高分辨率瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高分辨率瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方法。該測(cè)量方法首先要測(cè)量和調(diào)整參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)間的相位差值，使得該值能夠穩(wěn)定在重合檢測(cè)分辨率的邊緣，如果沒有噪聲的影響，能夠保持重合信息連續(xù)的檢出。但是當(dāng)存在信號(hào)的噪聲的時(shí)候，會(huì)使得信號(hào)間的相位差變化在這個(gè)邊沿的內(nèi)和外之間，就使得相位重合信息時(shí)有時(shí)無(wú)。所以我們可以根據(jù)重合信息的連續(xù)性和間斷狀況來(lái)準(zhǔn)確地判斷信號(hào)的相位不穩(wěn)定度。通過(guò)檢測(cè)取樣時(shí)間前后的信號(hào)間相位差的變化量，就可以用阿倫方差計(jì)算公式推導(dǎo)出的式子計(jì)算出頻率源的瞬態(tài)穩(wěn)定度。
【專利說(shuō)明】高分辨率瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于頻率穩(wěn)定度測(cè)量領(lǐng)域，涉及到頻率源高分辨率的瞬態(tài)穩(wěn)定度的測(cè)量，尤其涉及到基于相位重合檢測(cè)陣的高分辨率的瞬態(tài)穩(wěn)定度的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]頻率穩(wěn)定度測(cè)量是指對(duì)頻率源輸出頻率值的隨機(jī)起伏特性的測(cè)量。頻率穩(wěn)定度有時(shí)域和頻域兩種表征方式。時(shí)域頻率穩(wěn)定度測(cè)量中很多用到計(jì)數(shù)測(cè)量的方法，其通常形成的測(cè)量閘門寬度一般從Ims到10s。更短的閘門就會(huì)使得測(cè)量分辨率明顯降低，如針對(duì)IOMHz的被測(cè)頻率，在I μ s的閘門時(shí)間內(nèi)只能計(jì)10個(gè)數(shù)，很難談到精度的問題。然而盡可能短的測(cè)量閘門，例如直到被測(cè)信號(hào)周期的閘門所對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于直觀地用時(shí)域的方法反映頻率源的遠(yuǎn)端相位噪聲等狀況具有重要的作用。
[0003]相位重合檢測(cè)技術(shù)是我們多年來(lái)一直發(fā)展的頻率與相位差測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，尤其對(duì)于高分辨率的頻率等周期性信號(hào)的測(cè)量起到關(guān)鍵作用?？梢栽趦蓚€(gè)標(biāo)稱值相同或者不同的比對(duì)信號(hào)之間檢測(cè)出它們間相位值完全相同的信息，如兩個(gè)信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)相位過(guò)零的瞬間就給出一個(gè)特定的相位重合信息。可以把兩個(gè)信號(hào)在其“O”相位處整形成為窄脈沖，并且通過(guò)與的方法得到其間的相位重合。在相位重合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上總是難以出現(xiàn)“絕對(duì)”的重合。這樣就有了相位重合檢測(cè)靈敏度的閥值，也就是信號(hào)相位差小于這個(gè)數(shù)值時(shí)線路會(huì)輸出代表相位重合的窄脈沖。
[0004]任何重合檢測(cè)線路都存在著檢測(cè)的分辨率和該分辨率的穩(wěn)定性。因?yàn)槲覀兘?jīng)常能夠獲得的檢測(cè)的分辨率是大于1ns，而該分辨率的穩(wěn)定性也就是閥值的穩(wěn)定性常常會(huì)優(yōu)于IOps0所以信號(hào)間的相位差接近于ns的時(shí)候就會(huì)有重合信息被檢出。往往在ns差異的邊沿，數(shù)ps的抖動(dòng)、起伏就會(huì)引起對(duì)重合檢測(cè)的有(“I”)和無(wú)(“O”)的區(qū)別。所以，并不很精細(xì)的相位重合檢測(cè)的分辨率不一定是壞事，它的存在避免了兩種相反的“O”狀態(tài)的混淆。我們要利用的恰恰是這種邊沿和 近邊沿處由于噪聲的影響和作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)由不同量值的量化表達(dá)的瞬態(tài)穩(wěn)定度的指標(biāo)情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]由于通常使用的方法中使用短閘門就會(huì)使得測(cè)量分辨率明顯降低，從而無(wú)法獲得高分辨率的瞬態(tài)穩(wěn)定度。