CN113933613B - 一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，采用群相位重合点脉冲检测技术，能够有效解决相位差测量的高分辨率问题，大幅度提高相位噪声测量系统的测量精度，任意时刻的相位差测量分辨率率优于1ps，相位噪声测量精度优于‑170dBc，加强了北斗卫星测控装备的稳定性和可靠性，为复杂空地背景下北斗卫星的高精度导航定位服务奠定了基础。

Description

一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片
技术领域
本发明涉及相位噪声测量芯片技术领域，尤其涉及一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片。
背景技术
北斗卫星测控系统的可靠性、稳定性和抗干扰能力对北斗高精度定位服务具有决定性作用，其中相位噪声是影响北斗卫星测控系统尤其是精密频率源系统如各种原子钟、晶体振荡器等性能稳定的一个重要因素，传统的相位噪声测量方法如检相法、鉴频法、锁相处理法等，都是建立在同频信号的基础之上，有频率差别的信号只能通过频率变换的方法才能进行处理。如果想在宽频率范围内完成测量中所必须的相位处理就必须结合使用高精度的频率合成器，这样不仅使整个北斗卫星测控系统体积增大、成本增加，而且合成线路引入的附加噪声难以保证相位噪声测量的高精度，不能满足北斗卫星测控系统对北斗导航定位的高精度需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，采用群相位重合点脉冲检测技术，能够有效解决相位差测量的高分辨率问题，大幅度提高相位噪声测量系统的测量精度，加强北斗卫星测控装备的稳定性和可靠性，为复杂空地背景下北斗卫星的高精度导航定位服务奠定基础。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，包括频标信号模块、被测信号模块、第一线脉冲变换模块、第二线脉冲变换模块、第一FPGA可编程计数器模块、FPGA可编程混频器模块、DDS频率合成器模块、群相位重合点脉冲检测模块、第二FPGA可编程计数器模块、时频域数据转换模块、延迟模块、显示模块和电源模块；频标信号模块的信号输出端连接第一线脉冲变换模块的信号输入端，第一线脉冲变换模块的信号输出端分别连接DDS频率合成器模块的信号输入端、延迟模块的信号输入端和第二FPGA可编程计数器模块的信号输入端，延迟模块的信号输出端连接群相位重合点脉冲检测模块的信号输入端，被测信号模块的信号输出端连接第二线脉冲变换模块的信号输入端，第二线脉冲变换模块的信号输出端分别连接第一FPGA可编程计数器模块的信号输入端和FPGA可编程混频器模块的信号输入端，第一FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接FPGA可编程混频器模块的信号输入端，FPGA可编程混频器模块的信号输出端连接DDS频率合成器模块的信号输入端，DDS频率合成器模块的信号输出端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第二FPGA可编程计数器模块的信号输入端，第二FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接时频域数据转换模块的信号输入端，时频域数据转换模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；
所述的频标信号模块由精密频率源组成，用于产生相位噪声测量的参考信号；
所述的被测信号模块由高精度频率合成器组成，用于产生各种不同频率的被测信号；
所述的第一线脉冲变换模块由第一线脉冲变换电路组成，用于产生频标线脉冲信号；
所述的延迟模块由移相器组成，用于对频标线脉冲信号的时间延迟；
所述的第二线脉冲变换模块由第二线脉冲变换电路组成，用于产生被测线脉冲信号；
所述的第一FPGA可编程计数器模块由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于被测线脉冲信号频率的测量，获得被测信号的频率粗测值；
所述的FPGA可编程混频器模块由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于产生被测信号的差拍频率值；
所述的DDS频率合成器模块由DDS直接频率合成器组成，用于产生以DDS外部时钟频率为标称频率的新被测线脉冲信号；
所述的群相位重合点脉冲检测模块由群相位同步检测电路组成，用于产生群相位重合点脉冲；
所述的第二FPGA可编程计数器模块由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于群相位重合点脉冲之间的连续时间间隔测量；
所述的时频域数据转换模块由单片机组成，用于完成时域数据（连续时间间隔测量值）与频域数据（相位噪声功率谱密度）之间的转换；
