专利名称：基于群相位特征处理的数字化无间隙相位噪声测量方法
技术领域：
本发明涉及的是ー种基于群相位特征处理的数字化无间隙相位噪声测量方法。
背景技术：
随着航空航天、导航定位、深空探測、原子频标及其它高科技领域的迅速发展，对标准信号(如时间基准、通讯载波等)使用的高精密频率源，尤其是对频率源的相位噪声指标提出了更高要求。无论是发射激励信号，还是接收机本振信号以及各种频率基准，相位噪声在解调过程中都会和有用信号一样出现在解调终端，使基带信噪比下降；在通信系统中使误码率増加；在雷达系统中影响目标分辨率。因此随着通信、雷达、导航等现代电子系统的广泛应用，低的相位噪声在物理、天文、精密计量、仪器仪表等领域都普遍受到重视。相位噪声是晶体振荡器同时也是频率源的更高端设备-原子钟的重要性能指标，在基本频率源的特性、频率基、标准的研究、应用及性能测试中具有重要作用。相位处理是相噪测量的核心，在相噪测量中采用何种相位处理方法不仅决定了频率变换、锁相环的锁相精度及系统的复杂程度，而且还影响到整个相噪測量设备的可行性和造价。随着晶体振荡器市场需求量的不断増加，我国已成为位居世界前列的晶体振荡器生产大国，而且晶体振荡器生产技术水平较高，发展潜力很大。相位噪声，作为频率源的ー项重要性能指标，将成为衡量原子钟质量好坏和晶体振荡器品质优劣的重要标准。尽管如此，由于国内基于相位噪声测量的基础性研究相对较弱，这方面的技术及设备也比较落后，每年从国外进ロ这类设备的价值总和接近I亿元人民币，而且绝大多数用户也不愿投资这类价格超过100万元的设备，因此对国内大量企事业单位的研发、生产造成了很大的限制，严重制约了我国在该领域的发展。目前，相位处理和相位噪声测量主要用于通信、计量、电子工程、导航设备、仪器仪表等领域以完成对频率源高精度单边带相位噪声的測量。其中，相位处理方法仍采用传统的相位处理方法，相位噪声测量设备基本上从国外进ロ。近20年来我国先后引进了大量HP3047/3048A、E5500系列、PN9000等型号的相位噪声测量系统，集中分布在航空、航天、电子、兵器、海军、邮电、总装等部门。这些设备不但价格昂贵，而且使用起来也不方便。针对我国在相位处理及相噪测量领域技术落后的状况，本发明提出一种基于群相位特征处理的数字化无间隙相位噪声测量方法，利用异频信号间的等效鉴相频率，解决任意频率信号不经频率合成和变换就能完成相互间的相位比对问题。该方法不仅在相噪测量尤其是对信号源的单边带相噪测量方面具有广泛的应用前景，而且还为使用各种振荡器和原子频标的航空航天、导航定位、国防军エ、仪器仪表、精密时频测控、雷达、天文及其它高科技领域提供对其关键的相位处理和相噪测量方面的技术支持。相位噪声测量仪器的发展水平是衡量ー个国家测试水平和测试能力的重要标志，它能带动和促进与此相关的多个领域的技术发展。因此，基于群相位特征处理的数字化无间隙相位噪声测量方法不仅能够从原理上更新现有的相噪测量技术，而且还能够解决国际上束缚该领域进ー步发展的ー些重要难题，这对改善和提升我国在时频测控领域的整体技术水平和国际地位具有十分重要的战略意义。相噪测量主要是针对仪器仪表、电子工程、导航定位、通讯、计量等普遍使用的锁相环、相位处理装置及高精度振荡器的单边带相位噪声的測量。目前常用的高精度相位噪声測量方法主要有检相法、鉴频法、差拍法、直接频谱分析法、锁相处理法及高速AD转换法
