具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)及其測(cè)頻方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)以及測(cè)頻方法。該測(cè)頻方法包括步驟：（1）參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有簡(jiǎn)單整數(shù)倍數(shù)且有一定頻差關(guān)系的信號(hào)；（2）將參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)送入相位重合檢測(cè)電路，獲取二者的相位重合簇；（3）當(dāng)檢測(cè)到相位重合簇的邊沿信息時(shí)，分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)取值，根據(jù)相鄰兩次取值的差值得到測(cè)量閘門；（4）同時(shí)設(shè)定一個(gè)虛擬的與被測(cè)信號(hào)的頻率標(biāo)稱相同的標(biāo)稱頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)在連續(xù)不間斷測(cè)量的同時(shí)記錄和揭示被測(cè)信號(hào)相位的連續(xù)變化特性。本發(fā)明不但在很寬的頻率范圍內(nèi)可以進(jìn)行高分辨率無間隔頻率測(cè)量，而且在測(cè)量的過程中還具有能夠揭示和保持被測(cè)頻率信號(hào)自身相位變化信息。
【專利說明】具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)及其測(cè)頻 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)及其測(cè)頻方法，屬于 時(shí)間頻率測(cè)量技術(shù)與控制領(lǐng)域，其應(yīng)用包括測(cè)試計(jì)量及頻標(biāo)技術(shù)、通訊、儀器儀表、導(dǎo)航定 位、電子工程等相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是建立在精密實(shí)驗(yàn)測(cè)量基礎(chǔ)之上的，在所有的物理量中，時(shí) 間和頻率量具有最高的精度和穩(wěn)定度，因此對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)的建立和準(zhǔn)確測(cè)量具有十分顯著的意 義和影響。其中，時(shí)間和頻率測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、空間技術(shù)、通訊、工業(yè)生產(chǎn)、交通、科 學(xué)研究及天文學(xué)與計(jì)量學(xué)中及我們所熟知的工業(yè)控制、信息傳輸和處理、現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù) 和計(jì)算機(jī)都離不開時(shí)頻技術(shù)和時(shí)頻測(cè)量。
[0003] 現(xiàn)代社會(huì)信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對(duì)信息傳輸和處理的要求越來越高，需要更高準(zhǔn)確 度的時(shí)頻基準(zhǔn)和更精密的測(cè)量技術(shù)。隨著各種頻率源的使用量不斷增大，對(duì)各種基標(biāo)準(zhǔn)的 建立、改進(jìn)及測(cè)量方法和測(cè)量技術(shù)提出了越來越高的要求。尤其是近幾年空間技術(shù)的發(fā)展， 對(duì)時(shí)頻信號(hào)的處理提出了更高的要求。在眾多的時(shí)頻測(cè)控方法中，相位比對(duì)往往能夠獲得 測(cè)量和控制方面的精度、長(zhǎng)期累積更高的相對(duì)分辨率指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，然而，它只適用于兩個(gè)頻 率標(biāo)稱值相同或具有簡(jiǎn)單線性關(guān)系的兩頻率信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，而且測(cè)量的頻率范圍隨著分辨 率的提高急劇變窄，不適合寬范圍及兩個(gè)關(guān)系復(fù)雜信號(hào)頻率的測(cè)量。