所述的显示模块，用于接收时频域数据转换模块的转换结果并显示相位噪声测量曲线。
所述的精密频率源采用OSA 5MHz 8607B高性能晶体振荡器（秒级频率稳定度5E-13）。
所述的高精度频率合成器采用KEYSIGHT E8663D 频率合成器。
所述的第一线脉冲变换电路由触发器74LS14N芯片、逻辑非门74LS04N芯片和逻辑与门74LS08N芯片组成，触发器74LS14N芯片的信号输入端连接频标信号模块的信号输出端，触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08N芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08N芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08N芯片的信号输出端作为第一线脉冲变换模块的信号输出端。
所述的第二线脉冲变换电路由触发器74LS14D芯片、逻辑非门74LS04D芯片和逻辑与门74LS08D芯片组成，触发器74LS14D芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，触发器74LS14D芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04D芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端作为第二线脉冲变换模块的信号输出端。
所述的移相器采用触发器74LS375N芯片。
所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。
所述的DDS直接频率合成器采用DDS AD9858芯片。
所述的群相位同步检测电路由触发器74LS74N芯片和逻辑门74LS11N芯片组成，触发器74LS74N芯片的D信号输入端和CLK时钟信号输入端在连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端和逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端，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A信号输入端和C信号输入端分别连接第一线脉冲变换模块的信号输出端和第二线脉冲变换模块的信号输出端。
所述的单片机采用FPGA自带的单片机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所述的北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，相对于传统的相位噪声测量方法，本发明采用群相位重合点脉冲检测技术，使相位差测量的分辨率得到了极大提高，任意时刻的相位差测量分辨率率优于1ps，相位噪声测量精度优于-170dBc，利用FPGA技术使系统结构芯片化，集成度高，降低了开发成本，抑制了噪声，获得了系统的高稳定性和高可靠性，为复杂空地背景下北斗卫星的高精度导航定位服务奠定了基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
如图1所示，本发明所述的北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，包括频标信号模块、被测信号模块、第一线脉冲变换模块、第二线脉冲变换模块、第一FPGA可编程计数器模块、FPGA可编程混频器模块、DDS频率合成器模块、群相位重合点脉冲检测模块、第二FPGA可编程计数器模块、时频域数据转换模块、延迟模块、显示模块和电源模块；频标信号模块的信号输出端连接第一线脉冲变换模块的信号输入端，第一线脉冲变换模块的信号输出端分别连接DDS频率合成器模块的信号输入端、延迟模块的信号输入端和第二FPGA可编程计数器模块的信号输入端，延迟模块的信号输出端连接群相位重合点脉冲检测模块的信号输入端，被测信号模块的信号输出端连接第二线脉冲变换模块的信号输入端，第二线脉冲变换模块的信号输出端分别连接第一FPGA可编程计数器模块的信号输入端和FPGA可编程混频器模块的信号输入端，第一FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接FPGA可编程混频器模块的信号输入端，FPGA可编程混频器模块的信号输出端连接DDS频率合成器模块的信号输入端，DDS频率合成器模块的信号输出端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第二FPGA可编程计数器模块的信号输入端，第二FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接时频域数据转换模块的信号输入端，时频域数据转换模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端。