坐寸οI.检相法。检相法又称零拍法，它是用相位检波器把信号的相位起伏变换为电压起伏，由频谱仪測量相位起伏谱密度，再由相位起伏谱密度在小角度条件下，计算得到单边带相位噪声。由于采用了正交检相技术，对调幅噪声有较大的抑制。不仅可以测量频率源的相位噪声，也可以测晶体振荡器的相位噪声和两端ロ频率器件的附加相位噪声。该方法的优点是对相位噪声测量灵敏度高；频率分辨率高和输出频率范围宽；对振幅起伏具有较 大抑制能力。缺点是參考信号必须根据被测信号选择相等的频率而且相位噪声必须远远小于被测源的相位噪声；测量装置庞大，不利于工程测试；參考源的限制，使相位噪声测量系统无法充分发挥其效用。2.鉴频法。鉴频法又称无源法，它是用鉴频器将被测源的频率起伏变换为电压起伏，由频谱分析仪测量频率起伏谱密度，再由频率起伏谱密度換算成相位起伏谱密度，然后由相位起伏谱密度在小角度条件下，计算得到单边带相位噪声。该方法的特点是有低的宽带噪声本底；结构简单，具有调幅抑制能力；相对于检相法，它不需要參考源，但近载频灵敏度较低，适用于频率稳定度较差的频率源和压控晶体振荡器等的测试。3.直接频谱分析法。直接频谱分析法是ー种简便、有效并在工程测试中经常用到的測量方法，特别是现在高档的频谱分析仪一般都具有直接測量单边带相位噪声的功能，一个按键即可解决问题。但是由于受频谱分析仪自身的噪声底面、动态范围、滤波器的波形因素等的限制，其测量范围是受限的，一般用于测量相位噪声指标不是很高的频率源的相位噪声，在偏离载波IkHz以上的情况下，其測量结果的可信度比较高，IkHz以内可信度较差。该方法一般不能用来测晶体振荡器的相位噪声，而且测量结果中不能分离调幅噪声和相位噪声。因此，直接频谱仪測量法虽然操作简单方便，但测量误差很大，而且只适宜测量漂移较小且相位噪声相对较高的信号源，不能用于频谱纯净的源。4.锁相处理法。锁相处理法就是利用被测源把一个同频率的高精密參考源相位锁定，在抑制载频的情况下，从锁相电压中提取被测源放大了的相位噪声信息。由于高精度晶体振荡器的相位噪声指标很高，若对它直接测量是很困难的，所以需要把噪声的影响放大到一定程度才能实现测量。因此，在目前所有模拟化相位噪声测量方法中，国内外研究人员最倾向于采用水平较高的锁相处理的方法。锁相处理的方法具有測量精度高的优点，但同时也有明显的不足，那就是其測量系统必须保证參考源与被测源具有相同的频率，这就必须结合使用高精度的频率合成器，这部分电路不但价格昂贵、结构复杂，而且还容易在各变换环节引入合成线路的附加误差，同时其本身的噪声也会对相位噪声测量的精度造成影响。为了降低频率合成器给测量装置带来的影响，国外一方面是从线路上改进，另ー方面是从算法上进行优化，近来出现了以高速AD采样法为代表的数字化相位噪声测量方法。5.高速AD采样法。高速AD采样法是ー种直接数字化相位噪声测量方法，在測量系统中采用高速、高精度的AD转换器，通过直接对被测信号进行采样，再经过先进的数字信号处理技术来测量被测信号的相位噪声，然后对測量结果进行频谱分析，通过加入相关算法直接生成相位噪声曲线。
数字化相位噪声测量方法的主要环节就是高速、高精度AD转换器的应用，其优点是系统不需要锁相环，不需要复杂的环路修正；采用的数字滤波器可以有相当高的平坦度，不需要単独校准；可以通过互相关处理，降低AD采样精度限制。但是也存在许多缺点，如相位噪声测量系统受AD取样速率的限制；测量输入频率的带宽较窄；在測量高稳定度晶体振荡器时受底部的限制等。从总体上说，国内在相位处理和相位噪声测量方面的发展主要是跟踪和沿用国外的技术。
