一种基于滑动互相关和余晖技术的相位噪声测量数据处理和显示装置及方法

摘要

本发明提出了一种基于滑动互相关和余晖技术的相位噪声测量数据处理和显示装置，包括：数据缓冲区部件、FFT运算部件、互相关运算部件、当前互相关运算结果部件、N次互相关运算结果部件和显示处理部件。本发明的相位噪声测量数据处理和显示装置及方法，可以有效识别存在短期不稳定性的信号，由于本方案可以对每次互相关运算结果进行显示处理，不必等到N次互相关运算完成后才进行显示处理，被测信号的相位噪声特性可以进行及时分析，一旦发现被测信号存在短期不稳定性，可以及时停止测量，无需等到N次互相关运算完成。

说明书

技术领域

本发明涉及数据处理领域，特别涉及一种相位噪声测量数据处理和显示装 置，还涉及一种相位噪声测量数据处理和显示方法。

背景技术

相位噪声作为短期频率稳定度在频域的一种表现形式，是许多现代电子设 备的一项重要指标，其相应的测试设备亦受到广泛的重视。随着现代电子技术 的发展，对相位噪声测试系统的相位噪声测试灵敏度和分辨率等指标提出了越 来越高的要求。而相位噪声测试灵敏度和分辨率等指标的提升，除了依赖于选 用高性能器件外，更重要的是依赖于对采集的大批量数据进行复杂的运算和处 理得以实现。

相位噪声测量的一种常用方法是“鉴相法+互相关技术”，该方法可以通过 多次互相关运算大幅度提高相位噪声测试灵敏度和分辨率，例如：进行10000 次互相关运算时，相位噪声测量的灵敏度可以改善20dB。

目前，Agilent公司的信号源分析仪是相位噪声测量最快的仪器，该仪器采 用的是“鉴相法+互相关技术”，每次互相关测量需要13秒的时间，最多支持 10000次互相关运算，在用户设置的互相关次数完成后返回一次测量结果。

例如，当用户设置了10000次互相关运算时，测量完成并返回测量结果需 要36个小时，在如此长的测量时间内，信号的相位噪声特性可能随着环境因素 的影响发生了严重失真，测量结果未必能反应被测信号的真实相位噪声特性。

因此，如何能在最短的时间内返回测量结果，又能及时分析被测信号的相 位噪声特性和变化趋势是本领域需要解决的关键问题。

图1为相位噪声测量常用的数据处理及显示方法框图，该方法将FPGA送 来的8段测量数据分别送FFT运算部件进行A、B两路的FFT运算，接着将运 算结果送互相关运算部件执行互相关运算。一次互相关测量的8段原始数据中， 每段数据的内部互相关次数处理完成后，都会送入存储部件进行互相关运算结 果的存储，当用户设置的N次互相关运算完成后，再将这N次互相关运算结果 的平均值送给显示处理部件进行显示处理。

现有技术方案的结构组成包括：数据缓冲区部件、FFT运算部件、互相关 运算部件、N次互相关运算结果部件、显示处理部件。

数据缓冲区部件用于存储来自FPGA测量的原始数据，分8段存储，分别 对应段0、段1，……，段7的A、B两路原始数据，对应的内部互相关次数分 别为m0，m1，……，m7。

FFT运算部件包括FFTA运算部件和FFTB运算部件，用于对某段A、B 两路原始数据执行FFT运算，运算顺序依据FPGA送来的原始数据先后顺序依 次进行。

互相关运算部件用于对A、B两路FFT运算结果执行互相关运算。

N次互相关运算结果部件内置8个缓冲区，分别存储应段0、段1，……， 段7的mj*i次互相关运算结果，其中j的取值为0～7，对应段0～段7，mj表示 对应段的内部互相关次数，i的取值范围为1～N。

显示处理部件对N次互相关运算结果的平均值进行显示处理。

现有技术的动作关系说明：

(1)FPGA将某段的测量原始数据送入数据缓冲区部件的指定存储单元， 通知FFT运算部件，该段的数据已经准备好；

(2)FFT运算部件接到通知后，如果空闲就从数据缓冲区部件的该存储单 元读取测量原始数据，分解成A、B两路数据，分别送入FFTA运算部件和FFT B运算部件执行复数的FFT运算，并将运算结果送入互相关运算部件，然后通 知互相关运算部件FFT运算完成；