本發(fā)明的目的是提供一種高分辨率瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方法，采用創(chuàng)新的相位重合檢測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量頻率源的瞬態(tài)穩(wěn)定度，從而使瞬態(tài)穩(wěn)定度的分辨率有明顯的提聞。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種高分辨率瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方法，其特征是:首先要測(cè)量和調(diào)整參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)間的相位差值，使得該值能夠穩(wěn)定在重合檢測(cè)分辨率的邊緣，由于相位重合檢測(cè)線路具有固定的重合檢測(cè)分辨率以及該分辨率的穩(wěn)定度，所以當(dāng)兩個(gè)信號(hào)間的相位差被調(diào)節(jié)到重合檢測(cè)分辨率的邊緣時(shí)，如果沒有噪聲的影響，能夠保持重合信息連續(xù)的檢出。但是當(dāng)存在信號(hào)的噪聲的時(shí)候，會(huì)使得信號(hào)間的相位差變化在這個(gè)邊沿的內(nèi)和外之間，就使得相位重合信息時(shí)有時(shí)無(wú)。所以我們可以根據(jù)重合信息的連續(xù)性和間斷狀況來(lái)準(zhǔn)確地判斷信號(hào)的相位不穩(wěn)定度。最快的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到信號(hào)標(biāo)稱頻率的周期值(標(biāo)稱頻率相同時(shí))，或者信號(hào)間的低頻信號(hào)的周期(標(biāo)稱頻率不同時(shí))。通過(guò)檢測(cè)取樣時(shí)間前后的信號(hào)間相位差的變化量，就可以用阿倫方差計(jì)算公式推導(dǎo)出的式子計(jì)算出頻率源的瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度。
[0007]本發(fā)明測(cè)量方法采用的是重合檢測(cè)陣，陣內(nèi)的每個(gè)相位重合檢測(cè)器都有相同的重合檢測(cè)分辨率的穩(wěn)定度，通過(guò)在一路輸入信號(hào)中加入延遲移相使得其相互間的閥值門限是不同的，每個(gè)相位重合檢測(cè)器的最偏檢出重合信息的相位偏離嚴(yán)格相位重合點(diǎn)的位置是呈現(xiàn)一種步進(jìn)的狀態(tài)。
[0008]本發(fā)明測(cè)量方法中采用的是無(wú)源的延遲器件，這樣可以達(dá)到ps量級(jí)的延遲，使用Imm的導(dǎo)線就可以達(dá)到方法中所需要的5ps的延遲。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:利用了信號(hào)本身的周期進(jìn)行反復(fù)的重合檢測(cè)，通過(guò)相位重合檢測(cè)獲得信息的變化作為對(duì)噪聲問題的反映從而測(cè)量瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度，而重合檢測(cè)陣的利用又能夠量化的檢測(cè)信號(hào)的相位噪聲起伏，因此快的響應(yīng)時(shí)間和高分辨率能夠被獲得。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明高分辨率瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量原理方框圖。
[0011]圖2是相位重合檢測(cè)線路圖。
[0012]圖3-1是一路輸入加延遲的相位重合檢測(cè)線路圖。
[0013]圖3-2是另一路輸入加延遲的相位重合檢測(cè)線路圖。
[0014]圖4是相位差變化曲線。
[0015]圖5是兩只IOOMHz高穩(wěn)定度晶體振蕩器互比的相位噪聲。
[0016]圖6是兩只IOMHz高穩(wěn)定度晶體振蕩器互比的相位噪聲。