[0004] 從傳統(tǒng)的途徑考慮，頻率測(cè)量揭示不了相位信息，尤其是對(duì)于那些相位信息連續(xù) 長(zhǎng)期變化的任意頻率信號(hào)。通常的頻率測(cè)量方法中，計(jì)數(shù)器有間隔采樣，沒有保留相位信息 的能力；高分辨率的頻率測(cè)量選擇了固定閘門時(shí)間測(cè)量，同時(shí)又對(duì)閘門和計(jì)數(shù)信號(hào)不同步 的短時(shí)間信號(hào)進(jìn)行了高分辨率測(cè)量，但這部分的測(cè)量和處理占用了額外時(shí)間，對(duì)于相位信 息的保留不利。在測(cè)量對(duì)象和測(cè)量目的廣泛而又復(fù)雜的頻率情況下，按照傳統(tǒng)的做法，實(shí)現(xiàn) 測(cè)量目的需要大量的頻率變換電路，這些會(huì)引入不必要的相位噪聲，同時(shí)增加了測(cè)量設(shè)備 復(fù)雜程度。
[0005] 具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻方法的發(fā)明能從根本上提升時(shí)頻測(cè) 控技術(shù)、IT技術(shù)等現(xiàn)有水平并且能夠大幅度改變目前測(cè)量設(shè)備的結(jié)構(gòu)；寬頻率范圍的頻率 測(cè)量且能夠揭示任意被測(cè)信號(hào)的相位信息的方法可以在廣泛的測(cè)量和控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更精 密的測(cè)量和處理，實(shí)現(xiàn)通常必須經(jīng)過復(fù)雜的頻率變換后才能進(jìn)行頻率控制的功能，對(duì)于難 以實(shí)現(xiàn)的頻率處理和控制問題得到很好的解決；涉及本方法的領(lǐng)域包括測(cè)試計(jì)量、頻標(biāo)技 術(shù)、天文、通訊、電子工程、科學(xué)儀器、導(dǎo)航定位等。因此，研究具有保持相位信息的測(cè)頻途徑 具有更現(xiàn)實(shí)的意義和價(jià)值，同時(shí)，有效的利用新理論實(shí)現(xiàn)高分辨率時(shí)間頻率測(cè)量控制技術(shù) 是具有廣泛影響的重要工作。
[0006] 具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻方法一個(gè)典型應(yīng)用是對(duì)原子鐘內(nèi)部 結(jié)構(gòu)鎖相環(huán)線路的改進(jìn)。傳統(tǒng)的原子鐘里含有大量復(fù)雜的頻率變化線路，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜而 且體積較大，不利于小型化、高穩(wěn)定度、低相噪、低功耗的發(fā)展趨勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)及其測(cè)頻方法，主 要解決傳統(tǒng)測(cè)頻方法無法滿足寬頻率范圍精確測(cè)量且線路復(fù)雜的問題。本發(fā)明所提出的具 有保持相位信息的復(fù)雜頻率測(cè)量方法可以構(gòu)造新型鎖相環(huán)，利用新型鎖相環(huán)可以很好地解 決傳統(tǒng)原子鐘所面臨的問題，在頻率穩(wěn)定度，相位噪聲及體積方面可以得到較大的改善，具 有測(cè)量分辨率高，測(cè)量范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)信號(hào)相位信息及其變化的 揭示和測(cè)量方面，把相位處理的優(yōu)點(diǎn)推廣到任意寬頻率范圍，對(duì)于眾多的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)體現(xiàn) 出顯著的價(jià)值，這是傳統(tǒng)測(cè)量方法所不具備的。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0009] 具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)，包括分別與參考信號(hào)f；和被測(cè) 信號(hào)fx輸出端連接的第一調(diào)理變換電路和第二調(diào)理變換電路，同時(shí)與第一調(diào)理變換電路和 第二調(diào)理變換電路輸出端連接的相位重合檢測(cè)電路，順次連接后與相位重合檢測(cè)電路輸出 端連接的門時(shí)發(fā)生線路、MCU，MCU還連接有第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器，所述第一計(jì)數(shù)器和第 二計(jì)數(shù)器還同時(shí)與門時(shí)發(fā)生線路連接，對(duì)相位重合檢測(cè)電路檢測(cè)到參考信號(hào)f；和被測(cè)信號(hào) fx有相位重合簇的邊沿信息時(shí)分別對(duì)其進(jìn)行取數(shù)。
