宽量程高精度的信号测量方法技术

宽量程高精度的信号测量方法，涉及通信技术。本发明专利技术包括下述步骤：A、测量时间锁存信号：记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty；B、测量精细参考时间段Ttdc：测量Tx到Ty之间的时延，即为精细参考时间段Ttdc；C、计算被测信号进入时间Tx：Tx＝Tsys‑Ttdc；D、计算相位差；重复步骤A‑C，以两次测量得到的Tx值相减，即为相位差。本发明专利技术的测量方法不受测量范围的限制，达到宽量程测量的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信技术。
技术介绍
随着科学技术的持续发展，时间同步系统在越来越多的行业和领域得到广泛应用。例如，在通信行业，时间同步系统为通信系统中的各个节点或端设备提供同步时钟和时间信号，保证了通信系统的正常运行；在电力行业，时间同步系统主要为电厂电站提供统一的时间服务，确保各个监控或采集设备间的时间一致，便于监控和分析电网的运行状态。时间同步系统通常是由多个同步节点设备组成的时间同步网络构成，各个节点设备都具备参考信号接收测量、校准设备时钟和时间，并输出时间和频率信号的功能。例如，当节点设备的信号参考源为卫星信号(GPS或北斗)时，通常采用设备的时钟测量从卫星信号接收的秒脉冲信号的频率来计算出时钟的频偏，通过调整设备时钟的输出频率，来达到与卫星信号的频率同步的目的；通过测量设备的秒脉冲信号与卫星的秒脉冲信号的相位差，来校准设备的秒脉冲信号，从而实现时间同步。可见，信号的相位和频率测量的准确度是影响时间同步设备的同步及授时精度的重要因素。测量的准确度越高，时间同步设备的同步速度越快和同步精度也越高；反之，测量的准确度低，时间同步设备的同步速度慢和同步精度低。通常对信号的相位测量方法是采用时钟对信号间相位差的时间间隔进行计数，将计数结果乘以时钟的周期就得到相位差的测量结果。对信号的频率进行测量通常采用时钟来计算被测信号经历的周期数除以时间间隔的方法来实现。假设，参考信号两次间的时钟间隔计数为N，参考信号的周期为Tref，则测量得到的时钟的频率为当时钟的周期为Tclock，两个信号相位差的计数为N，则测量得到的相位差Tphase＝N·Tclock。测量的最大误差是时间间隔计数值N有±1个计算值的随机误差，即频率误差相位误差ΔTphase＝±Tclock。以100MHz时钟为例，参考信号的频率为1Hz，则测量得到的时钟频率的相对误差为10-8；相位误差为±10ns。由上分析可知，常规的时钟计数测量方法会带来很大的误差。即使提高时钟的频率或增大参考信号的周期，对测量精度的提高有限，也难达到目前时间同步设备对参考源信号亚纳秒级的测量精度需求。对于亚纳秒级的测量一般会采用专业芯片来实现，专业芯片工作稳定，具备自动校准功能，测量精度高。德国ACAM公司的时间数字转换芯片TDC‐GP22常应用于信号时延测量，测量分辨率可达22ps，测量范围为500ns到4ms。可见TDC‐GP22也存在应用缺陷，不能测量间隔小于500ns或大于4ms的信号。作为一项现有技术，中国专利CN201210593724.2高精度相位和频率测量系统公开了一种相位和频率的测量方法，该方法利用FPGA对两路信号间的间隔用时钟进行粗计数，并将时间间隔的开始和结尾处生成两个内插脉冲，并将两个内插脉冲分别输出至积分式模拟延展电路，再通过计数测量延展电路返回的脉冲，最后结合充放电电路的参数比来计算得到开始和结尾的相位，从而计算得到比较精确的测量间隔。该方法采用双内插法与积分式模拟延展法，对时间间隔的测量分辨率理论能达到50ps，高于传统方法的测量分辨率。该方法采用时间扩展法的主要的缺点是非线性难以控制。由于利用电路充放电原理进行测量，模拟电路充放电过程中难以避免的存在非线性；而且也难以实现具有理想性的恒流源，实际应用中的恒流电路会受电压变化和稳定变化等环境因素的影响，所以非线性不易控制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种对信号间隔的高精度测量，并能满足宽量程的应用需求的信号测量方法。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是，宽量程高精度的信号测量方法，包括下述步骤：A、测量时间锁存信号：记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty；B、测量精细参考时间段Ttdc：测量Tx到Ty之间的时延，即为精细参考时间段Ttdc；C、计算被测信号进入时间Tx：Tx＝Tsys-Ttdc；D、计算相位差；重复步骤A-C，以两次测量得到的T1值相减，即为相位差。