（检测技术与自动化装置专业论文）时频测控领域中数字处理方式的研究.pdf

摘要 随着导航定位、空间技术、计量、精密时频测控包括各种量子频标的发展， 对特高分辨率的时间测量和处理以及高频率的点频信号测量提出了更高要求。系 统利用时间处理方法实现时间和频率的高精度测量，可以进一步解决特高分辨率 的复杂频率的测量。 文章对两个比对信号的混频过程进行了详细的分析。利用信号的时空关系， 周期性信号问相位差变化的规律性对比对信号进行相位处理，从而得到更加真实 的差拍周期值，有效减小了传统数字混频中由于相位重合点位置引起的零到一个 时钟周期的量化误差，大大提高了频率稳定度的测量分辨率，并从原理上验证了 该方法的正确性和可行性。 同时鉴于光学测量的高精度，探讨了利用电吸收调制晶体形成激光超短脉冲 的过程，利用c c d 光电荷积分特性，有效地测量出了利用电信号及普通电路无法 完成的超短脉冲的脉宽测量，为普通条件下高精度测频拓展了一个新的空间。这 在频标技术的发展方面，尤其是针对稳定频率信号之间的比对和处理具有显著的 意义。 关键词：频标比对时一空关系超短光脉冲电吸收调制c o d a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t i lt h ed e v e l o p m e n to fa v i a t i o n ，p o s i t i o n i n g , s p a c et e c h n i q u e s ，m e t r o l o g y , p r e c i s et i m e a n df r e q u e n c yc o n t r o l ，a n df r e q u e n c ys t a n d a r dt e c h n i q u e ，t h eh i g h e r m e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni sn e c e s s a r y u s i n gt h et i m ep r o c e s s ，ah i g h e rp r e c i s ec a nb e r e a c h e d ，a n du l t r a h i g hr e s o l u t i o no fp e r p l e x i n gf r e q u e n c yw i l lb eo b t a i n e d ad e t a i l e df r e q u e n c ym i x i n ga n a l y s ep r o c e s so ft w oc o m p a r i s o ns i g n a l si sg i v e n u t i l i z i n gt h et i m e - s p a c er e l a t i o n s h i pa n dt h er u l eo fp h a s ed i f f e r e n c e , at r u e rd i f f e r e n c e p e r i o di sg a i n e d q u a n t i f i e de r r o ri se f f e c t i v e l yr e d u c e dt h a ne v c rb e f o r e ，t h e m e a s u r e m e n td i s t i n g u i s hi su t t e r l yi m p r o v e s e x p e r i m e n t sv a l i d a t et h ea c c u r a c ya n dt h e f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d b a s e do nt h eu l t r a h i g hp r e c i s i o no fo p t i c a lm e a s u r e m e n t , t h ef o r mo fu l t r a - s h o r t l i g h tp u l s ei sd i s c u s s e d t h eu s eo ft h ei n t e g r a lc h a r a c t e ro fp h o t o e l e c t r o nd e v e l o p sa n e ws p a c ef o rf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tt h a nt h eo r d i n a r yc i r c u i ta n de l e c t r o - s i 髓a lc o u l d i tt a k e sam a r k e ds e n s eo l lt h ed e v e l o p m e n to ff r e q u e n c ys t a n d a r d ，e s p e c i a l l yf o rt h e c o m p a r i s o na n dp r