相位处理方法，实现了射频范围内被测信号相位的直接测量和比对，避免了传统相位噪声测量方法中相位处理的固有缺陷，即频率不同信号之间的相位处理困难，解决了具有复杂频率关系和大频率差异关系下的相位处理问题，扩宽了相位噪声测量的范围，加快了相位噪声测量的速度，实现了单一高精度参考源下任意射频被测信号的精密相位噪声测量。

Description

一种基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统及测量 方法
技术领域
本发明涉及一种相位噪声测量系统及测量方法，尤其涉及一种基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统及测量方法。
背景技术
相位噪声是衡量北斗星载原子钟、高性能晶体振荡器等北斗导航卫星有效载荷品质优劣的重要标准，相位噪声测量的水平也常作为衡量一个国家测试水平和测试能力的标志，它能带动和促进北斗卫星测控及其相关领域的技术发展，因而在航空航天、导航定位、深空探测、原子频标及其它高科技领域具有广泛应用。目前的相位噪声测量方法主要有检相法、鉴频法、差拍法等，这些测量方法均建立在同频相位处理基础之上，针对有频率差别信号之间的相位处理，如北斗卫星1pps信号的相位异常检测等，其只能通过频率变换的方法(如采用高精度的频率合器等)才能进行，频率变换引入了附加电路的噪声，最终使测量精度难以保证，无法满足北斗时频设备如北斗卫星钟、北斗地基增加系统中的原子钟及其各种精密晶体振荡器等对相位噪声指标的高精度需求，大大影响了北斗导航卫星有效载荷的高性能发挥和广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统及测量方法，采用异频群量子化相位处理方法，能够大幅度提高相位噪声测量的分辨率和测量精度，加快相位噪声测量系统的测量速度。
本发明采用下述技术方案：
一种基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，包括参考信号模块、被测信号模块、群相位重合点脉冲检测模块、单片机处理模块、FPGA模块、相位差转换模块、时频域转换模块、测量结果显示模块和电源模块；参考信号模块的信号输出端和被测信号模块的信号输出端同时连接群相位重合点脉冲检测模块的信号输入端，群相位重合点脉冲检测模块的信号输出端连接单片机处理模块的信号输入端，单片机处理模块的信号输出端连接FPGA模块的信号输入端，FPGA模块的信号输出端连接相位差转换模块的信号输入端，相位差转换模块的信号输出端连接时频域转换模块的信号输入端，时频域转换模块的信号输出端连接测量结果显示模块的信号输入端；
所述的参考信号模块由精密频率源组成，用于提供高精度频率标准信号；
所述的被测信号模块由频率合成器组成，用于产生各种不同频率的被测信号；
所述的群相位重合点脉冲检测模块由群相位同步电路组成，用于产生频率标准信号与被测信号之间的群相位重合点脉冲；
所述的单片机处理模块由自带高速AD转换器的单片机组成，用于对群相位重合点脉冲的高分辨率采集；
所述的FPGA模块由自带高精度锁相环的FPGA组成，用于对相位差数据的处理和实现74LS系列芯片的逻辑功能；
所述的相位差转换模块由时差分析仪组成，用于对来自FPGA模块的数据进行相位差-频率稳定度转换；
所述的时频域转换模块由频谱分析仪组成，用于对来自相位差转换模块的时域数据(频率稳定度)转换为频域数据(相位噪声)；
所述的测量结果显示模块，用于接收时频域转换模块的转换结果并进行显示。
电源模块对整个系统进行供电，可采用开关电源，相比于模拟电源具有输出稳定的优点。
所述的精密频率源采用Microsemi 5071A铯原子钟。
所述的频率合成器采用KEYSIGHT E8663D频率信号源。
所述的群相位同步电路由第一脉冲变换电路、第一线脉冲变换电路、第二脉冲变换电路、第二线脉冲变换电路、触发器74LS74N芯片和逻辑门74LS11N芯片组成；