[0010] 具體地，所述第一調(diào)理變換電路包括與參考信號(hào)f；輸出端連接的第一整形電路， 與第一整形電路輸出端連接的第一信號(hào)調(diào)理電路；所述第二調(diào)理變換電路包括與被測(cè)信號(hào) fx輸出端連接的第二整形電路，與第二整形電路輸出端連接的第二信號(hào)調(diào)理電路；所述第 一信號(hào)調(diào)理電路和第二信號(hào)調(diào)理電路同時(shí)與相位重合檢測(cè)電路相連。
[0011] 具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)的測(cè)頻方法，包括如下步驟：
[0012] (1)參考信號(hào)f；和被測(cè)信號(hào)fx分別通過各自的調(diào)理變換電路，使參考信號(hào)f；與被 測(cè)信號(hào)fx的關(guān)系為簡(jiǎn)單整數(shù)倍數(shù)且有一定頻差；
[0013] (2)將已調(diào)參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)送入相位重合檢測(cè)電路，獲取二者的相位重合 簇；
[0014] (3)當(dāng)檢測(cè)到相位重合簇的邊沿信息時(shí)，分別對(duì)第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù) 值取數(shù)，其中第一計(jì)數(shù)器對(duì)f；計(jì)數(shù)，第二計(jì)數(shù)器對(duì)fx計(jì)數(shù)，根據(jù)相鄰兩次取值的差值和對(duì)應(yīng) 的周期計(jì)算測(cè)量閘門時(shí)間Ti，即
[0015] T i = (Nxw-Nx(H)) Txi = (Nr⑴-Nr(H)) Tr ;
[0016] (4)同時(shí)設(shè)定一個(gè)虛擬的與被測(cè)信號(hào)fx的標(biāo)稱頻率相同的標(biāo)稱頻率信號(hào)，將 該標(biāo)稱頻率信號(hào)與被測(cè)信號(hào)fx進(jìn)行連續(xù)無間隙比對(duì)，利用fx和仁《^的差異反映出在 測(cè)量閘門T i內(nèi)被測(cè)信號(hào)fx與fx標(biāo)稱的相位差異，g叫〇)。
[0017] 具體地，所述步驟（3)的具體實(shí)現(xiàn)方法為：在給定的參考閘門內(nèi)，當(dāng)重合檢測(cè)線路 檢測(cè)到參考信號(hào)f；與被測(cè)信號(hào)fx的相位重合簇的邊沿信息時(shí)，門時(shí)發(fā)生線路觸發(fā)MCU對(duì)計(jì) 數(shù)器的數(shù)值進(jìn)行取數(shù)，根據(jù)相鄰兩次取值的差值和對(duì)應(yīng)的周期計(jì)算測(cè)量閘門時(shí)間T it)
[0018] 進(jìn)一步地，所述標(biāo)稱頻率信號(hào)與被測(cè)信號(hào)fx進(jìn)行連續(xù)無間隙比對(duì)需保持和記 憶標(biāo)稱頻率信號(hào)在當(dāng)前閘門時(shí)間T i開始時(shí)刻的相位信息，即上一閘門結(jié)束時(shí)的相位 差信息從而能夠在閘門兩端表示出被測(cè)信號(hào)fx與標(biāo)稱頻率信號(hào)fx_^的相位 關(guān)系。
[0019] 更進(jìn)一步地，所述利用仁和fx_的差異反映出在測(cè)量閘門T i內(nèi)被測(cè)信號(hào)fx與fx的相位差異的同時(shí)記錄和揭示被測(cè)信號(hào)fx的相位變化特性，具體通過以下方式實(shí)現(xiàn)：
[0020] (41)在一個(gè)測(cè)量閘門T ,內(nèi)，計(jì)算被測(cè)信號(hào)fx與標(biāo)稱頻率信號(hào)的相位差異部 分t;(爐），計(jì)算對(duì)應(yīng)h時(shí)刻總的相位差累積0 );
[0021] (42)根據(jù)檢測(cè)到的相位差異部分，計(jì)算出任意測(cè)量時(shí)間內(nèi)fx與匕__的頻率差 Af。
[0022] 再進(jìn)一步地，所述步驟（41)的具體計(jì)算過程如下：