[0017]圖7是一只IOMHz的高穩(wěn)晶體振蕩器與一只穩(wěn)定度差的IOMHz晶體振蕩器互比的相位噪聲。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]圖1是對(duì)兩個(gè)相同頻率標(biāo)稱值頻率源進(jìn)行瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方框原理圖，首先通過(guò)信號(hào)間的相位差測(cè)量和調(diào)整把被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)間的相位差調(diào)整到重合檢測(cè)線路的檢測(cè)分辨率的邊沿值處。根據(jù)檢出重合信息的間斷狀況來(lái)計(jì)算瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度。兩個(gè)信號(hào)的頻率值可以相等或者呈倍數(shù)關(guān)系。這樣就可以在一個(gè)頻率標(biāo)稱值頻標(biāo)的情況下來(lái)高精度地測(cè)量多個(gè)頻率。通過(guò)相互分頻的方法，還可以進(jìn)一步拓寬測(cè)量范圍。
[0020]實(shí)際的相位重合檢測(cè)線路靈敏度的閥值為ns量級(jí)，所以把信號(hào)間的相位差調(diào)整到略小于該值的位置。從重合檢測(cè)的斷續(xù)狀態(tài)、重合檢測(cè)電路的不穩(wěn)定性，以及通過(guò)對(duì)相位差測(cè)量結(jié)果的監(jiān)測(cè)等就能夠判斷出瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。
[0021]關(guān)于相位重合檢測(cè)線路的檢測(cè)分辨率的邊沿值的判斷，可以采用同源調(diào)整相位自校的方法。也就是采用同一頻標(biāo)一路直接輸入，另一路經(jīng)過(guò)延遲移相后產(chǎn)生相對(duì)固定的相位差輸入相位差測(cè)量設(shè)備的兩個(gè)比對(duì)端。用相位差測(cè)量設(shè)備測(cè)量這個(gè)相位差值。同時(shí)通過(guò)相位重合檢測(cè)，檢測(cè)兩路信號(hào)間的相位重合狀態(tài)。在信號(hào)間相位差值從大到小的變化中，相位重合檢測(cè)線路剛剛處于穩(wěn)定的相位重合狀態(tài)。此時(shí)從相位差測(cè)量設(shè)備中讀出的相位差值實(shí)際上就是相位重合檢測(cè)線路的重合檢測(cè)分辨率的數(shù)值或者邊沿值。因?yàn)槭峭吹那闆r，噪聲處于互抵消的情況，所以進(jìn)入后的重合是穩(wěn)定的。
[0022]采用商用的時(shí)間間隔測(cè)量?jī)x器(如SR620)，并采用多次平均的方法，這樣接近于5ps的測(cè)量和處理分辨率能夠獲得。因?yàn)闇y(cè)量到的實(shí)際的相位重合檢測(cè)線路的閥值為ns量級(jí)，所以把信號(hào)間的相位差調(diào)整到略小于該值的位置。(在測(cè)量的過(guò)程中信號(hào)的漂移至少不大于閥值的1/10。)而重合檢測(cè)電路本身具有小于IOps的穩(wěn)定性指標(biāo)。這樣，在相位噪聲的影響導(dǎo)致信號(hào)間的相位差值發(fā)生大于數(shù)Ps的反方向變化的時(shí)候，就有可能使得重合檢測(cè)不會(huì)產(chǎn)生。因此，從重合檢測(cè)的斷續(xù)狀態(tài)、重合檢測(cè)電路的不穩(wěn)定性，以及通過(guò)對(duì)相位差測(cè)量結(jié)果的監(jiān)測(cè)等就能夠判斷出瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。測(cè)量的分辨率實(shí)際上取決于重合檢測(cè)電路的數(shù)ps的不穩(wěn)定性。進(jìn)一步提高測(cè)量分辨率的關(guān)鍵就是要獲得更好的這個(gè)穩(wěn)定度。
[0023]圖2中，就是我們所使用的相位重合檢測(cè)線路圖，本發(fā)明采用的是D觸發(fā)器法，當(dāng)被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)出現(xiàn)相位重合時(shí)即可觸發(fā)。D觸發(fā)器的功能就是以&波形的上升沿作為時(shí)鐘信號(hào)，采集此時(shí)fx的狀態(tài)作為輸出信號(hào)。由于兩個(gè)信號(hào)間的相位差已經(jīng)調(diào)節(jié)到重合檢測(cè)分辨率的邊緣，所以如果沒有噪聲的影響，就能夠保持一種電平狀態(tài)持續(xù)輸出。但是當(dāng)存在信號(hào)的噪聲的時(shí)候，會(huì)使得信號(hào)間的相位差變化在這個(gè)邊沿的內(nèi)和外之間，就使得相位重合電平時(shí)高時(shí)低。
