[發明專利]一種直接數字相位處理的線性比相方法

有效

• 申請號: 201910243847.5
• 申請日: 2019-03-28
• 公開（公告）號: CN110007150B
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 周渭;于光運;喬文博;牛希東;李智奇;張立東;王婭端;薛麗莉;韓文博;王盼
• 申請（專利權）人: 河北遠東通信系統工程有限公司
• 主分類號: G01R25/00
• 分類號: G01R25/00;G01R23/02
• 代理公司: 河北東尚律師事務所 13124
• 代理人: 王文慶

本發明公開了一種直接數字相位處理的線性比相方法，無需使用頻率變換輔助電路，但又避免了通常正弦信號波形對于相位處理的非線性失真。利用了頻率信號相位變化的周期性以及其波形特征，按照正弦信號的線性段占比相滿周期全相位變化范圍的比例，選擇時鐘信號是比對信號對應頻率的n倍。這樣就能保證連續在一起的n個時鐘信號中總有一個工作在信號的線性段。該方法的相位分辨率能夠優于ps量級甚至更高，比相和測量頻率的響應時間可以從信號的載頻周期開始，且長期一直覆蓋到天以上，可實現ns量級取樣時間的頻率穩定度測量以及控制等。該方法適用于任意頻率標稱值信號之間的數字化相位測量與比對，而且許多性能優于國際普遍認可的雙混時差DMTD。

技術領域

本發明屬于無線電測量領域以及精密時間頻率測量和控制，特別是一種直接數字相位處理的線性比相方法。

背景技術

直接數字相位處理的線性比相方法是用于頻標比對，相位變化檢測的高精度測量方法。目前，已有技術在解決相位比對問題時采用門電路或集成電路觸發器對兩個比對信號直接鑒相，如美國HpK34－59991A比相儀，這種方案存在著線性度差、調整不便和在高頻下比相時有“死區”及非線性現象的缺陷。美國3.986，113專利采用雙混頻器幅相檢波的方案，雖說對線性度和“死區”有所改善，但仍存在著比相器的測量精度與頻率標稱值相關和低頻比相精度低以及輔助公共振蕩器頻率在不同比相頻率值時必須作不同的更改的不足。模擬方式的線性相位比對儀器在漂移和相位分辨率方面仍有不足之處，尤其是針對復雜的頻率信號間其相位差變化難以恢復出被測量信號的實際相位變化的情況。

目前國際上公認最好的雙混頻器時差測量方法(DMTD)，無論是模擬的還是數字的DMTD方法確實具有很高的測量分辨率。但是這種方法采用了差拍的方法，在誤差被倍增的同時大大降低了時差測量的視在比對頻率，這樣也就降低了測量更短取樣時間頻率穩定度的短期和瞬態能力。例如，DMTD方法通過雙混頻的方法引入了測量的倍增效果，同時又降低了測量頻率，如從原來比對的10MHz頻率經過混頻常常被降到幾百Hz。這樣在終端的比對中就只能測量長于ms時間的頻率穩定度。而且DMTD方法存在時間滯后問題。DMTD方法包含混頻、濾波、放大、計數等環節，其處理的實時性受到很大的影響。并且DMTD及其他方法雖然具有很高的分辨率，但是設備復雜、造價高，在控制中應用受到限制。

綜上，現階段方法的缺陷或不足主要包括：

1、測量響應時間慢、短期比對時間只能達到ms級；

2、相噪、長期漂移較大，長期穩定度不足；

3、設備復雜，造價高，應用受到限制；

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提出一種直接數字相位處理的線性比相技術，利用ADC采集信號線性區作為檢相區間，實現高分辨率的相位比對和處理。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案予以解決：

一種單A/D采樣數字相位處理的線性比相方法，選擇時鐘信號是被測信號對應頻率的n倍，這樣保證連續在一起的n個時鐘信號中總有一個工作在信號的線性段，具體包括以下步驟：

①將一路比對信號作為被測信號保持原來的頻率和波形；

②將另一路參考信號通過倍頻器，頻率擴大為被測信號頻率標稱值的n倍，每一個被測信號周期中有倍頻后的n個參考信號作為A/D轉換器采樣的時鐘信號，n為正數；

④FPGA控制A/D轉換器對被測信號進行采樣，并且把采集到的線性區的電壓數據送入單片機MCU；

⑤單片機MCU將接收到的電壓數據轉換為兩個信號的相位差值，并通過相位差變化計算被測信號的頻率和頻率穩定度等。