o c e s sb e t w e e ns t e a d yf r e q u e n c ys i g n a l s k e y w o r d ： s t a n d a r df r e q u e n c yc o m p a r i s o n t i m e - s p a c er e l a t i o n s h i p u l t r a - s h o r tl i g h tp u l s e e l e c t r o - a b s o r p t i o nm o d u l a t o rc c d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：燃埠 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期趁星： ：1 日期里查：! ：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 时间频率基准 时间是七大基本物理量之一。在所有的物理量中，时间和频率标准及其计量 具有最高的精度【1 h e l p 。许多世纪以来，人类是通过天文观测和计算的方法获得准 确的秒。天文学时间标准在人类社会活动和科学技术进步中曾经发挥了巨大作用。 但是由于它的实测精度很难提高，在2 0 世纪5 0 年代以后，逐步被新兴的物理学 原子标准所取代【4 】1 5 】。原子时间计量标准在1 9 6 7 年正式取代了天文学的秒长定义， 新秒长规定为：位于海平面上的铯0 1 3 3 原子基态的两个超精细能级问在零磁场中 跃迁振荡9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 个周期所持续的时间为一个原子时秒。这一定义标志着时间 测量的一个新时代的到来。时间由原子振荡频率来定义，因此频率稳定度和频率 准确度便成为时间测量的一个重要概念。1 9 7 1 年，国际计量大会正式指定由国际 时间局建立的原子时为国际原子时，命名为t a l t 6 1 。t a i 是国际时间局( 现为国际 计量局) 根据国际单位制时间单位秒的定义，以世界各地守时实验室运转的原子 钟读数为依据，经相对论修正，在海平面上建立的时问参考坐标。t a i 的频率准确 度为+ _ 5 x l f f l 4 ，稳定度为2 x l o d 4 ，取样时间在2 个月至几年之耐6 】。 诺贝尔物理奖的许多奖项是当代量子频率标准技术的先导，例如原子束、拉 比共振、核磁共振与光抽运等。而且，后来的许多奖项与原子钟的研究有直接的 联系，甚至是为原子钟的研究专门设置的。这包括1 9 6 4 年分子激射器的发明，1 9 8 1 年高分辨率光谱研究，1 9 8 9 年r a m y 分离场共振技术和离子贮存技术【7 l ，1 9 9 3 年 t a y l o r 的稳定脉冲星的发现，以及1 9 9 7 年的原子激光冷却与捕陷。一门看似应用面 很窄的科学技术竞引来如此多的诺贝尔奖，是超出人们想象的。确实，在研制原 子钟过程中所发展出来的技术的意义远超过了原子钟本身。诺贝尔奖评委会的高 明之处就在于他们不仅重视具体的科学发现，而且更重视能推动科学认识极大地 扩展和前进的科学理论和实验技术的发展，因为它们体现了科学本身的生产力。 因此，一些科技先进的国家都在积极开展原子钟的研究1 8 】。美国研究原子钟的 主力一美国国家标准技术研究院( n i s d 已是美国最主要的基础研究基地，年科研经 费在1 0 亿美元左右。我国从6 0 年代到8 0 年代的近二十年间，由于国防事业的需 要，国家对原子频标的发展给予了极大的支持，培育了一支不小规模的队伍，也 取得了不少成果1 0 l 。 目前，随着原子钟的性能不断提高和优化，各国的激光稳频工作也已经有了 很大进展，其目标是准确度和稳定度均优于原子频标的光频标1 1 1 1 4 1 4 1 。早在8 0 年 代，人们就认识到利用激光冷原子离子存储技术锁定超窄线宽激光，可以得到及 2 时频测控领域中数字处理方式的研究 其稳定的光学频率。到9 0 年代，激光线宽已经压缩到小于0 6 h z ：1 ”n g + ( 2 8 2 m n ) ， * o c a ( 6 5 7 n m ) 等光学频率的稳定性和复现性己达到1 0 - 1 5 1 0 - 1 6 ，并有l o - 1 8 的潜 力。但是，不同光波之间和某一光波与铯微波频标之间的频差测量都是及其庞大 复杂，价格昂贵的工程，成为光频标实际应用的障碍。飞秒光梳的出现，由于其 先天原理上的巧妙和优越，一举提供了一个准确实用、价格可以接受的光学频 率综合器。正是由于飞秒光梳的研制成功和迅速推广应用，使冷原子离子存 储稳频的光频标与飞秒光梳结合组成光钟。光钟的研究是2 0 0 2 年以来 国际计量发展的一个新热点1 1 4 1 。 1 2 高分辨率测频的重要性 在现代导航，定位、通信等方面，频率标准都已不可或缺。现在信息和交通 技术越来越向高速发展，对时间测量和控制的准确度和精密度要求也越来越高， 毫秒( 1 0 3 秒) 、微秒( 1 0 r 6 秒) 级早也不够用了，纳秒( 1 0 - 9 秒) 、皮秒( 1 0 1 2 秒) 级还嫌勉 强，一些设备已用上了飞秒( 1 0 i ”秒) 量级的技术1 9 j 。