所述的频标信号模块采用OSA 5MHz 8607B高性能晶体振荡器，用于产生相位噪声测量的参考信号， OSA 5MHz 8607B高性能晶体振荡器的秒级频率稳定度为5E-13，是目前世界上具有最高精度的晶体振荡器，且体积小、重量轻、响应时间快、性能高稳定。
所述的被测信号模块采用KEYSIGHT E8663D 频率合成器，用于产生各种不同频率的被测信号，KEYSIGHT E8663D 频率合成器由于其复杂的频率变换，其秒级频率稳定度为2E-7，能够合成产生出北斗卫星测控装备中各种频率源产生的信号且秒级频率稳定度相同。
所述的第一线脉冲变换模块采用第一线脉冲变换电路，用于产生频标线脉冲信号，第一线脉冲变换电路由触发器74LS14N芯片、逻辑非门74LS04N芯片和逻辑与门74LS08N芯片组成，触发器74LS14N芯片的信号输入端连接频标信号模块的信号输出端，触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08N芯片的A1信号输入端，逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08N芯片的B1信号输入端，逻辑与门74LS08N芯片的信号输出端作为第一线脉冲变换模块的信号输出端；
频标信号为模拟的正弦周期信号，被送入触发器74LS14N芯片进行整形转换为反相的第一方波脉冲信号，该第一方波脉冲信号再次被送入逻辑非门74LS04N芯片进行相位取反（逻辑非门74LS04N芯片除具有相位取反功能外，还具有延迟功能），相位取反后的第一方波脉冲信号与原第一方波脉冲信号分别送入逻辑与门74LS08N芯片的A1信号输入端和B1信号输入端，获得频标线脉冲信号。
所述的第二线脉冲变换模块采用第二线脉冲变换电路，用于产生被测线脉冲信号，第二线脉冲变换电路由触发器74LS14D芯片、逻辑非门74LS04D芯片和逻辑与门74LS08D芯片组成，触发器74LS14D芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，触发器74LS14D芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04D芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A2信号输入端，逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B2信号输入端，逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端作为第二脉冲变换模块的信号输出端；
被测信号为各种不同频率的正弦周期信号，被送入触发器74LS14D芯片进行整形转换为反相的第二方波脉冲信号，该第二方波脉冲信号再次被送入逻辑非门74LS04D芯片进行相位取反（逻辑非门74LS04D芯片除具有相位取反功能外，还具有延迟功能），相位取反后的第二方波脉冲信号与原第二方波脉冲信号分别送入逻辑与门74LS08D芯片的A2信号输入端和B2信号输入端，获得被测线脉冲信号。
所述的延迟模块由移相器组成，采用触发器74LS375N芯片，用于对频标线脉冲信号的时间延迟，频标线脉冲信号时间延迟分辨率为触发器74LS375N芯片的时钟周期，通过调节触发器74LS375N芯片的时钟周期可以获得各种不同时间延迟分辨率的频标线脉冲信号，有利于群相位重合点脉冲的主动生成和快速检测，缩短相位噪声测量系统的响应时间，加快相位噪声测量的速度。
所述的第一FPGA可编程计数器模块，FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75，第一可编程计数器由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于被测线脉冲信号频率的测量，获得被测信号的频率粗测值；
将被测线脉冲信号送入第一可编程计数器，由FPGA时钟频率经FPGA内部锁相倍频至200MHz对被测线脉冲信号进行脉冲频率测量（测量分辨率5ns），获得被测信号的频率粗测值。
所述的FPGA可编程混频器模块，FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75，可编程混频器由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于产生被测信号的差拍频率值；
将被测信号的频率粗测值送入可编程混频器，与被测线脉冲信号的频率值（即被测信号的频率值）进行混频，获得被测脉冲信号的频率值与频率粗测值之间的频率差值，即差拍频率值。