[0023] 設(shè)參考信號(hào)為f；，被測(cè)信號(hào)為fx，標(biāo)稱頻率信號(hào)為根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)取值 Nrl，NyNri ;Nxl，Nx2…Nxi可計(jì)算出測(cè)量閘門T i :
[0024] T i = (Nxw-Nx(H)) Txi = (Nr⑴-Nr(H)) Tr
[0025] 其中（Nx⑴和（Nr⑴im)分別表示測(cè)量閘門內(nèi)被測(cè)信號(hào)fx與參考信號(hào) 的周期個(gè)數(shù)，Tx表示在此測(cè)量閘門內(nèi)被測(cè)信號(hào)fx的周期，和實(shí)際測(cè)量的Tx相對(duì)應(yīng)，標(biāo)稱頻率 信號(hào)與被測(cè)信號(hào)fx的關(guān)系如下：

【權(quán)利要求】
1. 具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)，其特征在于，包括分別與參考信 號(hào)f;和被測(cè)信號(hào)fx輸出端連接的第一調(diào)理變換電路和第二調(diào)理變換電路，同時(shí)與第一調(diào)理 變換電路和第二調(diào)理變換電路輸出端連接的相位重合檢測(cè)電路，順次連接后與相位重合檢 測(cè)電路輸出端連接的門時(shí)發(fā)生線路、MCU，MCU還連接有第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器，所述第一 計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器還同時(shí)與門時(shí)發(fā)生線路連接，對(duì)相位重合檢測(cè)電路檢測(cè)到參考信號(hào)f； 和被測(cè)信號(hào)f x有相位重合簇的邊沿信息時(shí)分別對(duì)其進(jìn)行取數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)，其特征在 于，所述第一調(diào)理變換電路包括與參考信號(hào)f；輸出端連接的第一整形電路，與第一整形電 路輸出端連接的第一信號(hào)調(diào)理電路；所述第二調(diào)理變換電路包括與被測(cè)信號(hào)f x輸出端連接 的第二整形電路，與第二整形電路輸出端連接的第二信號(hào)調(diào)理電路；所述第一信號(hào)調(diào)理電 路和第二信號(hào)調(diào)理電路同時(shí)與相位重合檢測(cè)電路相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)的測(cè)頻 方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 參考信號(hào)f；和被測(cè)信號(hào)fx分別通過各自的調(diào)理變換電路，使參考信號(hào)f；與被測(cè)信 號(hào)fx的關(guān)系為簡(jiǎn)單整數(shù)倍數(shù)且有一定頻差； (2) 將已調(diào)參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)送入相位重合檢測(cè)電路，獲取二者的相位重合簇； (3) 當(dāng)檢測(cè)到相位重合簇的邊沿信息時(shí)，分別對(duì)第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值取 數(shù)，其中第一計(jì)數(shù)器對(duì)f；計(jì)數(shù)，第二計(jì)數(shù)器對(duì)f x計(jì)數(shù)，根據(jù)相鄰兩次取值的差值和對(duì)應(yīng)的周 期計(jì)算測(cè)量閘門時(shí)間Ti，即 τ i = (NxG)-Nx(H))Txi = (Nr⑴-Nr(H))Tr ; (4) 同時(shí)設(shè)定一個(gè)虛擬的與被測(cè)信號(hào)fx的標(biāo)稱頻率相同的標(biāo)稱頻率信號(hào)fxia：，將該標(biāo) 稱頻率信號(hào)與被測(cè)信號(hào)f x進(jìn)行連續(xù)無間隙比對(duì)，利用fx和的差異反映出在測(cè)量 閘門τ i內(nèi)被測(cè)信號(hào)fx與fx_的相位差異，即心〇)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)的測(cè)頻方 法，其特征在于，所述步驟（3)的具體實(shí)現(xiàn)方法為：在給定的參考閘門內(nèi)，當(dāng)重合檢測(cè)線路 檢測(cè)到參考信號(hào)f；與被測(cè)信號(hào)f x的相位重合簇的邊沿信息時(shí)，門時(shí)發(fā)生線路觸發(fā)MCU對(duì)計(jì) 數(shù)器的數(shù)值進(jìn)行取數(shù)，根據(jù)相鄰兩次取值的差值和對(duì)應(yīng)的周期計(jì)算測(cè)量閘門時(shí)間τ i。