一种超高分辨率相位差测量的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有相差修正的基于双重合检测的超高分辨率相位差测量的方法及系统，利用两异频信号间的双相位重合检测构成测量闸门，第一相位重合检测及重合脉冲产生电路对被测频率信号及公共频率信号进行相位重合检测及产生重合脉冲；第二相位重合检测及重合脉冲产生电路对参考频率信号及公共频率信号进行相位重合检测及产生重合脉冲；门时产生电路根据接收的开门信号及关门信号产生门时信号，单片机根据计数数据获得被测频率信号与参考频率信号相位差；同时，对重合脉冲在测量闸门开门和关门附近时间区域内进行计数求得相位差的修正值，实现了超高分辨率的相位差测量，消除了计数误差、测量分辨率高，长期漂移量小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于时间频率信号处理
，尤其涉及一种具有相差修正的基于双重合检测的超高分辨率相位差测量的方法及系统。
技术介绍
高分辨率相位差测量技术在科学研究和工程实践中都具有广泛的应用，在时频测控领域发挥着重要作用。在电子测量中，示波器、逻辑分析仪、信号发生器等高精度测试仪器中都包含了高分辨率相位差测量模块。工程应用中的星地时间同步、导航定位、激光测距、通讯技术等领域也需要高分辨率的相位差测量技术。高分辨率相位差测量技术是保证测量比对、精密授时、导航定位等精度的核心技术。例如，在卫星导航定位系统建设和系统运行维护中，时间相位同步是卫星导航定位的一个关键技术和一项基本性能，直接影响到整个系统的精度，是系统设计的关键。在高精度时间频率传递、同步以及测量等技术中，都需要有高分辨率的相位差测量和处理技术。随着通讯、航空航天、导航定位等高科技领域的技术发展，以及新型频率基准器，如超高稳晶体振荡器、原子钟、喷泉钟、光钟等具有高稳定度的频率源设备不断发展，例如，铯原子钟的频率准确度可达10_13量级，一天的稳定度可达10_15量级，对频率的精密测量及频率稳定度的分析需求也不断提高，需要更高准确度的时频基准的测量和控制技术，对时频信号的处理分辨率提出了越来越高的要求，高分辨率的相位差测量和比对方法的作用更重要。因此，高分辨率的相位差测量及比对新技术的深入研究具有重要的理论和现实意义。对于具有相同标称值的频率彳目号，在本质上时间间隔和相位差具有相同的意义，因此国内外现有的相位差测量技术都是将两个同频信号间的相位差看成短时间间隔来测量。现有的常用相位差测量方法有直接计数法、模拟内插法、时间数字转换法、游标法、双混频时差法等。直接计数法结构简单、测量范围宽，但存在±I个计数误差，测量精度不够高。模拟内插法和时间数字转换法都是将直接计数法中的小于一个计数周期的短时间间隔进一步高分辨率测量。模拟内插法采用电容充放电法提高了测量分辨率，但测量分辨率受到填充时钟频率的限制，同时在被测信号频率较高的情况下易受噪声的干扰。时间数字转换法和游标法用延迟线法提高了测量分辨率，但测量分辨率受到延迟线的分辨率的限制，一般为百皮秒量级。双混频时差法利用中介晶体振荡器测量相位差，分辨率可以达到皮秒量级，但受中介晶体振荡器的影响，该方法具有较大的长期测量漂移，不适合长时间连续测量。
技术实现思路
针对上述现有的相位差测量方法中存在的问题，例如，直接计数法和模拟内插法测量分辨率受限于填充时钟频率，存在±1个计数误差；时间数字转换法和游标法的分辨率受限于延迟线的分辨率，存在延迟量化误差、集成非线性、线路复杂；双混频时差法受中介晶体振荡器的影响，存在较大的长期测量漂移，不适合长时间连续测量等，本专利技术提供了一种具有相差修正的基于双重合检测的超高分辨率相位差测量的方法及系统，该方法利用异频信号间的双相位重合检测构成测量闸门，对测量门时内的被测频率和公共频率进行计数测量相位差的方法，通过对测量闸门开门和关门附近的重合脉冲进行计数得出相位差的修正值，从而实现超高分辨率的相位差测量。本专利技术的目的在于提供一种具有相差修正的基于双重合检测的超高分辨率相位差测量的系统，该系统包括:被测频率信号输入模块；参考频率信号输入模块；与所述被测频率信号输入模块相连接，用于对被测频率信号进行整形的第一信号整形模块；与所述参考频率信号输入模块相连接，用于产生公共频率信号的直接数字式频率合成器；与所述直接数字式频率合成器相连接，用于对所述直接数字式频率合成器产生的公共频率信号进行整形的第二信号整形模块；与所述参考频率信号输入模块相连接，用于对参考频率信号进行整形的第三信号整形模块；与所述第一信号整形模块及第二信号整形模块相连接，用于对整形后的被测频率信号及公共频率信号进行相位重合检测及产生重合脉冲的第一相位重合检测及重合脉冲产生电路；与所述第二信号整形模块及第三信号整形模块相连接，用于对整形后的公共频率信号及参考频率信号进行相位重合检测及产生重合脉冲的第二相位重合检测及重合脉冲产生电路；与所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路及第二相位重合检测及重合脉冲产生电路相连接，用于将所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路输出的信号作为开门信号以及将所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路输出的信号作为关门信号，并产生门时信号的门时产生电路；与所述第一整形电路及门时产生电路相连接，用于接收所述第一整形电路输出的整形后的被测频率信号及门时产生电路输出的门时信号，在门时信号的控制下对整形后的被测频率信号进行导通与截止的第一与门；与所述第一与门相连接，用于在测量门时内，对送入所述第一与门的被测频率信号进行计数的第一计数器；与所述第二整形电路及门时产生电路相连接，用于接收所述第二整形电路输出的整形后的公共频率信号及门时产生电路输出的门时信号，在门时信号的控制下对整形后的公共频率信号进行导通与截止的第二与门；与所述第二与门相连接，用于在测量门时内，对送入所述第二与门的公共频率信号进行计数的第二计数器；与所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路及单片机相连接，用于接收整形后被测频率信号及公共频率信号经所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲及所述单片机输出的参考门时信号，在参考门时信号的控制下对整形后被测频率信号及公共频率信号经所