所述系统时间为基于FPGA的周期性时钟。对于多路信号，所述步骤D为：对第二路被测信号运用步骤A-C，得到第二路被测信号进入时间T2，T2与Tx的差值即为两路信号的相位差。所述步骤A中，延时周期数N满足Tclock为系统时间的周期。本专利技术的有益效果是，通过被测量信号锁存准确的系统时间，根据锁存时间的差运算即可得到两次或多次信号间的相位差(时延)数据；不同信号的锁存时间的差运算可得到不同信号间的相位差(时延)数据。可见该测量方法不受测量范围的限制，达到宽量程测量的效果。本专利技术利用时钟获取被测量信号的上升沿，并在固定时钟周期后锁存系统时间，并结束TDC-GP22的测量，这样有效的保障来TDC-GP22测量的可靠性，从而保证来测量精度。针对被测信号所做的时延，已包含在TDC-GP22的测量数据中，通过数据的差运算后已从结果中扣除。本专利技术利用TDC-GP22的测量功能实现来皮秒级的测量分辨率，提高了信号测量的准确度。TDC-GP22芯片是一种较为广泛应用的芯片，购买成本相对低，因此具有较低的硬件成本优势。附图说明图1是本专利技术的原理图。图2是本专利技术的实施例的原理图。图3是本专利技术的测量系统结构框图。具体实施方式参见图1。本专利技术提出一种基于FPGA的时钟计数测量信号间隔的粗相位差，TDC-GP22测量信号的细相位差，从而实现对信号间隔的高精度测量，并能满足宽量程的应用需求。其中，粗相位差的测量采用时钟计数信号间间隔的个数，根据测量的时钟个数乘以时钟周期值可得到相差值；细相差的测量指测量信号的上升沿与时钟上升沿间的时间间隔，该测量值分辨率在皮秒级；根据粗相差值及高分辨率的细相差值，简单运算可得到被测信号间皮秒级精度的相差值。本专利技术中为了解决测量的信号间的相位关系存在变化的问题，提出一种基于时钟运行一个系统时间，利用时钟监控被测信号的上升沿，根据被测信号的上升沿锁存当前系统时间得到被测信号的粗时间值，应用TDC-GP22测量被测信号的上升沿与时钟上升沿间的间隔得到细时间相位值，再根据初时间值减去细时间相位值，可得被测信号相对于系统时间精确的时间值。利用信号的时间值相减可得信号间高精度的相位差值。本专利技术中为了解决TDC-GP22的可测区间有限的问题(测量范围500ns～4ms)，在利用时钟识别被测信号的上升沿锁存系统时间时，当识别出被测信号的上升沿后延时一定的时间(大于500ns)后才锁存系统时间，这样可以保证被测信号上升沿与时钟锁存信号间的间隔大于TDC-GP22测试的死区间500ns。本专利技术针对TDC-GP22存在测量的死区间的问题，利用时钟将被测信号的上升沿与时间锁存信号间的间隔控制在死区间外，这样有效的避免来TDC-GP22的应用缺点来达到高精度广范围的应用需求。本专利技术的方法如图1所示，系统中运行一个系统时间单元，系统的时钟周期为Tclock(Tclock>0)，系统时间单元每个时钟上升沿时刻输出的时间Tsys比上一时钟上升沿输出的时间多Tclock。将被测信号接入高精度测量芯片TDC-GP22的start管脚，将基于被测信号上升沿产生的时间锁存信号接TDC-GP22的stop管脚，TDC-GP22测量得到的精细部分的测量结果Ttdc。被测信号进入系统相对于系统准确的时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
宽量程高精度的信号测量方法，包括下述步骤：A、测量时间锁存信号：记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty；B、测量精细参考时间段Ttdc：测量Tx到Ty之间的时延，即为精细参考时间段Ttdc；C、计算被测信号进入时间Tx：Tx＝Tsys‑Ttdc；D、计算相位差；重复步骤A‑C，以两次测量得到的Tx值相减，即为相位差。

【技术特征摘要】
1.宽量程高精度的信号测量方法，包括下述步骤：A、测量时间锁存信号：记录被测信号上升沿时刻Tx在N个系统时间周期后的系统时钟上升沿时刻Ty；B、测量精细参考时间段Ttdc：测量Tx到Ty之间的时延，即为精细参考时间段Ttdc；C、计算被测信号进入时间Tx：Tx＝Tsys-Ttdc；D、计算相位差；重复步骤A-C，以两次测量得到的Tx值相减，即为相位差。2.如权利要求1所述的宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：王茂凌，何定高，谢平，黄才兴，陈家毅，曾勇，楚鹰军，
申请(专利权)人：电信科学技术第五研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51