TW201400822A - 應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法及系統 - Google Patents

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Abstract

一種應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法及系統，係提供使用者測量待測振盪器的頻率。本發明所提出的頻率量測系統包括三大單元：一個標準頻率訊號產生單元、一個類比訊號取樣單元、以及一個頻率分析裝置；其中取樣訊號分析包括兩個主要單元：一個頻率粗略估計單元、以及一個頻率精密估計單元。本發明所提出的頻率量測方法實施下列步驟：首先，使用者利用類比取樣待測振盪器的訊號，得到取樣電壓值，接著使用傅立葉轉換粗估其訊號頻率；再來，利用混頻及濾高頻的技術分析其訊號相位；最後，藉由相位的變化得到待測振盪器的精密頻率及頻率變化。本發明所提出的頻率量測方法及系統提供量測10MHz頻率訊號的情況下，每秒頻率穩定度評估能力可優於2.0E-12，並且其每秒解析度可達到2.0E-5Hz。

Description

應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法及系統
本發明所提出的一種應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法及系統，係測量待測振盪器所產生的頻率，其待測振盪器輸出必須為弦波交流電訊號。
按，國家標準時間與頻率實驗室，維持高穩定度、低雜訊的標準頻率訊號，用以提供維持國際原子時、世界協調時，並且提供給待測振盪器做為頻率測量及認證的參考。國家實驗室的測量及認證能力登錄在國際度量衡局的關鍵比對資料庫(key comparison database、KCDB)，目前可以針對振盪頻率為5MHz及10MHz的振盪器進行測量及認證其頻率穩定度。
已知先前技術如Stanford Research Systems,Inc.公司發表之SR620頻率計數器(以下簡稱SR620)，此頻率計數器用來測量待測振盪器的頻率，也是廣泛登錄在KCDB之中測量頻率的標準件。SR620測量頻率的方法，係找出頻率訊號跨越零電位時的升起邊緣(rising edge)，測量兩個升起邊緣之間的時間間隔，取倒數即成為頻率。由於一個週期僅使用一個測量值決定頻率，對於雜訊影響較為敏感，因此測量頻率的解析度會受限制。
再者，實際使用SR620測量10MHz的待測振盪器， 並且設定量測時間間隔為1秒時，SR620評估頻率穩定度的最佳能力僅有2.0E-11，恐無法滿足未來高品質振盪器(例如原子鐘)的測量需求。
另外，使用SR620測量待測振盪器的頻率時，由於硬體限制，螢幕僅能顯示有效小數位數六位，因此其頻率解析度僅有1.0E-6Hz；若是測量頻率高於10MHz，那麼顯示小數位數僅為四位，相當於頻率解析度只有1.0E-4Hz。因此，若是使用SR620測量頻率，其頻率解析度恐怕無法滿足未來高品質振盪器的測量需求。
由此可見，上述習用頻率計數器仍有諸多缺失，實非一良善之設計者，而亟待加以改良。
本案發明人鑑於上述習用方式所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件測量頻率的方法及系統。
本發明之目的在於提出一種頻率量測之方法及系統，當量測時間間隔為1秒，待測振盪器頻率為10MHz的情況下，頻率穩定度的最佳測量能力需優於2.0E-11，並且其每秒解析度需優於1.0E-4Hz，以滿足未來高精度振盪器的測量以及認證之需求。
達成上述發明目的之頻率量測方法及系統，係在利用類比訊號取樣單元，對於待測振盪器的弦波交流電訊號做 取樣，得到取樣電壓值，將取樣電壓值利用程控電腦進行後處理分析。測量頻率的方法，係對於取樣電壓值做後處理分析：首先，使用傅立葉轉換粗估其訊號頻率；再來，利用混頻及濾高頻的技術分析其訊號相位；最後，藉由相位的變化得到待測振盪器的精密頻率及頻率變化。
本發明係一種應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法及系統。參閱圖一，其中系統部分包括三大單元：標準頻率訊號產生單元(101)、類比訊號取樣單元(102)以及頻率分析裝置(103)。
標準頻率訊號產生單元(101)含一個標準頻率輸出埠，產生標準正弦波交流電訊號，頻率為5MHz或10MHz，經由標準頻率輸出埠將訊號送出。
