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

1、在時(shí)頻信號(hào)的測(cè)量、比對(duì)、控制、鎖相環(huán)路、頻率變換及合成、相位噪聲測(cè)量以及原子頻標(biāo)的信號(hào)處理中,提高精度、簡(jiǎn)化設(shè)備等是發(fā)展的方向。因?yàn)闀r(shí)頻信號(hào)的測(cè)量、比對(duì)、控制是建立在相互關(guān)系的基礎(chǔ)之上的,所以從信號(hào)的相互關(guān)系入手來(lái)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(hào)連續(xù)相位(或者頻率)比對(duì)處理、頻率的歸一化等途徑的基礎(chǔ)上即通常的相位比對(duì)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(hào)之間進(jìn)行比對(duì),還必須引入復(fù)雜的頻率變換,這樣就限制了相位比對(duì)的精度和應(yīng)用的廣泛性。近年來(lái),國(guó)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(shí)頻信號(hào)處理技術(shù)通常采用的是相位處理的方法。這里,無(wú)論采用了哪些算法和處理方法都是建立在同頻信號(hào)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行的相位比對(duì)；對(duì)于有頻率差別的信號(hào)只能通過(guò)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(cè)量中所必須的相位比對(duì)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(huì)在異頻信號(hào)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(duì)及群相位控制等,它們是建立在異頻信號(hào)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(hào)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(hào)處理,其關(guān)鍵技術(shù)可能會(huì)影響到時(shí)頻測(cè)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(hào)處理方案把信號(hào)之間必須基于同頻才能進(jìn)行的測(cè)量、比對(duì)、處理及控制推廣到了更具有普遍意義的任意頻率信號(hào)之間,這方面的貢獻(xiàn)主要包括以下幾點(diǎn):
　　 1.根據(jù)異頻信號(hào)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(diǎn)以及基于群相位重合檢測(cè)消除±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差的根源。將這些新概念及其特點(diǎn)用于時(shí)頻信號(hào)的測(cè)量和處理中,結(jié)合群相位重合點(diǎn)及其檢測(cè)的基本理論,能夠獲得高的測(cè)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(duì)的方法。該方法揭示了周期性信號(hào)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(hào)相互關(guān)系的處理中,無(wú)須頻率歸一化也可完成相互間的相位

6、比對(duì)及處實(shí)驗(yàn)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(cè)量、比對(duì)及控制可以達(dá)到10-12/S量級(jí)的分辨率。
　　 3.在群周期相位比對(duì)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(cè)量方法。利用群相位量子變化的規(guī)律性及異頻信號(hào)間群相位重合點(diǎn)的分布規(guī)律,在兩群相位重合點(diǎn)處建立測(cè)量閘門,克服了傳統(tǒng)頻率測(cè)量中存在的±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差的問(wèn)題。通過(guò)脈寬調(diào)整電路減少相位重合點(diǎn)簇中的脈沖個(gè)數(shù)并借助相位控制電路有效地捕捉最佳相位重

7、合點(diǎn),進(jìn)而降低實(shí)際測(cè)量閘門開(kāi)啟和關(guān)閉的隨機(jī)性,大大提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。為了保證任意信號(hào)的可測(cè)量性,同時(shí)提出了一種具有自適應(yīng)能力的頻率測(cè)量方案。通過(guò)引入DDS,以被測(cè)信號(hào)的粗測(cè)值為參考自動(dòng)合成一個(gè)與被測(cè)信號(hào)具有一定頻率關(guān)系的頻標(biāo)信號(hào),確保被測(cè)信號(hào)與頻標(biāo)信號(hào)具有相位關(guān)系的可控性,使系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了在寬范圍內(nèi)任意頻率信號(hào)的高精度測(cè)量。在此基礎(chǔ)上,如果改進(jìn)DDS輸出信號(hào)的穩(wěn)定度,降低系統(tǒng)的本底噪聲,提高群相位重合點(diǎn)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(wèn)題,則獲得皮ps量級(jí)以上的超高測(cè)量分辨率是完全有可能的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其實(shí)際測(cè)量精度可達(dá)到10-13/s量級(jí),與傳統(tǒng)頻率測(cè)量系統(tǒng)相比,新方案具有測(cè)量精度高,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉及系統(tǒng)穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。
　　 4.根據(jù)信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)異頻鑒相獲取相位差信息,經(jīng)低通濾波及相關(guān)信號(hào)處理后得到參考源的壓控信號(hào),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位鎖定并在鎖定后提取被