(3)互相关运算部件收到通知后，对A、B两路的FFT运算结果执行互相 关运算，并将该段的互相关运算结果保存到N次互相关运算结果部件中；

如果N次互相关运算结果部件的该段中不存在之前的互相关运算结果数 据，则将该段当前互相关运算结果保存到对应的结果缓冲区中；

如果N次互相关运算结果部件的该段中存在之前的互相关运算结果数据， 则将之前的互相关运算结果与当前的互相关运算结果取平均，并将平均后的结 果保存到对应的结果缓冲区中；

(4)重复步骤(1)～(3)直到8段原始数据的mj*N次互相关运算全部处 理完成；

(5)当mj*N次互相关运算全部处理完成后，互相关运算部件就会通知显 示处理部件互相关完成，显示处理部件收到通知后，对N次互相关结果进行显 示处理。

现有技术的缺点主要体现在以下两个方面：

(1)、无法识别存在短期不稳定性的信号：在指定的N次互相关运算完成 后，才能返回一次测量结果，在此期间被测信号的短期不稳定性在N次互相关 运算后可能会被平均处理掉，无法发现被测信号的短期不稳定性；

(2)、用户不好确定如何选择一个合适的互相关次数N：当设置的互相关 次数N较小时，可能达不到用户想要的灵敏度和分辨率，当设置的互相关次数 N较大时，用户需要等待较长测量时间才能返回测量结果，这对用户来说是很 难忍受的，尤其当用户在等待很长测量时间后，返回的测量结果与其期望值相 差很大时，用户更是难以接受。

发明内容

本发明提出了一种基于滑动互相关和余晖技术的相位噪声测量数据处理和 显示装置及方法，通过结合滑动互相关技术和余晖技术解决了在多次互相关测 试过程中存在的下列问题：(1)无法预判需要多少次互相关才能使测试结果满 足测试要求问题；(2)无法真实反应信号的中间测试状态问题，例如，信号短 期不稳定性或者失锁等问题可能会在多次互相关后平均处理掉；(3)被测信号 在长时间的测试过程中会随环境因素的影响产生频率漂移，从而引起测量错误 问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于滑动互相关和余晖技术的相位噪声测量数据处理和显示装置，包 括：数据缓冲区部件、FFT运算部件、互相关运算部件、当前互相关运算结果 部件、N次互相关运算结果部件和显示处理部件；

所述数据缓冲区部件用于存储来自FPGA测量的原始数据，分别存储对应段 0、段1，……，段7的A、B两路原始数据，对应的内部互相关次数分别为m0， m1，……，m7；

所述的FFT运算部件包括FFTA运算部件和FFTB运算部件，用于对某段A、 B两路原始数据执行FFT运算，运算顺序依据FPGA送来的原始数据先后顺序 依次进行；

所述互相关运算部件用于对A、B两路FFT运算结果执行互相关运算；

所述当前互相关运算结果部件用于存储当前互相关运算结果，内置8个缓冲 区，分别存储段0～段7的当前互相关运算结果；

所述N次互相关运算结果部件内置N-1个缓冲区，分别存储前N-1次互相关 运算结果；

所述显示处理部件对当前互相关运算结果和前i次互相关运算结果的平均 值进行显示处理，其中i的取值范围为0～N-1。

基于上述装置，本发明还提出了一种相位噪声测量数据处理和显示方法， 包括以下步骤：

步骤(1)，FPGA将某段的测量原始数据送入数据缓冲区部件的指定存储单 元，通知FFT运算部件，该段的数据已经准备好；

步骤(2)，FFT运算部件接到通知后，如果空闲就从数据缓冲区部件的该 存储单元读取测量原始数据，分解成A、B两路数据，分别送入FFTA运算部 件和FFTB运算部件执行复数的FFT运算，并将运算结果送入互相关运算部件， 然后通知互相关运算部件FFT运算完成；