類比訊號取樣單元(102)共計有三個埠，分別為標準頻率輸入埠、類比訊號輸入埠以及資料交換埠。標準頻率輸入埠與標準頻率訊號產生單元的標準頻率輸出埠經由同軸導線連接，接收標準頻率的弦波交流電訊號，做為系統取樣的參考頻率；類比訊號輸入埠與待測振盪器經由同軸導線連接，接收待測振盪器的弦波交流電訊號並且對其取樣；資料交換埠與訊號取樣分析單元的資料交換埠經由USB延長線連接，將取樣值經由USB延長線傳送資料給訊號取樣分析單元儲存。
頻率分析裝置(103)包含一個資料交換埠，其資料交換埠與類比訊號取樣單元(103)的資料交換埠經由USB延長線連接，將取樣值傳送到程控電腦進行儲存，當執行其頻率量測之後，得到的頻率讀值會顯示在螢幕上並且保存起來。
本發明應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法，係分析取樣訊號得到頻率讀數，下例將描述並舉例在量測時間間隔為1毫秒(△t=0.001秒)的情況下，如何應用相位分析技術得到頻率測量的程序。
首先參閱圖二，此圖描述粗略估計頻率的方法：假設類比訊號取樣單元的取樣能力為1秒內取樣三千兩百萬次，首先，當取樣待測振盪器1秒後，便可得到三千兩百萬個電壓取樣值，其單位為伏特；接著，利用快速傅立葉轉換(201)，可以得到功率密度頻譜，其解析度為1Hz；再來，利用峰值搜尋單元(202)，搜尋功率密度頻譜之功率最強者所對應的頻率f c ，將此做為頻率粗估值。
接著參閱圖三，此圖描述精密估計頻率的方法：由於此情境之量測時間間隔為1毫秒，於是在1毫秒內擁有32,000個電壓取樣值，標記為x[n]，其中n=0~31999，那麼使用頻率粗估值f c ，藉由混頻單元(301)以及兩個累加單元(302、303)如(1)式：
可以得到實部振幅x R,0及虛部振幅x I,0，其中T s 為取樣時間間隔。接著藉由反正切運算單元如(2)式：
可以得到待測振盪器在這1毫秒的訊號相位。
繼續處理下1毫秒的取樣值x[n]，其中n=32000~63999。反覆地，使用頻率粗估值，藉由混頻單元(301)以及兩個累加單元(302、303)如(3)式，以及反正切運算單元如(4)式：
可以得到待測振盪器下1毫秒的訊號相位。接著，藉由延遲差分單元(305)如(5)式：
便可以得到待測振盪器與頻率粗估值的頻率差△f(此情境之下△t為1毫秒)；最後，藉由頻率補償單元，輸出待測振盪器的頻率測量值即為f c +△f。
已知習用技術測量頻率的方法，主要是找出頻率訊號跨越零電位時的升起邊緣(rising edge)，測量兩個升起 邊緣之間的時間間隔，取倒數即成為頻率。由於一個週期僅使用一個時間間隔測量值來計算頻率，對於雜訊影響較為敏感，因此測量頻率的解析度會受限制。本發明所提出的頻率量測方法及系統，係利用類比取樣，可在一個週期內進行多次取樣，得到單一週期內的數筆取樣電壓值。由於每個取樣電壓值都是構成頻率訊號的一部份，因此使用所有取樣電壓值進行頻率量測，將會提升其解析度。另外，本發明所提出的頻率量測方法及系統，與習用技術相互比較時，更具備下列優點：
1.本發明利用類比取樣技術，僅產生取樣電壓值，由於設備專於類比取樣而不進行運算，可實現高速取樣，在單一週期得到多筆取樣電壓值，因此可提升其頻率量測的解析度。
2.本發明利用相位分析的方法，不僅可以測量頻率以及其變化，而且可以測量待測振盪器的相位變化，充分得到待測振盪器的資訊。
3.本發明將取樣電壓值儲存起來，進行後處理運算，將可以任意地設定量測時間間隔，進行後處理相位分析，因此可以用來評估當量測時間間隔低於1秒時的頻率變化，以評估高精度振盪器在短時間內的效能。
4.本發明利用軟體方式分析，其頻率測量值的有效位數將不受限於硬體，提升其頻率解析度。
5.本發明實際測量待測振盪器為10MHz時，並且當量測時間間隔為1秒的情況下，可達到頻率穩定度之最佳測量能力為2.0E-12，優於習用技術之2.0E-11，如圖四所示。
101‧‧‧標準頻率訊號產生單元
102‧‧‧類比訊號取樣單元
103‧‧‧頻率分析裝置
201‧‧‧快速傅立葉轉換單元
202‧‧‧峰值搜尋單元
301‧‧‧混頻單元
302、303‧‧‧累加單元
304‧‧‧反正切運算單元
305‧‧‧延遲差分單元
306‧‧‧頻率補償單元
參閱有關本發明之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效；有關附圖為：圖一為本發明應用相位分析技術於高解析頻率量測之系統架構圖；圖二為本發明應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法之頻率粗略估計單元方塊圖；圖三為本發明應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法之頻率精密估計單元方塊圖；以及圖四為先前技術與本發明實際評估頻率穩定度之比較圖。
101‧‧‧標準頻率訊號產生單元
102‧‧‧類比訊號取樣單元
103‧‧‧頻率分析裝置