第一脉冲变换电路由第一触发器74LS14N芯片和第一反相器74LS04N芯片组成，第一触发器74LS14N芯片的信号输入端连接参考信号模块的信号输出端，第一触发器74LS14N芯片的信号输出端连接第一反相器74LS04N芯片的信号输入端，第一反相器74LS04N芯片的信号输出端作为第一脉冲变换电路的信号输出端连接第一线脉冲变换电路的信号输入端；
第一线脉冲变换电路由第一反相器74LS04D芯片和第一逻辑门74LS08D芯片组成，第一反相器74LS04D芯片的信号输入端和第一逻辑门74LS08D芯片的A信号输入端同时连接第一反相器74LS04N芯片的信号输出端，第一反相器74LS04D芯片的信号输出端连接第一逻辑门74LS08D芯片的B信号输入端，第一逻辑门74LS08D芯片的信号输出端作为第一线脉冲变换电路的输出端连接逻辑门74LS11N芯片的A信号输入端；
第二脉冲变换电路由第二触发器74LS14N芯片和第二反相器74LS04N芯片组成，第二触发器74LS14N芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，第二触发器74LS14N芯片的信号输出端连接第二反相器74LS04N芯片的信号输入端，第二反相器74LS04N芯片的信号输出端第二脉冲变换电路的信号输出端连接第二线脉冲变换电路的信号输入端；
第二线脉冲变换电路由第二反相器74LS04D芯片和第二逻辑门74LS08D芯片组成，第二反相器74LS04D芯片的信号输入端和第二逻辑门74LS08D芯片的A信号输入端同时连接第二反相器74LS04N芯片的信号输出端，第二反相器74LS04D芯片的信号输出端连接第二逻辑门74LS08D芯片的B信号输入端，第二逻辑门74LS08D芯片的信号输出端作为第二线脉冲变换电路的输出端连接逻辑门74LS11N芯片的C信号输入端；
触发器74LS74N芯片的D信号输入端和CLK边沿时钟信号输入端分别连接第一脉冲变换电路的信号输出端和第二脉冲变换电路的信号输出端，触发器74LS74N芯片的Q信号输出端连接逻辑门74LS11N芯片的B信号输入端,逻辑门74LS11N芯片的信号输出端作为群相位重合点脉冲检测模块的信号输出端。
所述的自带高速AD转换器的单片机采用MSP430F248芯片。
所述的自带高精度锁相环的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。
所述的高精度时差分析仪采用Symmetricom 5110A时差分析仪。
所述的高精度频谱分析仪采用KEYSIGHT N9030B频谱分析仪。
传统的相位噪声测量技术建立在同频相位处理基础之上，相对于传统的相位噪声测量技术，本发明无需混频、分频、倍频等复杂的频率变换线路即无需被测信号频率的归一化处理，利用单片机控制技术能够大幅度提高相位噪声测量的分辨率和测量精度。由于采用了区别于传统相位处理方法的异频群量子相位处理技术，本发明的相位噪声测量分辨率和测量精度均得到了大幅度提高，系统更加稳定，安全性、可靠性更高，任意时刻被测信号的相位差测量分辨率优于1ps，相位噪声测量精度优于-169dBc，响应时间优于1ms，加快了相位噪声测量系统的测量速度。
一种使用基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量方法，依次包括以下步骤：
A:首先利用脉冲变换电路对参考信号和被测信号进行脉冲变换，获得参考信号线脉冲和被测信号线脉冲，然后对参考信号线脉冲和被测信号线脉冲进行群相位重合点检测，获得群相位重合点脉冲；
B:利用单片机内的高速AD转换器对群相位重合点脉冲进行高分辨率采集，并把所采集的群相位重合点脉冲数据送入FPGA内的锁相环进行处理，获得固定的群相位差值即群相位重合点脉冲的固定值；
C:将固定的群相位差值送入相位差转换模块，通过测量获得与固定的群相位差值相对应的频率稳定度值，即参考信号和被测信号之间的相位起伏(群相位差值代表相位起伏的总体情况)被转换为易于观察的频率稳定度；
D：将频率稳定度值送入时频域转换模块，获得与频率稳定度值相对应的频域数据即相位噪声功率谱密度。