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲进行导通与截止的第三与门；与所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路及单片机相连接，用于接收整形后参考频率信号及公共频率信号经所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲及所述单片机输出的参考门时信号，在参考门时信号的控制下对整形后参考频率信号及公共频率信号经所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲进行导通与截止的第四与门；与所述第一与门相连接，用于对在测量门时内，对输入第一与门的被测频率信号进行计数的第一计数器；与所述第二与门相连接，用于对在测量门时内，对输入第二与门的公共频率信号进行计数的第二计数器；与所述第三与门相连接，用于对在参考门时内，对输入第三与门的、并由所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲进行计数的第三计数器；与所述第四与门相连接，用于对在参考门时内，对输入第四与门的、并由所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲进行计数的第四计数器；与所述第一计数器、第二计数器、第三计数器及第四计数器相连接，用于接收所述第一计数器、第二计数器、第三计数器及第四计数器输出的数据，对数据进行处理，并获得被测频率信号与参考频率信号相位差的单片机。进一步，该系统还设置有:与所述门时产生电路相连接，用于对门时产生电路进行适当时间延迟的延时控制电路。本专利技术的另一目的在于提供一种具有相差修正的基于双重合检测的超高分辨率相位差测量的方法，该方法包括以下步骤:由参考频率为&的信号产生公共频率为f。的信号，将被测频率为fx的信号和公共频率为f。的信号输入到第一相位重合检测及重合脉冲产生电路，相位重合点作为测量闸门开门信号；将参考频率为&的信号和公共频率为f。的信号输入第二相位重合检测及重合脉冲产生电路，相位重合点作为测量闸门关门信号；在测量门时内分别对被测频率为fx的信号和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有相差修正的基于双重合检测的超高分辨率相位差测量的系统，其特征在于，该系统包括：被测频率信号输入模块；参考频率信号输入模块；与所述被测频率信号输入模块相连接，用于对被测频率信号进行整形的第一信号整形模块；与所述参考频率信号输入模块相连接，用于产生公共频率信号的直接数字式频率合成器；与所述直接数字式频率合成器相连接，用于对所述直接数字式频率合成器产生的公共频率信号进行整形的第二信号整形模块；与所述参考频率信号输入模块相连接，用于参考频率信号进行整形的第三信号整形模块；与所述第一信号整形模块及第二信号整形模块相连接，用于对整形后的被测频率信号及公共频率信号进行相位重合检测及产生重合脉冲的第一相位重合检测及重合脉冲产生电路；与所述第二信号整形模块及第三信号整形模块相连接，用于对整形后的公共频率信号及参考频率信号进行相位重合检测及产生重合脉冲的第二相位重合检测及重合脉冲产生电路；与所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路及第二相位重合检测及重合脉冲产生电路相连接，用于将所述第一相位重合检测及重 合脉冲产生电路输出的信号作为开门信号以及将所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路输出的信号作为关门信号，并产生门时信号的门时产生电路；与所述第一整形电路及门时产生电路相连接，用于接收所述第一整形电路输出的整形后的被测频率信号及门时产生电路输出的门时信号，在门时信号的控制下对整形后的被测频率信号进行导通与截止的第一与门；与所述第一与门相连接，用于在测量门时内，对送入所述第一与门的被测频率信号进行计数的第一计数器；与所述第二整形电路及门时产生电路相连接，用于接收所述第二整形电路输出的整形后的公共频率信号及门时产生电路输出的门时信号，在门时信号的控制下对整形后的公共频率信号进行导通与截止的第二与门；与所述第二与门相连接，用于在测量门时内，对送入所述第二与门的公共频率信号进行计数的第二计数器；与所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路及单片机相连接，用于接收整形后被测频率信号及公共频率信号经所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲及所述单片机输出的参考门时信号，在参考门时信号的控制下对整形后被测频率信号及公共频率信号经所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲进行导通与截止的第三与门；与所述第三与门相连接，用于对在参考门时内，对输入第三与门 的、并由所述第一相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲进行计数的第三计数器；与所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路及单片机相连接，用于接收整形后参考频率信号及公共频率信号经所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲及所述单片机输出的参考门时信号，在参考门时信号的控制下对整形后参考频率信号及公共频率信号经所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲进行导通与截止的第四与门；与所述第四与门相连接，用于对在参考门时内，对输入第四与门的、并由所述第二相位重合检测及重合脉冲产生电路产生的重合脉冲进行计数的第四计数器；与所述第一计数器、第二计数器、第三计数器及第四计数器相连接，用于接收所述第一计数器、第二计数器、第三计数器及第四计数器输出的数据，对数据进行处理，并获得被测频率信号与参考频率信号相位差的单片机。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董绍锋，周渭，詹劲松，胡为，杜保强，秦红波，屈八一，史琳，李辰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：