Claims (7)

  1. 一種應用相位分析技術於高解析頻率量測之系統，係用於測量待測振盪器之頻率，其組成包括：一標準頻率訊號產生單元，用以產生標準頻率訊號源；一類比訊號取樣單元，使用標準頻率訊號做為參考頻率，用以取樣待測振盪器訊號，產生取樣電壓值；以及一頻率分析裝置，用以儲存取樣電壓資料並分析之，以得到頻率測量值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之應用相位分析技術於高解析頻率量測之系統，其中該標準頻率訊號產生單元之輸出埠產生標準頻率為5MHz或10MHz之弦波交流電訊號，做為頻率標準參考來源。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之應用相位分析技術於高解析頻率量測之系統，其中該類比訊號取樣單元之類比訊號輸入埠與待測振盪器之類比訊號使用同軸纜線連接，其標準頻率輸入埠與標準頻率訊號使用同軸纜線連接。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之應用相位分析技術於高解析頻率量測之系統，其中該頻率分析裝置的資料交換埠與類比訊號取樣單元使用USB纜線連接，用以儲存並且對取樣數據進行相位分析，得到頻率測量值。
  5. 一種應用相位分析技術於高解析頻率量測之方法，其特徵在於進行類比訊號之取樣，得到取樣電壓值，接著分析其相位變化，得到待測振盪器之頻率，以達到高解析頻率測量值，其步驟包括： a.將取樣電壓值輸入一頻率粗略估計單元，用以估計待測振盪器之粗略頻率，得到頻率粗估值；b.將取樣電壓值及頻率粗估值輸入一頻率精密估計單元，進行相位分析，得到計待測振盪器之頻率測量值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之頻率粗略估計單元，用以粗略估計待測振盪器之頻率，其組成包括：一快速傅立葉轉換單元，用以將量測時間間隔內的取樣電壓值，轉換為功率頻譜密度；以及一峰值搜尋單元，置於快速傅立葉轉換單元之後，用以搜尋峰值功率對應之頻率，將此頻率視為頻率粗估值。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之頻率精密估計單元，用以進行相位分析並且估計待測振盪器之頻率測量值，其組成包括：一混頻單元，將量測時間間隔內之取樣電壓值，乘以相位差0度及90度之標準頻率訊號，分別得到實軸混頻訊號及虛軸混頻訊號；兩個累加單元，置於混頻單元之後，分別將兩種混頻訊號於量測時間間隔內進行累加，得到實軸強度以及虛軸強度；一反正切運算單元，置於兩個累加單元之後，將實軸強度與虛軸強度進行反正切運算，得到待測訊號相位；一延遲差分單元，置於反正切運算單元之後，將目前得到的待測訊號相位，減去前一段量測時間得到的待測訊號相位，得到相位變化；以及一頻率補償單元，置於延遲差分單元之後，將相位變 化除以量測時間間隔，得到頻率差；將頻率差補償頻率粗估值，得到頻率測量值。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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