本发明的有益效果为：通过异频群量子化相位处理方法，实现了射频范围内被测信号相位的直接测量和比对，避免了传统相位噪声测量方法中相位处理的固有缺陷，即频率不同信号之间的相位处理困难，解决了具有复杂频率关系和大频率差异关系下的相位处理问题，扩宽了相位噪声测量的范围，加快了相位噪声测量的速度，实现了单一高精度参考源下任意射频被测信号的精密相位噪声测量。
附图说明
图1为本发明所述基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：
如图1所示，本发明所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，包括参考信号模块、被测信号模块、群相位重合点脉冲检测模块、单片机处理模块、FPGA模块、相位差转换模块、时频域转换模块、测量结果显示模块和电源模块；参考信号模块的信号输出端和被测信号模块的信号输出端同时连接群相位重合点脉冲检测模块的信号输入端，群相位重合点脉冲检测模块的信号输出端连接单片机处理模块的信号输入端，单片机处理模块的信号输出端连接FPGA模块的信号输入端，FPGA模块的信号输出端连接相位差转换模块的信号输入端，相位差转换模块的信号输出端连接时频域转换模块的信号输入端，时频域转换模块的信号输出端连接测量结果显示模块的信号输入端。
所述的参考信号模块由精密频率源组成，采用Microsemi 5071A铯原子钟，用于提供高精度频率标准信号；
所述的被测信号模块由频率合成器组成，采用KEYSIGHT E8663D频率信号源，用于产生各种不同频率的被测信号；
所述的群相位重合点脉冲检测模块由群相位同步电路组成，用于产生频率标准信号与被测信号之间的群相位重合点脉冲；
群相位同步电路由第一脉冲变换电路、第一线脉冲变换电路、第二脉冲变换电路、第二线脉冲变换电路、触发器74LS74N芯片和逻辑门74LS11N芯片组成；
第一脉冲变换电路由第一触发器74LS14N芯片和第一反相器74LS04N芯片组成，第一触发器74LS14N芯片的信号输入端连接参考信号模块的信号输出端，第一触发器74LS14N芯片的信号输出端连接第一反相器74LS04N芯片的信号输入端，第一反相器74LS04N芯片的信号输出端作为第一脉冲变换电路的信号输出端连接第一线脉冲变换电路的信号输入端；
第一线脉冲变换电路由第一反相器74LS04D芯片和第一逻辑门74LS08D芯片组成，第一反相器74LS04D芯片的信号输入端和第一逻辑门74LS08D芯片的A信号输入端同时连接第一反相器74LS04N芯片的信号输出端，第一反相器74LS04D芯片的信号输出端连接第一逻辑门74LS08D芯片的B信号输入端，第一逻辑门74LS08D芯片的信号输出端作为第一线脉冲变换电路的输出端连接逻辑门74LS11N芯片的A信号输入端；
第二脉冲变换电路由第二触发器74LS14N芯片和第二反相器74LS04N芯片组成，第二触发器74LS14N芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，第二触发器74LS14N芯片的信号输出端连接第二反相器74LS04N芯片的信号输入端，第二反相器74LS04N芯片的信号输出端第二脉冲变换电路的信号输出端连接第二线脉冲变换电路的信号输入端；
第二线脉冲变换电路由第二反相器74LS04D芯片和第二逻辑门74LS08D芯片组成，第二反相器74LS04D芯片的信号输入端和第二逻辑门74LS08D芯片的A信号输入端同时连接第二反相器74LS04N芯片的信号输出端，第二反相器74LS04D芯片的信号输出端连接第二逻辑门74LS08D芯片的B信号输入端，第二逻辑门74LS08D芯片的信号输出端作为第二线脉冲变换电路的输出端连接逻辑门74LS11N芯片的C信号输入端；
触发器74LS74N芯片的D信号输入端和CLK边沿时钟信号输入端分别连接第一脉冲变换电路的信号输出端和第二脉冲变换电路的信号输出端，触发器74LS74N芯片的Q信号输出端连接逻辑门74LS11N芯片的B信号输入端,逻辑门74LS11N芯片的信号输出端作为群相位重合点脉冲检测模块的信号输出端；
所述的单片机处理模块由自带高速AD转换器的单片机组成，采用MSP430F248芯片，用于对群相位重合点脉冲的高分辨率采集；