所述的DDS频率合成器模块采用DDS AD9858芯片，用于产生以DDS外部时钟频率为标称频率的新被测线脉冲信号，DDS的外部时钟频率由OSA 5MHz 8607高性能晶体振荡器提供，通过建立FPGA和DDS之间的通信联系，使差拍频率值通过控制DDS的外部时钟频率在DDS频率合成器模块的输出端产生新被测线脉冲信号，新被测线脉冲信号的频率值为DDS的外部时钟频率值与差拍频率值之和。
所述的群相位重合点脉冲检测模块采用群相位同步检测电路，用于产生群相位重合点脉冲，群相位同步检测电路由触发器74LS74N芯片和逻辑门74LS11N芯片组成，触发器74LS74N芯片的D信号输入端和CLK时钟信号输入端在连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端和逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端，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A信号输入端和C信号输入端分别连接第一线脉冲变换模块的信号输出端和第二线脉冲变换模块的信号输出端；
首先将相位取反后的第一方波脉冲信号和第二方波脉冲信号分别送入触发器74LS74N芯片的D信号输入端和CLK时钟信号输入端，在触发器74LS74N芯片的Q信号输出端产生相位控制信号，其次将延迟后的频标线脉冲信号和新被测线脉冲信号分别送入逻辑门74LS11N芯片的A信号输入端和C信号输入端进行群相位重合检测，获得群相位重合检测信息，然后将相位控制信号送入逻辑门74LS11N芯片的B信号输入端对群相位重合检测信息进行控制，最终产生群相位重合点脉冲。
所述的第二FPGA可编程计数器模块，FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75，第二可编程计数器由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于群相位重合点脉冲之间（群周期）的连续时间间隔测量；
将群相位重合点脉冲送入第二FPGA可编程计数器模块并作为第二可编程计数器的闸门开关信号，由FPGA外部时钟频率经FPGA内部锁相倍频至200MHz对群相位重合点脉冲之间的时间间隔测量进行连续脉冲计数测量，获得时域以群周期为时间间隔的离散计数值。
所述的时频域数据转换模块采用单片机，用于完成时域数据（连续时间间隔测量值）与频域数据（相位噪声功率谱密度）之间的转换；
将时域以群周期为时间间隔的离散计数值送入单片机进行快速傅里叶变换，获得对应的频域数据即相位噪声功率谱密度，最终完成了被测信号相位噪声的测量。
所述的显示模块采用LCD液晶显示器，用于接收时频域转换模块的转换结果并显示相位噪声测量曲线。
所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75，用于实现可编程计数器、可编程混频器、单片机以及74LS系列芯片的逻辑功能；因此，本发明中，除用OSA 5MHz 8607B高性能晶体振荡器、KEYSIGHT E8663D 频率合成器和LCD液晶显示器外，整个相位处理和相位噪声测量均在FPGA芯片内。
本发明的有益效果为：
本发明所述的北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，相对于传统的相位噪声测量方法，本发明采用群相位重合点脉冲检测技术，使相位差测量的分辨率得到了极大提高，任意时刻的相位差测量分辨率率优于1ps，相位噪声测量精度优于-170dBc，利用FPGA技术使系统结构芯片化，集成度高，降低了开发成本，抑制了噪声，获得了系统的高稳定性和高可靠性，为复杂空地背景下北斗卫星的高精度导航定位服务奠定了基础。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，其特征在于：包括频标信号模块、被测信号模块、第一线脉冲变换模块、第二线脉冲变换模块、第一FPGA可编程计数器模块、FPGA可编程混频器模块、DDS频率合成器模块、群相位重合点脉冲检测模块、第二FPGA可编程计数器模块、时频域数据转换模块、延迟模块、显示模块和电源模块；所述频标信号模块的信号输出端连接第一线脉冲变换模块的信号输入端，所述第一线脉冲变换模块的信号输出端分别连接DDS频率合成器模块的信号输入端、延迟模块的信号输入端和第二FPGA可编程计数器模块的信号输入端，所述延迟模块的信号输出端连接群相位重合点脉冲检测模块的信号输入端，所述被测信号模块的信号输出端连接第二线脉冲变换模块的信号输入端，所述第二线脉冲变换模块的信号输出端分别连接第一FPGA可编程计数器模块的信号输入端和FPGA可编程混频器模块的信号输入端，所述第一FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接FPGA可编程混频器模块的信号输入端，所述FPGA可编程混频器模块的信号输出端连接DDS频率合成器模块的信号输入端，所述DDS频率合成器模块的信号输出端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第二FPGA可编程计数器模块的信号输入端，所述第二FPGA可编程计数器模块的信号输出端连接时频域数据转换模块的信号输入端，所述时频域数据转换模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；