通过对国内外相位噪声测量研究现状的分析，可以看出无论采用锁相处理的方法还是后来在线路上的改进或在算法上的优化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測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。尽管国内外在这方面技术的研究取得了不少成绩，但从总体上说仍存在诸多问题(I)同频鉴相问题。目前相位处理和相噪测量只有在同频这个底层原理的基础上才能进行，如相位重合检测、相位比对、相位同步、相位差调整和測量、锁相环、导航卫星Ipps信号的异常检测和处理及导航原子钟的无缝切换等，因此研究和完善任意信号之间无需频率归ー化的相位处理、比对、測量及控制是亟待解决的问题。(2)快响应时间与高分辨之间的矛盾问题。无论同频与否，目前相位噪声测量中均采用了高分辨率的相位重合检测方法，测量的分辨率越高，恢复的重合信息误差越大，相位重合点的检测越难，闸门开启速度越慢。(3)測量精度受限问题。数字化相位噪声测量受AD采样速率的限制，相位噪声测量指标较低，不适用高稳定度晶体振荡器的測量。(4)相噪曲线生成问题。相位噪声测量结果需要用数字信号处理进行频谱分析再结合复杂的算法才能生成单边带相位噪声曲线，而不是通过一种简单、方便的时频转換算法，由时域到频域直接生成相噪曲线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于群相位特征处理的数字化无间隙相位噪声测量方法。本发明的技术方案如下基于群相位特征处理的数字化无间隙相位噪声测量方法，首先将參考源提供的參考信号整形为矩形脉冲信号，然后在控制器作用下，将被测信号与矩形脉冲信号进行频率变换，然后将频率变换后的信号一起送入重合点检测电路，进行相位重合检测，为了加快相位检测速度及准确捕捉相位重合点，需要对矩形脉冲信号进行移相处理。同时以两信号间的相位重合点作为测量闸门，同时开启计数器对闸门时间进行无间隙计数测量，用相位重合点之间计数值的变化来反映相位噪声的大小；最后将无间隙门时测量的时域数据进行数字信号处理，在快速傅里叶变换算法协作下，显示出被测信号的单边带相位噪声曲线。无间隙数字化相噪测量方法等较传统的锁相处理方法具有电路简单，精度高，可以对异频信号直接进行相位重合点检测等特点。进而实现以异频信号相位重合点的无间隙门时测量取代传统的模拟化处理和同频鉴相、锁相。基于群相位特征处理的相位噪声测量方法在原理上要明显比国外传统的相位噪声测量方法更简単。
图I为基于群相位特征处理的相位噪声测量方法；图2为移相部分原理框图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。针对异频相噪測量中存在的问题，结合等效鉴相频率、群周期及群相位量子的基本理论，在异频相噪测量原理的基础上，提出了一种基于群相位特征处理的无间隙数字化相位噪声测量方法。 该方法主要包括相位重合点检测和无间隙门时测量两部分，其主要原理是基于异频信号之间以变化着的最小公倍数周期表现的相位差变化的周期性特征实现相噪測量。參考图I所示，首先将參考源提供的參考信号整形为矩形脉冲信号，然后在控制器作用下，将被测信号与矩形脉冲信号进行频率变换，然后将频率变换后的信号一起送入重合点检测电路，进行相位重合检测，为了加快相位检测速度及准确捕捉相位重合点，需要对矩形脉冲信号进行移相处理。同时以两信号间的相位重合点作为测量闸门，同时开启计数器对闸门时间进行无间隙(不间断)计数测量，用相位重合点之间计数值的变化来反映相位噪声的大小；最后将无间隙门时测量的时域数据进行数字信号处理，在快速傅里叶变换算法协作下，显示出被测信号的单边带相位噪声曲线。系统主要包括信号整形电路部分、相位重合点检测、无间隙门时测量部分。(I)信号整形电路信号整形电路的主要功能是完成对输入的宽频率范围的模拟信号进行放大整形，是系统中的重要电路之一，它的性能好坏将制约后续各部分电路的指标，只有将信号调理电路设计的出色，最終才能得到高的測量准确度。其中触发误差影响的抑制是必须要考虑的。