一种实时测量模数转换器孔径抖动的方法及其系统

摘要

本发明公开了一种实时测量模数转换器孔径抖动的方法，包括如下步骤：生成两路频率分别为f1、f2的数字导频信号；将数字导频信号转换为模拟导频信号，并与模拟输入信号合成得到含有三种频率成分的合成模拟信号；滤除模拟信号中大于f2的频率成分并将其转换为数字信号；提取含单一频率成分f1的第一数字信号和含单一频率成分fp2的第二数字信号；测量第一数字信号的相位和第二数字信号的相位并将数据作降采样处理；根据测量相位和的结果，通过数据处理得到孔径抖动。本发明同时还公开了一种实现上述方法的测量系统。本发明通过数字锁相环连续测量两路导频信号的相位，并对测量的相位作数据处理，从而可以连续测量模数转换器的孔径抖动。

说明书

技术领域

本发明涉及精密信号测量领域，特别涉及一种测量模数转换器孔径抖动的方法。

背景技术

地球重力场是国家的战略资源，卫星测量地球重力场及其变化为人类在水文学、海洋学、冰河学、地球物理学、测地学等领域的研究提供了极其丰富和有利的科学数据和分析手段。空间引力波探测计划将开辟新的引力波观测“窗口”，主要目标是探测宇宙中由黑洞和银河系双星产生的频率范围为0.1mHz-0.1Hz的引力波，这将是对爱因斯坦广义相对论的进一步验证，并开启引力波天文学新学科的研究。

星间激光干涉仪是卫星地球重力场测量、空间引力波探测等计划中的关键装置之一，它通过测量两束激光的拍频信号的相位来获取纳米甚至皮米量级的相对距离变化信息，相位测量分辨率的要求为1μrad。利用数字锁相环测量信号尤其是高频信号的相位时，模数转换器的孔径抖动将会引入相位测量误差。以空间引力波探测计划NGO(New Gravitational wavesObservatory)为例，卫星间的相对运动速度约为15m/s，相应的多普勒频率约为15MHz，拍频信号频率的最大值约为30MHz。目前模数转换器的孔径抖动最小为60fs，造成的相位测量误差约为10μrad，是数字锁相环测量相位的主要噪声。

传统上测量孔径抖动是基于测量信噪比的方法，需要对信号高速采样，然后再作傅里叶变换，其缺点是孔径抖动不能连续测量，影响相位实时测量精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实时测量模数转换器的孔径抖动的方法，其目的在于通过连续测量模拟输入信号的相位来测量模数转换器的孔径抖动，由此解决孔径抖动无法连续测量的技术问题,本发明尤其适用于亚皮米量级的外差激光干涉测距领域。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种实时测量模数转换器的孔径抖动的方法，该方法包括如下步骤：

S1.通过数控振荡器生成第一数字导频信号和第二数字导频信号，其中，所述第一数字导频信号频率f₁范围为(f_het，f_s/2)，所述第二数字导频信号频率f₂范围为(f_s/2，f_s-f_het)，f_s为编码时钟频率，f_het为模拟输入信号频率；

S2.将第一数字导频信号和第二数字导频信号经数模转换电路转换为第一模拟导频信号和第二模拟导频信号，并与模拟输入信号一起输入至模拟信号合成电路合成为一个包含f_het、f₁以及f₂三种频率成分的合成模拟信号；

S3.上述合成模拟信号经过抗混叠滤波器滤除其中大于f₂的频率成分后，再经模数转换器转换为一个包含f_het、f₁和f_p2三种频率成分的数字信号，其中，f_p2为f₂经模数转换器采样后混叠的信号频率，满足f_p2＝f_s-f₂，其频率范围为(f_het，f_s/2)，且要求f_p2不等于f₁；

S4.上述数字信号在编码时钟产生的时钟信号触发下传送至数字滤波器滤波，分别提取出含单一频率成分f₁的第一数字信号和含单一频率成分f_p2的第二数字信号；

S5.利用数字锁相环分别测量上述第一和第二数字信号的相位，所测得的两路相位数据分别经降采样滤波器降采样处理后，再通过串口通讯传送至数据处理模块；

由于数字锁相环的工作频率等于编码时钟的频率，因此需要通过降采样滤波器降低数据的更新率。

S6.数据处理模块对输入的两路相位数据作如下处理：两路相位数据分别表示为其中ΔT＝n×τ，τ为采样时间间隔，n表示采样点数且为正整数，t_jitt(i)为i×τ时刻的孔径抖动；根据输入的两路相位数据和计算得到后，再对t_j(n)作差分处理，从而得到孔径抖动t_jitt(n)＝t_j(n)-t_j(n-1)。

作为进一步优选地，所述数字滤波器、数字锁相环、降采样滤波器以及数控振荡器均基于FPGA实现。

作为进一步优选地，所述模拟输入信号可以为来自于外差激光干涉仪中光电探测器产生的拍频信号。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现模数转换器孔径抖动测量方法的测量系统，该系统包括：

