基于異頻信號的群相位量子化處理及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在時頻信號的測量、比對、控制、鎖相環(huán)路、頻率變換及合成、相位噪聲測量以及原子頻標(biāo)的信號處理中,提高精度、簡化設(shè)備等是發(fā)展的方向。因為時頻信號的測量、比對、控制是建立在相互關(guān)系的基礎(chǔ)之上的,所以從信號的相互關(guān)系入手來考察獲得高精度的特性的內(nèi)容是很有必要的。傳統(tǒng)的高精度的處理方法是建立在信號連續(xù)相位(或者頻率)比對處理、頻率的歸一化等途徑的基礎(chǔ)上即通常的相位比對和處理均要求頻率標(biāo)稱值相等或者具有較為嚴(yán)格的相互頻率關(guān)系。在某些情況下,為了在寬

2、的頻率范圍或者特定的頻率標(biāo)稱值不同的頻率信號之間進(jìn)行比對,還必須引入復(fù)雜的頻率變換,這樣就限制了相位比對的精度和應(yīng)用的廣泛性。近年來,國外在這方面技術(shù)的發(fā)展,一方面借助于微電子技術(shù)的發(fā)展從線路上進(jìn)行改進(jìn),另一方面借助于微處理技術(shù)從算法上進(jìn)行優(yōu)化。但是傳統(tǒng)的最具有發(fā)展?jié)摿Φ臅r頻信號處理技術(shù)通常采用的是相位處理的方法。這里,無論采用了哪些算法和處理方法都是建立在同頻信號的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行的相位比對；對于有頻率差別的信號只能通過頻率變換等方法進(jìn)

3、行處理。因此,如果在寬的頻率范圍要完成測量中所必須的相位比對就必須結(jié)合使用高精度的頻率合成器。這樣不但設(shè)備復(fù)雜,而且在各變換環(huán)節(jié)容易引入合成線路的附加誤差,這是傳統(tǒng)的相位處理方法不可避免的缺陷。而在本論文中,這些缺陷會在異頻信號的一系列新概念和理論的支持下發(fā)生根本性的改變并可以有效地得到解決。這些新的概念和理論包括相位量子、群相位量子、相位差群、群相位差、群相移、群周期、群同步、群周期相位比對及群相位控制等,它們是建立在異頻信號間的最大

4、公因子頻率、最小公倍數(shù)周期、等效鑒相頻率、量化相移分辨率等表征相互頻率關(guān)系的重要參數(shù)基礎(chǔ)之上的,所以異頻信號間的群相位量子化處理的方法更適合于高精度的頻率信號處理,其關(guān)鍵技術(shù)可能會影響到時頻測控技術(shù)的發(fā)展。因此,基于群相位量子化的相關(guān)概念及相應(yīng)的信號處理方案把信號之間必須基于同頻才能進(jìn)行的測量、比對、處理及控制推廣到了更具有普遍意義的任意頻率信號之間,這方面的貢獻(xiàn)主要包括以下幾點:
　　 1.根據(jù)異頻信號之間最基本的相位關(guān)系,提

5、出了群相位量子的基本概念并深入分析了群相位差變化的基本規(guī)律、群相位量子的特點以及基于群相位重合檢測消除±1個計數(shù)誤差的根源。將這些新概念及其特點用于時頻信號的測量和處理中,結(jié)合群相位重合點及其檢測的基本理論,能夠獲得高的測量分辨率。
　　 2.在群相位量子等群概念的基礎(chǔ)上,提出了群周期相位比對的方法。該方法揭示了周期性信號相互間的固有關(guān)系及相位差變化的規(guī)律,把這些規(guī)律應(yīng)用率信號相互關(guān)系的處理中,無須頻率歸一化也可完成相互間的相位

6、比對及處實驗結(jié)果表明了該方法的科學(xué)性和先進(jìn)性,以群相位量子為基礎(chǔ)的測量、比對及控制可以達(dá)到10-12/S量級的分辨率。
　　 3.在群周期相位比對技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種基于異頻相位處理的高精度頻率測量方法。利用群相位量子變化的規(guī)律性及異頻信號間群相位重合點的分布規(guī)律,在兩群相位重合點處建立測量閘門,克服了傳統(tǒng)頻率測量中存在的±1個計數(shù)誤差的問題。通過脈寬調(diào)整電路減少相位重合點簇中的脈沖個數(shù)并借助相位控制電路有效地捕捉最佳相位重

7、合點,進(jìn)而降低實際測量閘門開啟和關(guān)閉的隨機(jī)性,大大提高了系統(tǒng)的測量精度。為了保證任意信號的可測量性,同時提出了一種具有自適應(yīng)能力的頻率測量方案。通過引入DDS,以被測信號的粗測值為參考自動合成一個與被測信號具有一定頻率關(guān)系的頻標(biāo)信號,確保被測信號與頻標(biāo)信號具有相位關(guān)系的可控性,使系統(tǒng)最終實現(xiàn)了在寬范圍內(nèi)任意頻率信號的高精度測量。在此基礎(chǔ)上,如果改進(jìn)DDS輸出信號的穩(wěn)定度,降低系統(tǒng)的本底噪聲,提高群相位重合點捕捉的準(zhǔn)確度,進(jìn)一步完善群相位

8、量子處理中存在的問題,則獲得皮ps量級以上的超高測量分辨率是完全有可能的。實驗結(jié)果表明其實際測量精度可達(dá)到10-13/s量級,與傳統(tǒng)頻率測量系統(tǒng)相比,新方案具有測量精度高,電路結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉及系統(tǒng)穩(wěn)定性高的優(yōu)點。
　　 4.根據(jù)信號間的頻率關(guān)系及群相位差周期性變化的規(guī)律性,提出了一種基于異頻相位處理的相位噪聲測量系統(tǒng)。通過異頻鑒相獲取相位差信息,經(jīng)低通濾波及相關(guān)信號處理后得到參考源的壓控信號,進(jìn)而實現(xiàn)相位鎖定并在鎖定后提取被

