CN1791124A - 基于模数转换的调制域分析模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模数转换的调制域分析模块，它包括两个零等待时间计数器、时间闸门逻辑控制单元、误差脉冲充放电电路、模数转换器以及高速缓冲和微机数据处理单元。零等待时间计数器连续计数产生计数值，误差脉冲充放电电路产生误差脉冲信号，通过模数转换器将其转换为误差脉冲的数字量，由高速缓冲和微机数据处理单元对计数值和误差脉冲的数字量进行处理，计算出信号的瞬时频率或相位，或计算出脉冲信号的脉冲间隔。本发明的方法大幅减低了电路的复杂性，提高了测试精度。可用于通信测量仪器中，也可用于其它需要对信号频率或相位连续测量、以及信号脉冲间隔测量等应用领域。

Description

基于模数转换的调制域分析模块
技术领域
本发明涉及一种通信测量技术，特别涉及一种基于模数转换的调制域分析模块。
背景技术
调制域是信号频率和时间构成的平面域，直接反映信号频率或相位随时间变化的情况，可直接测量复杂信号的调制特性，也可用于测量信号的脉冲间隔。现有技术的调制域分析原理框图如图1所示，它包括两个零等待时间(ZDT)计数器、时间闸门控制单元、误差脉冲测量电路——即内插模块(图中所示为内插器)，以及高速缓存和数据处理单元。调制域分析的性能主要取决于对误差脉冲进行测量的内插模块的性能。
调制域分析的误差脉冲的测量主要有游标内插法和斜坡内插法。
游标内插法模拟游标卡尺的思路，采用两个不同的时钟——参考时钟和游标时钟，工作过程中游标时钟不断跟踪参考时钟，测量误差与时钟周期成正比，故要求很高频率的时基信号，以及高精度频率控制技术控制游标时钟的频率和相位，电路复杂，实现难度大。
斜坡内插法的机理类似于螺旋测微器原理，是将相对短的不易量化的时间段线性地转化成相对大的、容易量化的时间段。具体是通过精密充放电电路，以一个固定的相对大的电流充电，以一个固定的相对小的电流放电，即将时间放大后，用内插时钟对放大后的时间段计数。此方法的精度由充放电电流比决定，对模拟电路精度要求很高，由于受器件漏电电流和电容的精度，尤其是小电流放电的非线性的影响，斜坡内插法的测试精度相对较低。
游标内插法和斜坡内插法都存在内插计数脉冲产生±1的系统误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模数转换的调制域分析模块，以消除系统误差，提高测试精度。
本发明的目的是这样实现的，基于模数转换的调制域分析模块，包括两个零等待时间计数器、时间闸门逻辑控制单元、误差脉冲充放电电路、模数转换器以及高速缓冲和微机数据处理单元，其中，零等待时间计数器包括事件计数器和时基计数器；
所述的事件计数器接收被测信号进行连续计数，时基计数器接收时基信号进行连续计数，产生两个计数值送入高速缓冲和微机数据处理单元；
所述的时间闸门逻辑控制单元接收被测信号和时基信号产生两个同步闸门信号，分别控制两个零等待时间计数器并分别输入误差脉冲充放电电路；
所述的误差脉冲充放电电路接收两个同步闸门信号产生误差脉冲信号、充电脉冲信号、清零信号和模数采样信号，并对整个调制域分析模块进行逻辑时序控制；
所述的模数转换器接收误差脉冲信号将其转换为误差脉冲的数字量，送入高速缓冲和微机数据处理单元；
所述的高速缓冲和微机数据处理单元对接收到的两个计数值和误差脉冲的数字量进行处理，计算出信号的瞬时频率或相位，或计算出脉冲信号的脉冲间隔，完成调制域分析。
所述的事件计数器和时基计数器由同一触发器控制，构成一组基本计数器，利用一个触发器的两个互补信号控制两组基本计数器交替计数，当其中一组基本计数器采样计数时，另一组基本计数器可进行读数、清零。
所述的误差脉冲充放电电路中的充电电压与误差脉冲宽度相关，并通过模数转换器转换为数字信号进行测量。
所述的模数转换器采用12位器件AD9433。
所述的误差脉冲充放电电路采用精密步进电流源和桥式二极管充放电电路。
本发明由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，具有以下的优点：
1、在误差脉冲充放电电路中，直接用误差补偿脉冲控制恒定电流源对一精密电容充电，并用高速高精度模数转换器对充电后的电容电压采样，得到误差脉冲的数字量，消除了系统误差。
2、选用较大的充电电流，避免了漏电电流和温度变化对充电电路精度的影响；
3、数据处理部分将ZDT计数值和通过模数转换测量的误差脉冲的数据经过处理计算，可计算出输入信号的频率或脉冲间隔，被测信号频率范围大大扩展；
4、采用了大电流高精度充电电路和12位模数转换器，测试精度远远优于斜坡内插法；解决了小电流放电的非线性的影响，且电路大大简化；
5、不要求很高频率时基信号，控制较为简单易行。
附图说明
图1为现有技术调制域分析原理框图；
图2为本发明基于模数转换的调制域分析模块原理框图；
图3为本发明模块的信号处理流程图；
图4为本发明模块的调制域实现波形图。
具体实施方式
本发明基于模数转换的调制域分析模块可结合图2、图3说明如下，其中，图2为本发明基于模数转换的调制域分析模块原理框图；图3为本发明模块的信号处理流程图。
被测信号FX经信号预处理后，一路送入两个零等待时间(ZDT)计数器中的事件计数器进行计数，另一路送入时间闸门逻辑控制单元；时基信号CLK一路送入两个零等待时间(ZDT)计数器中的时基计数器进行计数，另一路送入时间闸门逻辑控制单元。时基信号CLK在时间闸门逻辑控制单元通过分频器产生闸门信号，称为原始闸门信号G，原始闸门信号G分别经被测信号及时基信号触发后得到两个同步闸门信号Gf和Gc，两个同步闸门信号Gf和Gc一路用来控制两个零等待时间(ZDT)计数器，另一路送入误差脉冲充放电电路。
同步闸门信号Gf和Ge通过误差脉冲充放电电路产生误差脉冲信号E、充电脉冲信号Ec、清零信号和模数采样信号等控制信号，并对整个调制域分析模块进行逻辑时序控制。
两个零等待时间(ZDT)计数器分别对被测信号和时基信号计数产生两个计数值，直接经过高速数据缓冲送入微机进行数据处理，而产生的误差脉冲信号则经过误差补偿电路的处理，并由A/D转换器转换为数字量，经高速数据缓冲送入微机进行数据处理。最后由微机对以上数据进行处理，得出不同时刻的频率、相位值或脉冲间隔等测量结果。
零等待时间(ZDT)计数器技术的关键是要保证计数器连续工作不受读数的影响，精确的事件和时间数据结合在一起就可以描述被测信号的频率、相位及其它特征参数。本发明采用双计数器相关计数法，其事件计数器和时基计数器由同一触发器控制，构成一组基本计数器。利用一个D触发器的两个互补信号控制两组基本计数器交替计数，当其中一组基本计数器采样计数时，另一组基本计数器可以进行读数、清零等操作，对计数精确度没有影响。
误差脉冲充放电电路是整个调制域分析中的关键部分，它直接决定整个系统的测量精度。时基信号和被测信号与同步的闸门信号Gf和Gc之间的相位差就是所要测量的误差脉冲信号E，误差脉冲的范围是0到一个时钟信号周期，直接用它来充电就有可能出现脉冲极窄的情况，从而导致误差很大，因此实际方案中将E增加了一个时钟周期后得到Ec信号。在Ec信号控制下对电容充电，模数信号控制模数转换器在充电的过程中采样，避开了开始与结束时可能出现的尖峰与毛刺。
通过以上处理将相对短的不易量化的时间段通过精密的误差脉冲充放电电路，线性地转化成相对大的、容易量化的电压量，可使时间或频率测量分辨率得到有效提高。具体实施方案中误差脉冲形成由FPGA实现。误差脉冲充放电电路采用精密步进电流源和桥式二极管充放电电路来实现，既能控制温度影响又可改变电流来调整工作点。
本发明的关键部分是采用了模数转换器，采用模拟和数字电路的结合，使测量精度和分辨率大大提高。实际方案设计中，模数转换器采用AD公司的12位器件模数9433，理论上分辨率可达到1.96ps。实际工作范围留有余量，实际测量分辨率达到8ps左右，远高于采用游标内插法和斜坡内插法的测量方法。
图4为本发明模块的调制域实现波形图。