步骤(3)，互相关运算部件收到通知后，对A、B两路的FFT运算结果执 行内部互相关运算，并将该段的内部互相关运算结果保存到当前互相关运算结 果部件中；

步骤(4)，重复步骤(1)～(3)直到一次互相关的8段原始数据的内部互 相关运算全部处理完成；

步骤(5)，如果用户设置的互相关次数N大于1，则互相关运算部件将当 前互相关运算结果送入到N次互相关运算结果部件的对应单元进行存储，并通 知显示处理部件进行显示处理；

步骤(6)，显示处理部件收到通知后，如果N次互相关运算结果部件中不 存在之前的互相关运算结果，则从当前互相关运算结果部件中读取当前互相关 运算结果进行显示处理；如果N次互相关运算结果部件中存在之前的互相关运 算结果，则显示处理部件将当前互相关运算结果与之前i次互相关运算结果取平 均后，再进行显示处理；

步骤(7)，重复步骤(1)～(6)直到N次互相关运算全部处理完成。

可选地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：

步骤(31)，如果当前互相关运算结果部件的该段中不存在之前的互相关运 算结果数据，则将该段当前互相关运算结果保存到该段的结果缓冲区中；

步骤(32)，如果当前互相关运算结果部件的该段中存在之前的互相关运算 结果数据，则将之前的互相关运算结果与当前的互相关运算结果取平均，并将 平均后的结果保存到该段的结果缓冲区中。

本发明的有益效果是：

(1)可以有效识别存在短期不稳定性的信号：由于本方案可以对每次互相 关运算结果进行显示处理，不必等到N次互相关运算完成后才进行显示处理， 被测信号的相位噪声特性可以进行及时分析，一旦发现被测信号存在短期不稳 定性，可以及时停止测量，无需等到N次互相关运算完成；

(2)当用户不知道设置多大的互相关次数可以达到所要的相位噪声测量灵 敏度和分辨率时，可以设置一个较大的互相关次数，由于该方法可以每次观测 到测量结果，一旦达到用户想要的相位噪声测量灵敏度和分辨率时，可以立即 停止测量，无需等到所有互相关次数都处理完成；

(3)在相位噪声测量过程中，用户发现当测量达到一定互相关次数后，如 果相位噪声曲线不在随着互相关次数的增加而有明显下降趋势，则说明当前已 经达到或接近了被测信号的相位噪声真实值，无需花费大量的时间继续测量下 去。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的相位噪声测量数据处理和显示方法原理框图；

图2为本发明基于滑动互相关和余晖技术的相位噪声测量数据处理和显示 装置的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于滑动互相关技术和余晖技术提出了一种相位噪声测量的数据处 理和显示装置及方法。

滑动互相关是指当未达到用户指定的互相关次数时(假设用户指定的互相 关次数为N)，对当前已经完成次数的测量结果进行平均处理和显示，当达到用 户指定的互相关次数N时，对最近N次互相关运算结果进行平均处理和显示。

余晖是指将每次互相关运算曲线叠加显示，叠加的次数越多亮度越高，可 以通过观察多次绘制的曲线分布，及时发现待测信号是否存在短期不稳定性。

通过使用滑动互相关技术可以使每次相位噪声测量都能够进行刷新和显 示，用户可以及时发现被测信号的相位噪声曲线是否出现异常变化。当用户在 不清楚需要多少次互相关运算可以达到相位噪声测量的灵敏度和分辨率时，可 以设置一个较大的互相关次数，实时观察每次相位噪声测量曲线的变化规律， 一旦达到预期的灵敏度和分辨率指标要求时，可以立即停止测量。

通过使用余晖技术可以显示每次相位噪声测量的轨迹分布，用户可以通过 所绘制的轨迹强度分布，观察信号是否出现短期不稳定性，以便及时终止测量 得出测量结论。

图2为本发明基于滑动互相关和余晖技术的相位噪声测量数据处理和显示 装置的原理框图。

本发明的相位噪声测量数据处理和显示装置，包括：数据缓冲区部件、FFT 运算部件、互相关运算部件、当前互相关运算结果部件、N次互相关运算结果 部件和显示处理部件。

所述数据缓冲区部件用于存储来自FPGA测量的原始数据，分别存储对应段 0、段1，……，段7的A、B两路原始数据，对应的内部互相关次数分别为m0， m1，……，m7。