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)的測(cè)頻方 法，其特征在于，所述標(biāo)稱頻率信號(hào)與被測(cè)信號(hào)f x進(jìn)行連續(xù)無間隙比對(duì)需保持和記憶 標(biāo)稱頻率信號(hào)在當(dāng)前閘門時(shí)間τ i開始時(shí)刻的相位信息，即上一閘門結(jié)束時(shí)的相位差 信息tci-υ(爐），從而能夠在閘門兩端表示出被測(cè)信號(hào)^與標(biāo)稱頻率信號(hào)間的相位關(guān) 系。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)的測(cè)頻方 法，其特征在于，所述利用仁和仁##的差異反映出在測(cè)量閘門T i內(nèi)被測(cè)信號(hào)仁與仁^^的 相位差異的同時(shí)記錄和揭示被測(cè)信號(hào)fx的相位變化特性，具體通過以下方式實(shí)現(xiàn)： (41) 在一個(gè)測(cè)量閘門τ i內(nèi)，計(jì)算被測(cè)信號(hào)fx與標(biāo)稱頻率信號(hào)匕^_的相位差異部分 心〇)，計(jì)算對(duì)應(yīng)h時(shí)刻總的相位差累積& ( Θ ); (42) 根據(jù)檢測(cè)到的相位差異部分，計(jì)算出任意測(cè)量時(shí)間內(nèi)4與匕+^的頻率差A(yù)f。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)的測(cè)頻方 法，其特征在于，所述步驟（41)的具體計(jì)算過程如下： 設(shè)參考信號(hào)為f；，被測(cè)信號(hào)為fx，標(biāo)稱頻率信號(hào)為，根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)取值Nrt， Nr2…Nri ;Nxl，NyNxi可計(jì)算出測(cè)量閘門τ i : Ti= (NxG)-Nx(H)) Txi= (Nr⑴-Nr(H)) Tr 其中（Nxw-NxiM)和（Nr⑴-NnO分別表示測(cè)量閘門內(nèi)被測(cè)信號(hào)仁與參考信號(hào)f r的 周期個(gè)數(shù)，Tx表示在此測(cè)量閘門內(nèi)被測(cè)信號(hào)fx的周期，和實(shí)際測(cè)量的Tx相對(duì)應(yīng)，標(biāo)稱頻率信 號(hào)f xB與被測(cè)信號(hào)fx的關(guān)系如下：
在對(duì)應(yīng)心時(shí)刻總的相位差累積\ ( Θ )不足一周期時(shí)，Νχ_ ω的值與（Nrw-NrW)相 等，由此可計(jì)算出ti(<5P)，i = 1，2···; Θ )與~(少）的關(guān)系如下（td Θ )中包括時(shí)刻的總相位差和τ i內(nèi)的相位差
因此，h ( Θ )是一系列t,:(爐）的累加值
以此得到相位差累積&(θ)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有寬頻率范圍揭示和保持相位信息的測(cè)頻系統(tǒng)的測(cè)頻方 法，其特征在于，所述步驟（42)中Af的計(jì)算公式如下：
公式中Λ f是任意一個(gè)閘門內(nèi)fx與的頻率差，&是被測(cè)信號(hào)fx的標(biāo)稱頻率，也就 是虛擬標(biāo)稱頻率信號(hào)匕+^的頻率，Γ為測(cè)量時(shí)間，△ T為測(cè)量時(shí)間Γ內(nèi)比對(duì)信號(hào)的累積相 位差變化。
【文檔編號(hào)】G01R23/02GK104391175SQ201410799225
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】楊林, 周渭, 宣宗強(qiáng), 陳法喜, 白麗娜, 李智奇, 苗苗, 段亞東, 曹笑天, 許龍飛, 周旭陽 申請(qǐng)人:成都天奧電子股份有限公司