Claims (5)

1.基于模数转换的调制域分析模块，其特征在于：包括两个零等待时间计数器、时间闸门逻辑控制单元、误差脉冲充放电电路、模数转换器以及高速缓冲和微机数据处理单元，其中，零等待时间计数器包括事件计数器和时基计数器；
所述的事件计数器接收被测信号进行连续计数，时基计数器接收时基信号进行连续计数，产生两个计数值送入高速缓冲和微机数据处理单元；
所述的时间闸门逻辑控制单元接收被测信号和时基信号产生两个同步闸门信号，分别控制两个零等待时间计数器并分别输入误差脉冲充放电电路；
所述的误差脉冲充放电电路接收两个同步闸门信号产生误差脉冲信号、充电脉冲信号、清零信号和模数采样信号，并对整个调制域分析模块进行逻辑时序控制；
所述的模数转换器接收误差脉冲信号将其转换为误差脉冲的数字量，送入高速缓冲和微机数据处理单元；
所述的高速缓冲和微机数据处理单元对接收到的两个计数值和误差脉冲的数字量进行处理，计算出信号的瞬时频率或相位，或计算出脉冲信号的脉冲间隔，完成调制域分析。
2.根据权利要求1所述的基于模数转换的调制域分析模块，其特征在于：所述的事件计数器和时基计数器由同一触发器控制，构成一组基本计数器，利用一个触发器的两个互补信号控制两组基本计数器交替计数，当其中一组基本计数器采样计数时，另一组基本计数器可进行读数、清零。
3.根据权利要求1所述的基于模数转换的调制域分析模块，其特征在于：所述的误差脉冲充放电电路中的充电电压与误差脉冲宽度相关，并通过模数转换器转换为数字信号进行测量。
4.根据权利要求1所述的基于模数转换的调制域分析模块，其特征在于：所述的模数转换器采用12位器件AD9433。
5.根据权利要求1所述的基于模数转换的调制域分析模块，其特征在于：所述的误差脉冲充放电电路采用精密步进电流源和桥式二极管充放电电路。
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