基于异频信号的群相位量子化处理及其关键技术研究

摘要

在时频信号的测量、比对、控制、锁相环路、频率变换及合成、相位噪声测量以及原子频标的信号处理中,提高精度、简化设备等是发展的方向。因为时频信号的测量、比对、控制是建立在相互关系的基础之上的,所以从信号的相互关系入手来考察获得高精度的特性的内容是很有必要的。传统的高精度的处理方法是建立在信号连续相位(或者频率)比对处理、频率的归一化等途径的基础上即通常的相位比对和处理均要求频率标称值相等或者具有较为严格的相互频率关系。在某些情况下,为了在宽的频率范围或者特定的频率标称值不同的频率信号之间进行比对,还必须引入复杂的频率变换,这样就限制了相位比对的精度和应用的广泛性。近年来,国外在这方面技术的发展,一方面借助于微电子技术的发展从线路上进行改进,另一方面借助于微处理技术从算法上进行优化。但是传统的最具有发展潜力的时频信号处理技术通常采用的是相位处理的方法。这里,无论采用了哪些算法和处理方法都是建立在同频信号的基础上才能进行的相位比对；对于有频率差别的信号只能通过频率变换等方法进行处理。因此,如果在宽的频率范围要完成测量中所必须的相位比对就必须结合使用高精度的频率合成器。这样不但设备复杂,而且在各变换环节容易引入合成线路的附加误差,这是传统的相位处理方法不可避免的缺陷。而在本论文中,这些缺陷会在异频信号的一系列新概念和理论的支持下发生根本性的改变并可以有效地得到解决。这些新的概念和理论包括相位量子、群相位量子、相位差群、群相位差、群相移、群周期、群同步、群周期相位比对及群相位控制等,它们是建立在异频信号间的最大公因子频率、最小公倍数周期、等效鉴相频率、量化相移分辨率等表征相互频率关系的重要参数基础之上的,所以异频信号间的群相位量子化处理的方法更适合于高精度的频率信号处理,其关键技术可能会影响到时频测控技术的发展。因此,基于群相位量子化的相关概念及相应的信号处理方案把信号之间必须基于同频才能进行的测量、比对、处理及控制推广到了更具有普遍意义的任意频率信号之间,这方面的贡献主要包括以下几点:
　　 1.根据异频信号之间最基本的相位关系,提出了群相位量子的基本概念并深入分析了群相位差变化的基本规律、群相位量子的特点以及基于群相位重合检测消除±1个计数误差的根源。将这些新概念及其特点用于时频信号的测量和处理中,结合群相位重合点及其检测的基本理论,能够获得高的测量分辨率。
　　 2.在群相位量子等群概念的基础上,提出了群周期相位比对的方法。该方法揭示了周期性信号相互间的固有关系及相位差变化的规律,把这些规律应用率信号相互关系的处理中,无须频率归一化也可完成相互间的相位比对及处实验结果表明了该方法的科学性和先进性,以群相位量子为基础的测量、比对及控制可以达到10-12/S量级的分辨率。
　　 3.在群周期相位比对技术的基础上,提出了一种基于异频相位处理的高精度频率测量方法。利用群相位量子变化的规律性及异频信号间群相位重合点的分布规律,在两群相位重合点处建立测量闸门,克服了传统频率测量中存在的±1个计数误差的问题。通过脉宽调整电路减少相位重合点簇中的脉冲个数并借助相位控制电路有效地捕捉最佳相位重合点,进而降低实际测量闸门开启和关闭的随机性,大大提高了系统的测量精度。为了保证任意信号的可测量性,同时提出了一种具有自适应能力的频率测量方案。通过引入DDS,以被测信号的粗测值为参考自动合成一个与被测信号具有一定频率关系的频标信号,确保被测信号与频标信号具有相位关系的可控性,使系统最终实现了在宽范围内任意频率信号的高精度测量。在此基础上,如果改进DDS输出信号的稳定度,降低系统的本底噪声,提高群相位重合点捕捉的准确度,进一步完善群相位量子处理中存在的问题,则获得皮ps量级以上的超高测量分辨率是完全有可能的。实验结果表明其实际测量精度可达到10-13/s量级,与传统频率测量系统相比,新方案具有测量精度高,电路结构简单,成本低廉及系统稳定性高的优点。