所述的FFT运算部件包括FFTA运算部件和FFTB运算部件，用于对某段A、 B两路原始数据执行FFT运算，运算顺序依据FPGA送来的原始数据先后顺序 依次进行。

所述互相关运算部件用于对A、B两路FFT运算结果执行互相关运算。

所述当前互相关运算结果部件用于存储当前互相关运算结果，内置8个缓冲 区，分别存储段0～段7的当前互相关运算结果。

所述N次互相关运算结果部件内置N-1个缓冲区，分别存储前N-1次互相关 运算结果。

所述显示处理部件对当前互相关运算结果和前i次互相关运算结果的平均 值进行显示处理，其中i的取值范围为0～N-1。

基于上述相位噪声测量数据处理和显示装置，本发明还提出了一种相位噪 声测量数据处理和显示方法，动作关系如下：

步骤(1)，FPGA将某段的测量原始数据送入数据缓冲区部件的指定存储单 元，通知FFT运算部件，该段的数据已经准备好；

步骤(2)，FFT运算部件接到通知后，如果空闲就从数据缓冲区部件的该 存储单元读取测量原始数据，分解成A、B两路数据，分别送入FFTA运算部 件和FFTB运算部件执行复数的FFT运算，并将运算结果送入互相关运算部件， 然后通知互相关运算部件FFT运算完成；

步骤(3)，互相关运算部件收到通知后，对A、B两路的FFT运算结果执 行内部互相关运算，并将该段的内部互相关运算结果保存到当前互相关运算结 果部件中；步骤(3)具体包括：

步骤(31)，如果当前互相关运算结果部件的该段中不存在之前的互相关运 算结果数据，则将该段当前互相关运算结果保存到该段的结果缓冲区中；

步骤(32)，如果当前互相关运算结果部件的该段中存在之前的互相关运算 结果数据，则将之前的互相关运算结果与当前的互相关运算结果取平均，并将 平均后的结果保存到该段的结果缓冲区中；

步骤(4)，重复步骤(1)～(3)直到一次互相关的8段原始数据的内部互 相关运算全部处理完成；

步骤(5)，如果用户设置的互相关次数N大于1，则互相关运算部件将当 前互相关运算结果送入到N次互相关运算结果部件的对应单元进行存储，并通 知显示处理部件进行显示处理；

步骤(6)，显示处理部件收到通知后，如果N次互相关运算结果部件中不 存在之前的互相关运算结果，则从当前互相关运算结果部件中读取当前互相关 运算结果进行显示处理；如果N次互相关运算结果部件中存在之前的互相关运 算结果，则显示处理部件将当前互相关运算结果与之前i次互相关运算结果取平 均后，再进行显示处理。

步骤(7)，重复步骤(1)～(6)直到N次互相关运算全部处理完成。

本发明的相位噪声测量数据处理和显示装置及方法，可以有效识别存在短 期不稳定性的信号：由于本方案可以对每次互相关运算结果进行显示处理，不 必等到N次互相关运算完成后才进行显示处理，被测信号的相位噪声特性可以 进行及时分析，一旦发现被测信号存在短期不稳定性，可以及时停止测量，无 需等到N次互相关运算完成。

而且，当用户不知道设置多大的互相关次数可以达到所要的相位噪声测量 灵敏度和分辨率时，可以设置一个较大的互相关次数，由于该方法可以每次观 测到测量结果，一旦达到用户想要的相位噪声测量灵敏度和分辨率时，可以立 即停止测量，无需等到所有互相关次数都处理完成。

在相位噪声测量过程中，用户发现当测量达到一定互相关次数后，如果相 位噪声曲线不在随着互相关次数的增加而有明显下降趋势，则说明当前已经达 到或接近了被测信号的相位噪声真实值，无需花费大量的时间继续测量下去。

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、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。