作为仪器的前级，由于输入的信号都是高速的频率信号，它必须具有高输入电压灵敏度，宽调理电压范围和高输入阻杭，同时要能适应各种波形的周期性信号的调理要求，还必须具有良好的抗干扰能力； (2)相位重合点检测和无间隙门时测量部分该部分性能的好坏及其对群相位重合点检测的准确程度，直接影响到仪器最終的測量准确度。为了能够实现群相位重合点的检测，通常需要将经过信号调理后得到的方波信号转换为与之同频的脉冲信号。为了提高測量准确度，应该使产生的同频脉冲信号的宽度变窄，但是也并非无限窄，这涉及到后续器件的驱动问题。在相位重合点检测部分存在响应时间的问题，为了提高测量的响应时间，采用超高稳定度晶体振荡器频标组作为參考源，同时对參考源进行调相、移相，动态多项的重合检测测量的方法，原理框图见图2。超高稳定度晶体振荡器采用秒级稳定度为5X 10_13的5MHz或者IOMHz晶振。在此，由于參考源的移相实现了新的相位同步，其中包含有闸门时间差异，可以从门时差异信息中获得更高时间响应的信息。因此，针对单边带相位噪声的測量，采用并行的、用成阵的方法，利用相位重合检测的超高灵敏度的相位检测和处理技木，从而适用于这种更复杂的应用场合。一般的測量方法在靠近载频是具有较高的灵敏度，如果f在远载频，这时由于功率谱密度随f的增大而迅速的减小，是测试的ー个难点，称为远端噪声。移相以后可以在短时间内测得多组数据，即能满足对信号的远端噪声进行测量的要求，也可以大大提高测量噪声的速度。技术方案的可行性论证相位噪声测量系统的关键是锁相环，对相位噪声测量系统的核心部分——基于等效鉴相频率的锁相环进行测试。本方案使用高稳定度的5MHz、12. 8MHz、16. 384MHz和38. 88MHz信号，分别作为相噪设备中异频锁相环的參考信号，对设备中基准为IOMHz的压控OCXO进行锁定，锁定前IOMHz的压控OCXO的秒级稳定度为3. 7 X 10—11。锁定后IOMHz的压控OCXO的秒级稳定度见下表。
权利要求
1.一种基于群相位特征处理的数字化无间隙相位噪声测量方法，其特征在于，首先将參考源提供的參考信号整形为矩形脉冲信号，然后在控制器作用下，将被测信号与矩形脉冲信号进行频率变换，然后将频率变换后的信号一起送入重合点检测电路，进行相位重合检测，为了加快相位检测速度及准确捕捉相位重合点，需要对矩形脉冲信号进行移相处理；同时以两信号间的相位重合点作为测量闸门，同时开启计数器对闸门时间进行无间隙计数測量，用相位重合点之间计数值的变化来反映相位噪声的大小；最后将无间隙门时测量的时域数据进行数字信号处理，在快速傅里叶变换算法协作下，显示出被测信号的单边带相位噪声曲线。
全文摘要
本发明公开了基于群相位特征处理的数字化无间隙相位噪声测量方法将参考源提供的参考信号整形为矩形脉冲信号，在控制器作用下，将被测信号与矩形脉冲信号进行频率变换，将频率变换后的信号一起送入重合点检测电路，进行相位重合检测，为了加快相位检测速度及准确捕捉相位重合点，对矩形脉冲信号进行移相处理；同时以两信号间的相位重合点作为测量闸门，同时开启计数器对闸门时间进行无间隙计数测量，用相位重合点之间计数值的变化来反映相位噪声的大小；最后将无间隙门时测量的时域数据进行数字信号处理，在快速傅里叶变换算法协作下，显示出被测信号的单边带相位噪声曲线。具有电路简单，精度高，可以对异频信号直接进行相位重合点检测等特点。
文档编号G01R29/26GK102680808SQ20121015090
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者任景英, 刘丹, 周延, 崔光照, 左艳迪, 曹玲芝, 杜保强, 王延峰, 王聪, 谢泽会, 赵红梅, 郭淑婷 申请人:郑州轻工业学院