所述的频标信号模块由精密频率源组成，用于产生相位噪声测量的参考信号；
所述的被测信号模块由高精度频率合成器组成，用于产生各种不同频率的被测信号；
所述的第一线脉冲变换模块由第一线脉冲变换电路组成，用于产生频标线脉冲信号；
所述的延迟模块由移相器组成，用于对频标线脉冲信号的时间延迟；
所述的第二线脉冲变换模块由第二线脉冲变换电路组成，用于产生被测线脉冲信号；
所述的第一FPGA可编程计数器模块由FPGA硬件描述语言通过编程实现，用于被测线脉冲信号频率的测量，获得被测信号的频率粗测值；
所述的FPGA可编程混频器模块用于产生被测信号的差拍频率值；
所述的DDS频率合成器模块由DDS直接频率合成器组成，采用DDS AD9858芯片，用于产生以DDS外部时钟频率为标称频率的新被测线脉冲信号；
所述的群相位重合点脉冲检测模块由群相位同步检测电路组成，用于产生群相位重合点脉冲；
所述的第二FPGA可编程计数器模块用于群相位重合点脉冲之间的连续时间间隔测量；
所述的时频域数据转换模块由单片机组成，用于完成时域数据与频域数据之间的转换；
所述的显示模块，用于接收时频域数据转换模块的转换结果并显示相位噪声测量曲线；
所述电源模块用于对整个系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，其特征在于：所述的精密频率源采用OSA 5MHz 8607B高性能晶体振荡器，其秒级频率稳定度5E-13。
3.根据权利要求1所述的一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，其特征在于：所述的高精度频率合成器采用KEYSIGHT E8663D 频率合成器。
4.根据权利要求1所述的一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，其特征在于：所述的第一线脉冲变换电路由触发器74LS14N芯片、逻辑非门74LS04N芯片和逻辑与门74LS08N芯片组成，触发器74LS14N芯片的信号输入端连接频标信号模块的信号输出端，触发器74LS14N芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08N芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08N芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08N芯片的信号输出端作为第一线脉冲变换模块的信号输出端。
5.根据权利要求1所述的一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，其特征在于：所述的移相器采用触发器74LS375N芯片。
6.根据权利要求1所述的一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，其特征在于：所述的第二线脉冲变换电路由触发器74LS14D芯片、逻辑非门74LS04D芯片和逻辑与门74LS08D芯片组成，触发器74LS14D芯片的信号输入端连接被测信号模块的信号输出端，触发器74LS14D芯片的信号输出端分别连接逻辑非门74LS04D芯片的信号输入端和逻辑与门74LS08D芯片的A信号输入端，逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端连接逻辑与门74LS08D芯片的B信号输入端，逻辑与门74LS08D芯片的信号输出端作为第二脉冲变换模块的信号输出端。
7.根据权利要求1所述的一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，其特征在于：所述的群相位同步检测电路由触发器74LS74N芯片和逻辑门74LS11N芯片组成，触发器74LS74N芯片的D信号输入端和CLK时钟信号输入端在连接逻辑非门74LS04N芯片的信号输出端和逻辑非门74LS04D芯片的信号输出端，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A信号输入端和C信号输入端分别连接第一线脉冲变换模块的信号输出端和第二线脉冲变换模块的信号输出端。
8.根据权利要求1所述的一种北斗卫星测控装备中的高性能相位噪声测量芯片，其特征在于：所述的FPGA可编程混频器模块和FPGA可编程计数器模块、单片机均采用FPGA，所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。
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