数控振荡器，用于产生第一数字导频信号和第二数字导频信号；与数控振荡器输出端相连的数模转换电路，与数模转换电路输出端相连的模拟信号合成电路，与模拟信号合成电路输出端相连的抗混叠滤波器，与抗混叠滤波器输出端相连的模数转换器，与模数转换器输出端相连的数字滤波器，与数字滤波器输出端相连的数字锁相环，与数字锁相环输出端相连的降采样滤波器；降采样滤波器输出端经串口通讯与数据处理模块输入端相连，编码时钟用于提供系统工作的时钟信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过数字锁相环连续测量两路导频信号的相位，将测量的相位数据作处理，从而可以连续测量模数转换器的孔径抖动。

附图说明

图1是本发明测量模数转换器孔径抖动的流程图；

图2是本发明模数转换器孔径抖动测量系统的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-模拟信号合成电路、2-抗混叠滤波器、3-模数转换器、4-编码时钟、5-数据处理模块、6-数模转换器、7-数字滤波器、8-数字锁相环、9-降采样滤波器、10-数控振荡器、11-光电探测器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实施例测量方法包括如下步骤：

S1.数控振荡器10生成第一数字导频信号和第二数字导频信号，其中，第一数字导频信号频率f₁范围为(f_het，f_s/2)，第二数字导频信号频率f₂范围为(f_s/2，f_s-f_het)，f_s为编码时钟频率，f_het为模拟信号频率；

S2.第一数字导频信号和所述第二数字导频信号经数模转换电路3转换为第一模拟导频信号和第二模拟导频信号，光电探测器11产生的模拟信号f_het，与第一模拟导频信号和第二模拟导频信号一起输入至模拟信号合成电路1合成为一个包含f_het、f₁和f₂三种频率成分的合成模拟信号；

S3.经步骤S2得到的模拟信号经过抗混叠滤波器3滤除其中大于f₂的频率成分后，再经模数转换器3转换为一个包含f_het、f₁和f_p2三种频率成分的数字信号，其中，f_p2为f₂经模数转换器采样后混叠的信号频率，满足f_p2＝f_s-f₂，其频率范围为(f_het，f_s/2)，且要求f_p2不等于f₁；

S4.将经步骤S3得到的数字信号传送至数字滤波器7处理，分别提取出含单一频率成分f₁的第一数字信号和含单一频率成分f_p2的第二数字信号；

S5.利用数字锁相环测量上述第一数字信号的相位和第二数字信号的相位，测得的两路相位数据分别经降采样滤波器降采样处理后，再通过串口通讯传送至数据处理模块；由于数字锁相环的工作频率等于编码时钟的频率，因此需要通过降采样滤波器降低数据的更新率；

S6.数据处理模块对输入的两路相位数据作如下处理：两路相位数据分别表示为其中ΔT＝n×τ，τ为采样时间间隔，n表示采样点数且为正整数，t_jitt(i)为i×τ时刻的孔径抖动；根据输入的两路相位数据和计算得到后，再对t_j(n)作差分处理，从而得到孔径抖动t_jitt(n)＝t_j(n)-t_j(n-1)。

本实施例中，数字滤波器7、数字锁相环8、降采样滤波器9以及数控振荡器10均基于FPGA实现。

如图2所示，本实施例为用于测量模数转换器孔径抖动的测量系统，该系统包括用于产生第一数字导频信号和第二数字导频信号的数控振荡器10；与数控振荡器10电连接的数模转换电路6，用于将第一导频数字信号和第二导频数字信号转换为第一模拟导频信号和第二模拟导频信号；模拟信号合成电路1，用于将经其输入端输入的模拟信号、第一模拟导频信号以及第二模拟导频信号合成为含有三种频率成分的合成模拟信号；与模拟信号合成电路电连接的抗混叠滤波器2，用于滤除合成模拟信号中大于f₂的频率成分；与抗混叠滤波器2电连接的模数转换器3，用于将经抗混叠滤波器滤波输出的模拟信号转换为数字信号，并在编码时钟4的触发下并行传送至数字滤波器7；数字滤波器7用于将模数转换器3输出的数字信号滤波，分别得到含单一频率成分f₁的第一数字信号和含单一频率成分f_p2的第二数字信号；数字锁相环8与数字滤波器7电连接，用于测量第一数字信号和第二数字信号相位；降采样滤波器9，用于对测量得到的第一数字信号和第二数字信号相位数据作降采样处理；降采样滤波器9输出端经RS232串口通讯与数据处理模块5输入端相连，将降采样后的数据传送至数据处理模块5，在数据处理模块5上读取并存储相位数据，再将数据作计算可以得到模数转换器的孔径抖动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。