所述的FPGA模块由自带高精度锁相环的FPGA组成，采用Cyclone IV芯片EP4CE75，用于对相位差数据的处理和实现74LS系列芯片逻辑功能；
所述的相位差转换模块由时差分析仪组成，采用Symmetricom 5110A时差分析仪，用于对来自FPGA模块的数据进行相位差-频率稳定度转换；
所述的时频域转换模块由频谱分析仪组成，采用KEYSIGHT N9030B频谱分析仪，用于对来自相位差转换模块的时域数据(频率稳定度)转换为频域数据(相位噪声)；
所述的测量结果显示模块，采用LCD液晶显示器，用于接收时频域转换模块的转换结果并进行显示。
电源模块对整个系统进行供电，可采用开关电源，相比于模拟电源具有输出稳定的优点。
传统的相位噪声测量方法是基于同频相位处理的测量方法，在相位噪声测量过程中，采用传统的相位处理技术，必须将被频率经过混频、倍频以及频率合成等使其频率值与参考信号的频率值相同即频率的归一化处理，才能获得高精度的相位噪声测量结果，本发明无需复杂的频率变换即无需被测频率的归一化处理，利用单片机控制技术能够大幅度提高相位噪声测量的分辨率和测量精度。
综上所述，本发明中的电路结构简单，相位噪声低，由于采用了区别于传统相位处理方法的异频群量子相位处理技术，本发明的相位噪声测量分辨率和测量精度均得到了大幅度提高，系统更加稳定，安全性、可靠性更高，任意时刻被测信号的相位差测量分辨率优于1ps，相位噪声测量精度优于-169dBc，响应时间优于1ms，加快了相位噪声测量系统的测量速度。

Claims (9)

1.一种基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，其特征在于：包括参考信号模块、被测信号模块、群相位重合点脉冲检测模块、单片机处理模块、FPGA模块、相位差转换模块、时频域转换模块、测量结果显示模块和电源模块；所述参考信号模块的信号输出端和被测信号模块的信号输出端同时连接群相位重合点脉冲检测模块的信号输入端，所述群相位重合点脉冲检测模块的信号输出端连接单片机处理模块的信号输入端，所述单片机处理模块的信号输出端连接FPGA模块的信号输入端，所述FPGA模块的信号输出端连接相位差转换模块的信号输入端，所述相位差转换模块的信号输出端连接时频域转换模块的信号输入端，所述时频域转换模块的信号输出端连接测量结果显示模块的信号输入端；
所述的参考信号模块由精密频率源组成，用于提供高精度频率标准信号；
所述的被测信号模块由频率合成器组成，用于产生不同频率的被测信号；
所述的群相位重合点脉冲检测模块由群相位同步电路组成，用于产生频率标准信号与被测信号之间的群相位重合点脉冲；所述的群相位同步电路由第一脉冲变换电路、第一线脉冲变换电路、第二脉冲变换电路、第二线脉冲变换电路、触发器74LS74N芯片和逻辑门74LS11N芯片组成；
所述的单片机处理模块由自带高速AD转换器的单片机组成，用于对群相位重合点脉冲的高分辨率采集；
所述的FPGA模块由自带高精度锁相环的FPGA组成，用于对相位差数据的处理和实现74LS系列芯片的逻辑功能；
所述的相位差转换模块由时差分析仪组成，用于对来自FPGA模块的数据进行相位差-频率稳定度转换；
所述的时频域转换模块由频谱分析仪组成，用于对来自相位差转换模块的时域数据转换为频域数据；
所述电源模块用于对整个系统进行供电。
2.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，其特征在于：所述的精密频率源采用Microsemi 5071A铯原子钟。
3.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，其特征在于：所述的频率合成器采用KEYSIGHT E8663D频率信号源。
4.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，其特征在于：自带高速AD转换器的单片机采用MSP430F248芯片。