9、測信號的相位噪聲信息,然后送入頻譜分析儀,從而實現(xiàn)了相位噪聲的高精度測量。該系統(tǒng)可以用一個參考源完成任意頻率信號的相位噪聲測量而且參考源的相位噪聲低,頻率穩(wěn)定度高,壓控范圍寬。將異頻相位處理應(yīng)用于相位噪聲測量系統(tǒng)中,這在相噪測量領(lǐng)域是一個新的突破,它不再是單純依靠線路上的改進(jìn)來提高測量精度,而是利用自然界中周期性信號相互間的固有關(guān)系及變化規(guī)律,把這些關(guān)系和規(guī)律應(yīng)用于相位噪聲測量中,不必使它們頻率相同也可完成相互間的線性相位比對,進(jìn)而在抑

10、制載頻的情況下提取被測信號的噪聲信息。在此基礎(chǔ)上,作為異頻相位噪聲測量的進(jìn)一步研究,提出了基于群相位量子的無間隙數(shù)字化相位噪聲測量新方案。根據(jù)參考信號經(jīng)過合適倍頻及簡單合成變換后與被測信號的頻率進(jìn)行相位重合點檢測,通過對重合點之間的無間隙計數(shù),由兩相鄰重合點之間計數(shù)值的變化或相位起伏的變化反映相位噪聲的變化,最后經(jīng)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理和離散傅立葉變換算法來計算單邊帶相位噪聲,實現(xiàn)數(shù)字化高精度相噪測量。
　　 5.根據(jù)電磁波信號在特定媒

11、質(zhì)中傳播的時延穩(wěn)定性這一自然現(xiàn)象,提出了一種基于時空轉(zhuǎn)換的高分辨率短時間間隔測量方法。該方法將被測時間間隔量化,結(jié)合相位重合檢測技術(shù),使對時間量的測量轉(zhuǎn)化為對空間長度量的測量。將時空轉(zhuǎn)換原理應(yīng)用于精密時間間隔測量中,這在短時間間隔測量中是一個新的突破,它不再是單純依賴線路上的改進(jìn)來提高系統(tǒng)的測量精度,而是利用電磁信號在導(dǎo)線中傳輸不會產(chǎn)生畸變僅在時間上發(fā)生延遲的規(guī)律性,把這些規(guī)律和特性應(yīng)用于測量中。因此,它是一種完全不同于已有技術(shù)途徑的新

12、的測量原理和方法。
　　 6.基于時空關(guān)系的測量方法具有很高的測量分辨率,但測量范圍窄,因而限制了其應(yīng)用的廣泛性。為了進(jìn)一步擴(kuò)寬其測量范圍,提出了一種基于延時復(fù)用技術(shù)的短時間間隔測量方案。根據(jù)基于時空關(guān)系的時間間隔測量原理,將若干延時單元組成延遲鏈,延遲鏈的輸出被反饋到系統(tǒng)輸入端并與輸入信號進(jìn)行單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)邏輯判斷,判斷結(jié)果被重新送回到重合檢測電路中去,實現(xiàn)一個延遲鏈可以多次復(fù)用的循環(huán)檢測,擴(kuò)展了基于時空關(guān)系的時間間隔測量范圍,提

13、高了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明其測量分辨率可達(dá)到十皮秒至皮秒量級。
　　 7.在基于時空關(guān)系的短時間間隔測量方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合長度游標(biāo)法的基本原理,提出了基于長度游標(biāo)的時頻測量新方法。利用長度游標(biāo)法測量時間間隔是一種新原理的技術(shù),它主要是利用了時間和空間的關(guān)系進(jìn)行對時間間隔的高分辨率測量,已經(jīng)被證明了容易實施、有很高的測量分辨率。用這種方法構(gòu)成的裝置已經(jīng)表現(xiàn)出了數(shù)十ps的測量分辨率,而且也很有希望得到更高的精度。將此方法應(yīng)用

14、于時間同步技術(shù)中,保證了時間的嚴(yán)格同步、高穩(wěn)定輸出,對于提高設(shè)備體系的整體性能具有很大的意義。
　　 8.提出了一種基于異頻相位處理的主動型氫原子頻標(biāo)鎖相系統(tǒng)的設(shè)計方案。該方案從原理上改進(jìn)和簡化鎖相環(huán)路,利用頻率信號間群相位差和群相位量子變化的規(guī)律性,實現(xiàn)了異頻鑒相鎖相。以此解決了主動型原子頻標(biāo)中的微波躍遷頻率信號和壓控晶體振蕩器之間的直接相位比對、控制或者在更短的頻率變換鏈情況下的處理和控制。這樣,不僅可以降低整個鎖相系統(tǒng)的復(fù)

15、雜性和成本,而且還有利于進(jìn)一步減小系統(tǒng)的本底噪聲。
　　 9.提出了一種基于GPS的新型二級頻標(biāo)鎖定系統(tǒng)。利用信號的時延穩(wěn)定性和群相位量子變化的規(guī)律性,產(chǎn)生一種基于長度游標(biāo)的高精度時間間隔測量方法。將該方法應(yīng)用于二級頻標(biāo)鎖定系統(tǒng)中,通過對被測時間間隔進(jìn)行多尺度卡爾曼濾波,在MCU控制下算出GPS與二級頻標(biāo)分頻信號之間的相對頻差；根據(jù)二級頻標(biāo)的頻-壓控制特性得到補(bǔ)償電壓,將該電壓進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后送到二級頻標(biāo)的壓控端,調(diào)整輸出頻率,