9、測(cè)信號(hào)的相位噪聲信息,然后送入頻譜分析儀,從而實(shí)現(xiàn)了相位噪聲的高精度測(cè)量。該系統(tǒng)可以用一個(gè)參考源完成任意頻率信號(hào)的相位噪聲測(cè)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(cè)量系統(tǒng)中,這在相噪測(cè)量領(lǐng)域是一個(gè)新的突破,它不再是單純依靠線路上的改進(jìn)來(lái)提高測(cè)量精度,而是利用自然界中周期性信號(hào)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(cè)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(duì),進(jìn)而在抑

10、制載頻的情況下提取被測(cè)信號(hào)的噪聲信息。在此基礎(chǔ)上,作為異頻相位噪聲測(cè)量的進(jìn)一步研究,提出了基于群相位量子的無(wú)間隙數(shù)字化相位噪聲測(cè)量新方案。根據(jù)參考信號(hào)經(jīng)過(guò)合適倍頻及簡(jiǎn)單合成變換后與被測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行相位重合點(diǎn)檢測(cè),通過(guò)對(duì)重合點(diǎn)之間的無(wú)間隙計(jì)數(shù),由兩相鄰重合點(diǎn)之間計(jì)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和離散傅立葉變換算法來(lái)計(jì)算單邊帶相位噪聲,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化高精度相噪測(cè)量。
　　 5.根據(jù)電磁波信號(hào)在特定媒

11、質(zhì)中傳播的時(shí)延穩(wěn)定性這一自然現(xiàn)象,提出了一種基于時(shí)空轉(zhuǎn)換的高分辨率短時(shí)間間隔測(cè)量方法。該方法將被測(cè)時(shí)間間隔量化,結(jié)合相位重合檢測(cè)技術(shù),使對(duì)時(shí)間量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)空間長(zhǎng)度量的測(cè)量。將時(shí)空轉(zhuǎn)換原理應(yīng)用于精密時(shí)間間隔測(cè)量中,這在短時(shí)間間隔測(cè)量中是一個(gè)新的突破,它不再是單純依賴線路上的改進(jìn)來(lái)提高系統(tǒng)的測(cè)量精度,而是利用電磁信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸不會(huì)產(chǎn)生畸變僅在時(shí)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(cè)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(cè)量原理和方法。
　　 6.基于時(shí)空關(guān)系的測(cè)量方法具有很高的測(cè)量分辨率,但測(cè)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(cè)量范圍,提出了一種基于延時(shí)復(fù)用技術(shù)的短時(shí)間間隔測(cè)量方案。根據(jù)基于時(shí)空關(guān)系的時(shí)間間隔測(cè)量原理,將若干延時(shí)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(hào)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(cè)電路中去,實(shí)現(xiàn)一個(gè)延遲鏈可以多次復(fù)用的循環(huán)檢測(cè),擴(kuò)展了基于時(shí)空關(guān)系的時(shí)間間隔測(cè)量范圍,提

13、高了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其測(cè)量分辨率可達(dá)到十皮秒至皮秒量級(jí)。
　　 7.在基于時(shí)空關(guān)系的短時(shí)間間隔測(cè)量方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合長(zhǎng)度游標(biāo)法的基本原理,提出了基于長(zhǎng)度游標(biāo)的時(shí)頻測(cè)量新方法。利用長(zhǎng)度游標(biāo)法測(cè)量時(shí)間間隔是一種新原理的技術(shù),它主要是利用了時(shí)間和空間的關(guān)系進(jìn)行對(duì)時(shí)間間隔的高分辨率測(cè)量,已經(jīng)被證明了容易實(shí)施、有很高的測(cè)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(cè)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(shí)間同步技術(shù)中,保證了時(shí)間的嚴(yán)格同步、高穩(wěn)定輸出,對(duì)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(dòng)型氫原子頻標(biāo)鎖相系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案從原理上改進(jìn)和簡(jiǎn)化鎖相環(huán)路,利用頻率信號(hào)間群相位差和群相位量子變化的規(guī)律性,實(shí)現(xiàn)了異頻鑒相鎖相。以此解決了主動(dòng)型原子頻標(biāo)中的微波躍遷頻率信號(hào)和壓控晶體振蕩器之間的直接相位比對(duì)、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(gè)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(jí)頻標(biāo)鎖定系統(tǒng)。利用信號(hào)的時(shí)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(zhǎng)度游標(biāo)的高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法。將該方法應(yīng)用于二級(jí)頻標(biāo)鎖定系統(tǒng)中,通過(guò)對(duì)被測(cè)時(shí)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(jí)頻標(biāo)分頻信號(hào)之間的相對(duì)頻差；根據(jù)二級(jí)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(jí)頻標(biāo)的壓控端,調(diào)整輸出頻率,