[0024]圖3-1和圖3-2中，就是我們所使用的相位重合檢測(cè)陣中所需要的一路輸入加延遲的相位重合檢測(cè)線路圖。使用大量相同的相位重合檢測(cè)器件組成相位重合檢測(cè)陣就是為了使采集的信號(hào)的相位差變化信息更具備“量”的內(nèi)涵。陣內(nèi)的每個(gè)相位重合檢測(cè)器都有相同的重合檢測(cè)分辨率的穩(wěn)定度，如接近于Ips ;但是其相互間的閥值門限是不同的。也就是通過(guò)在一路輸入信號(hào)中加入延遲移相，使得每個(gè)相位重合檢測(cè)器的最偏檢出重合信息的相位偏離嚴(yán)格相位重合點(diǎn)的位置是呈現(xiàn)一種步進(jìn)的狀態(tài)。根據(jù)被測(cè)信號(hào)的噪聲幅度不同，這個(gè)重合檢測(cè)陣在同樣的較大噪聲的作用下會(huì)根據(jù)噪聲的大小情況有選擇的出現(xiàn)電平的高低。而不同檢測(cè)線路電平高低在量的方面的含義是不同的。在這個(gè)采樣的基礎(chǔ)上，就能夠檢測(cè)出噪聲幅度的大小。
[0025]由于有源延遲器件都只能延遲ns量級(jí)，與我們所要求的ps量級(jí)相差甚遠(yuǎn)，所以我們這里采用無(wú)源的延遲器件，本發(fā)明所使用的是導(dǎo)線，導(dǎo)線的傳輸延遲比較穩(wěn)定。一般信號(hào)在導(dǎo)線中的傳播速度為20萬(wàn)公里每秒，所以按次比例算可得0.2mm的導(dǎo)線可以達(dá)到Ips的短延遲，我們這里所需要的5ps的延遲，只需要使用Imm的導(dǎo)線就可以達(dá)到要求。在相位重合檢測(cè)陣中所用的每只觸發(fā)器的對(duì)應(yīng)的延遲線的延遲值呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系，而且線長(zhǎng)的選擇也要考慮到各個(gè)器件原本就存在著的相位重合檢測(cè)分辨率的差異。
[0026]圖4是還原出來(lái)的短時(shí)間的相位差隨著時(shí)間變化的曲線，按照選擇的取樣間隔τ截取曲線，則能夠得到對(duì)應(yīng)的相位差的變化量，即τ時(shí)間的平均頻率值被獲得，對(duì)應(yīng)的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)能夠被求出來(lái)。一般采用阿侖方差的方根值作為時(shí)域頻率穩(wěn)定度的統(tǒng)一表征量。常用的阿倫方差計(jì)算公式為
【權(quán)利要求】
1.一種高分辨率瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方法，其特征是:該測(cè)量方法首先要測(cè)量和調(diào)整參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)間的相位差值，使得該值能夠穩(wěn)定在重合檢測(cè)分辨率的邊緣，根據(jù)重合信息的連續(xù)性和間斷狀況來(lái)準(zhǔn)確地判斷信號(hào)的相位不穩(wěn)定度，通過(guò)檢測(cè)取樣時(shí)間前后的信號(hào)間相位差的變化量，用阿倫方差計(jì)算公式推導(dǎo)出的式子計(jì)算出頻率源的瞬態(tài)穩(wěn)定度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率的瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方法，其特征是:此測(cè)量方法采用的是重合檢測(cè)陣，陣內(nèi)的每個(gè)相位重合檢測(cè)器都有相同的重合檢測(cè)分辨率的穩(wěn)定度，通過(guò)在一路輸入信號(hào)中加入延遲移相使得其相互間的閥值門限是不同的，每個(gè)相位重合檢測(cè)器的最偏檢出重合信息的相位偏離嚴(yán)格相位重合點(diǎn)的位置是呈現(xiàn)一種步進(jìn)的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率的瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度測(cè)量的方法，其特征是:此測(cè)量方法中采用的是無(wú)源的延遲器件，這樣可以達(dá)到ps量級(jí)的延遲，使用Imm的導(dǎo)線就可以達(dá)到方法中所需要的5ps的延遲。
【文檔編號(hào)】G01R23/02GK103472299SQ201310354007
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月14日
【發(fā)明者】白麗娜, 周渭, 李智奇, 宋慧敏, 宣宗強(qiáng), 于建國(guó), 高建寧, 張雪萍, 葉云霞 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)