　　 4.根据信号间的频率关系及群相位差周期性变化的规律性,提出了一种基于异频相位处理的相位噪声测量系统。通过异频鉴相获取相位差信息,经低通滤波及相关信号处理后得到参考源的压控信号,进而实现相位锁定并在锁定后提取被测信号的相位噪声信息,然后送入频谱分析仪,从而实现了相位噪声的高精度测量。该系统可以用一个参考源完成任意频率信号的相位噪声测量而且参考源的相位噪声低,频率稳定度高,压控范围宽。将异频相位处理应用于相位噪声测量系统中,这在相噪测量领域是一个新的突破,它不再是单纯依靠线路上的改进来提高测量精度,而是利用自然界中周期性信号相互间的固有关系及变化规律,把这些关系和规律应用于相位噪声测量中,不必使它们频率相同也可完成相互间的线性相位比对,进而在抑制载频的情况下提取被测信号的噪声信息。在此基础上,作为异频相位噪声测量的进一步研究,提出了基于群相位量子的无间隙数字化相位噪声测量新方案。根据参考信号经过合适倍频及简单合成变换后与被测信号的频率进行相位重合点检测,通过对重合点之间的无间隙计数,由两相邻重合点之间计数值的变化或相位起伏的变化反映相位噪声的变化,最后经计算机数据处理和离散傅立叶变换算法来计算单边带相位噪声,实现数字化高精度相噪测量。
　　 5.根据电磁波信号在特定媒质中传播的时延稳定性这一自然现象,提出了一种基于时空转换的高分辨率短时间间隔测量方法。该方法将被测时间间隔量化,结合相位重合检测技术,使对时间量的测量转化为对空间长度量的测量。将时空转换原理应用于精密时间间隔测量中,这在短时间间隔测量中是一个新的突破,它不再是单纯依赖线路上的改进来提高系统的测量精度,而是利用电磁信号在导线中传输不会产生畸变仅在时间上发生延迟的规律性,把这些规律和特性应用于测量中。因此,它是一种完全不同于已有技术途径的新的测量原理和方法。
　　 6.基于时空关系的测量方法具有很高的测量分辨率,但测量范围窄,因而限制了其应用的广泛性。为了进一步扩宽其测量范围,提出了一种基于延时复用技术的短时间间隔测量方案。根据基于时空关系的时间间隔测量原理,将若干延时单元组成延迟链,延迟链的输出被反馈到系统输入端并与输入信号进行单稳态触发逻辑判断,判断结果被重新送回到重合检测电路中去,实现一个延迟链可以多次复用的循环检测,扩展了基于时空关系的时间间隔测量范围,提高了测量系统的稳定性。实验结果表明其测量分辨率可达到十皮秒至皮秒量级。
　　 7.在基于时空关系的短时间间隔测量方法的基础上,结合长度游标法的基本原理,提出了基于长度游标的时频测量新方法。利用长度游标法测量时间间隔是一种新原理的技术,它主要是利用了时间和空间的关系进行对时间间隔的高分辨率测量,已经被证明了容易实施、有很高的测量分辨率。用这种方法构成的装置已经表现出了数十ps的测量分辨率,而且也很有希望得到更高的精度。将此方法应用于时间同步技术中,保证了时间的严格同步、高稳定输出,对于提高设备体系的整体性能具有很大的意义。
　　 8.提出了一种基于异频相位处理的主动型氢原子频标锁相系统的设计方案。该方案从原理上改进和简化锁相环路,利用频率信号间群相位差和群相位量子变化的规律性,实现了异频鉴相锁相。以此解决了主动型原子频标中的微波跃迁频率信号和压控晶体振荡器之间的直接相位比对、控制或者在更短的频率变换链情况下的处理和控制。这样,不仅可以降低整个锁相系统的复杂性和成本,而且还有利于进一步减小系统的本底噪声。
　　 9.提出了一种基于GPS的新型二级频标锁定系统。利用信号的时延稳定性和群相位量子变化的规律性,产生一种基于长度游标的高精度时间间隔测量方法。将该方法应用于二级频标锁定系统中,通过对被测时间间隔进行多尺度卡尔曼滤波,在MCU控制下算出GPS与二级频标分频信号之间的相对频差；根据二级频标的频-压控制特性得到补偿电压,将该电压进行D/A转换后送到二级频标的压控端,调整输出频率,进而形成二级频标锁定系统。实验结果表明其锁定精度可达10-12/s量级,与传统频标锁定系统相比具有电路简单,成本低廉,附加噪声小,锁定精度高等特点。