5.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，其特征在于：所述的自带高精度锁相环的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。
6.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，其特征在于：所述的时差分析仪采用Symmetricom 5110A时差分析仪。
7.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，其特征在于：所述的频谱分析仪采用KEYSIGHT N9030B频谱分析仪。
8.根据权利要求1所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统，其特征在于：
第一脉冲变换电路由第一触发器74LS14N芯片和第一反相器74LS04N芯片组成，第一触发器74LS14N芯片的信号输入端连接参考信号模块的信号输出端，第一触发器74LS14N芯片的信号输出端连接第一反相器74LS04N芯片的信号输入端，第一反相器74LS04N芯片的信号输出端作为第一脉冲变换电路的信号输出端连接第一线脉冲变换电路的信号输入端；
第一线脉冲变换电路由第一反相器74LS04D芯片和第一逻辑门74LS08D 芯片组成，第一反相器74LS04D芯片的信号输入端和第一逻辑门74LS08D 芯片的A信号输入端同时连接第一反相器74LS04N芯片的信号输出端，第一反相器74LS04D芯片的信号输出端连接第一逻辑门74LS08D 芯片的B信号输入端，第一逻辑门74LS08D 芯片的信号输出端作为第一线脉冲变换电路的输出端连接逻辑门74LS11N芯片的A信号输入端；
第二脉冲变换电路由第二触发器74LS14N芯片和第二反相器74LS04N芯片组成，第二触发器74LS14N芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，第二触发器74LS14N芯片的信号输出端连接第二反相器74LS04N芯片的信号输入端，第二反相器74LS04N芯片的信号输出端第二脉冲变换电路的信号输出端连接第二线脉冲变换电路的信号输入端；
第二线脉冲变换电路由第二反相器74LS04D芯片和第二逻辑门74LS08D 芯片组成，第二反相器74LS04D芯片的信号输入端和第二逻辑门74LS08D 芯片的A信号输入端同时连接第二反相器74LS04N芯片的信号输出端，第二反相器74LS04D芯片的信号输出端连接第二逻辑门74LS08D 芯片的B信号输入端，第二逻辑门74LS08D 芯片的信号输出端作为第二线脉冲变换电路的输出端连接逻辑门74LS11N芯片的C信号输入端；
触发器74LS74N芯片的D信号输入端和CLK边沿时钟信号输入端分别连接第一脉冲变换电路的信号输出端和第二脉冲变换电路的信号输出端，触发器74LS74N芯片的Q信号输出端连接逻辑门74LS11N芯片的B信号输入端, 逻辑门74LS11N芯片的信号输出端作为群相位重合点脉冲检测模块的信号输出端。
9.一种使用如权利要求1-8所述的基于北斗导航卫星有效载荷的相位噪声测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1: 首先利用脉冲变换电路对参考信号和被测信号进行脉冲变换，获得参考信号线脉冲和被测信号线脉冲，然后对参考信号线脉冲和被测信号线脉冲进行群相位重合点检测，获得群相位重合点脉冲；
步骤2: 利用单片机内的高速AD转换器对群相位重合点脉冲进行高分辨率采集，并把所采集的群相位重合点脉冲数据送入FPGA内的锁相环进行处理，获得固定的群相位差值即群相位重合点脉冲的固定值；
步骤3: 将固定的群相位差值送入相位差转换模块，通过测量获得与固定的群相位差值相对应的频率稳定度值，即参考信号和被测信号之间的相位起伏（群相位差值代表相位起伏的总体情况）被转换为易于观察的频率稳定度；
步骤4：将频率稳定度值送入时频域转换模块，获得与频率稳定度值相对应的频域数据即相位噪声功率谱密度。
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