基于量子频标的现代时间频率 测量是当代准确度和精密度最高的一种测量，所以存在尽可能把各种物理量转化 为时间频率来进行测量的倾向。现在最好的量子频标的准确度已达l f f l 5 数量级， 稳定度达到l f f l 6 数量级，而时间频率测量的精密度则可达l f f l _ 7 数量级。高精度的 需求例子如用于测量地球重力加速度变化的低轨道g r a c e 卫星的定位精度要求 达到1 0 0 微米量级。它所反映的时间上的精度为0 3 3 p s 。对于被测信号频率稳定度 的描述，由于频率源噪声情况的差异需要合理的选择电压测量的响应时间，才能 使得测量结果和相位差能有真实的对应性。 当然，现在绝大多数日常的时间频率测量用不着这样高的准确度和精密度。 但是科学家还是不断的追求、竭力取得更高的准确度与稳定度。这一方面固然有 科学的目的，例如为了探测引力波，人们要求频标的稳定度再提高一至两个数量 级；更重要的是科学家们在追求人类、科学到底有多大的能力! 时间频率的高精度测量，在时频领域中是一切其它量( 如时间或相位的起伏、 频率与频率稳定度) 精密测量的基础，同时又可以被广泛地用于各种非时频量的 高精度测量中。它的发展不但对于时频技术的发展有很大的促进作用，而且对于 各种量的精密测量和控制，对于测控技术在工业、国防及科学技术的进步方面都 起到举足轻重的作用。这方面所取得的新技术及成果，将会产生巨大的经济效益。 时频测控技术与国家的高新技术发展有着密切的联系，同时也因为其在所有物理 量中的最高精度而对各种物理量的测控发展起着带头作用。因此，这方面信号的 产生、测量、变换与控制成为各发达国家研究的重点。时间频率基准及其测量与 第一章绪论3 控制技术的进步不仅仅在于其学科本身，而且也可以把它们作为一种重要的资源 和手段，在物理学和现代科学的一系列基础研究方面均可获得一些很有价值的重 大发现。 1 3 频率稳定度的高分辨率测量研究概述 基于时间处理的手段以及利用时间和长度的关系，可以进一步解决特高分辨 率的复杂频率的测量。这在频标技术的发展方面，尤其是针对稳定频率信号之间 的比对和处理具有倍数关系的情况下，按照倍数情况以时闯为刻度可以进行频率 信号间的最小公倍数周期为周期的时间比对，并在此基础上计算出被测信号的相 位差及其变化、频率以及频率稳定度的情况。这种测量的实施从原理上的说明可 以借助于示波器，计数器的时间间隔测试精度的方法，但是一方面精度的提高有 限，另一方面设备的复杂昂贵也限制了其应用。而且这些手段也不利于比对频率 的提高。所以利用两个周期性的比对信号在时间上的延伸反映出的相互相位差的 变化，就可以计算出所要求的频率值等结果。 在大多数测量中可以和多周期同步测量技术结合，利用时间和长度的关系准 确地测量出被测信号与测量的闸门时间所不同步的短时间间隔来大大提高最终的 测量精度。对于难以用计数进行测量的高频率信号尤其是呈特定的比例关系特的 高频率信号，采用在长度的延伸上检测出它们的相位同步特性甚至缓慢的变化， 从而算出被测频率。当然在这样的测量过程中频率合成器是按照要求设置的，根 据被测频率的范围不一样，同步检测的方法也是不一样的。在较低的频段，高频 信号经过或不经过整形从延迟传输通道中经过，在每个取样点根据低频标准信号 的特定相位状况的标志对高频信号的特定状况进行取样。两个信号在时间相位上 的同步就会造成取样结果在长度上的相对固定或者缓慢的移动。此时的延迟传输 信道不应该对传输信号产生谐振。高频信号不经过整形时要有足够大的幅度，延 迟传输信道也必须有良好的屏蔽和抗干扰特性。而在特别离的频率测量中，必须 从比延迟传输通道本身带宽更宽的特性来考虑。这时，两个信号必须在模拟信号 的状态下进行比对。 1 4 本文的主要工作 从国内外频标技术、时频测控技术和精确定位等方面的发展需求，同时以 1 0 “一为标准的高稳定度频率源的应用越来越广泛，这样对频率测量设备的要求 也就越来越高。因此，研究新的频率测量方法对开发低成本、高分辨率且使用方 便的频率测量设备有着十分重要的意义。 在频标信号的高精度比对中，在具有典型的最小公倍数周期的频率信号之间， 4 时频铡控领域中数字处理方式的研究 最显著的是它们之间呈倍数关系的情况下，按照倍数情况以时问为刻度可以进行 频率信号间的最小公倍数周期为周期的时间比对，并在此基础上计算出被测信号 的相位差及其变化、频率以及频率稳定度的情况。因此，本文利用时间和长度的 关系准确地测量出被测信号与测量的闸门时间所不同步的短时间间隔来大大提高 最终的测量精度。 本文的内容安排如下： 第一章：绪论分析时间频率测量领域的研究背景，时频测量的重要性以及 频标技术新发展在提高频率稳定度的测量分辨率的研究方法上的概述。 第二章：短时间间隔的高分辨率测量方法介绍了短时间间隔测量中常用的 内插法和游标法，以及量化延方法：针对具体的量化时延的实现，以信号的时空 关系为突破口的新方法，并对此新方法进行了原理上的分析和实验论证。 第三章：基于时一空关系的时频处理方法的分析与应用本章在深入分析了以 d 触发器为核心混频器件产生的量化误差后，提出了以信号的稳定传输为基础的， 把拟合被测量的时间间隔与相应路径上的延迟时间，以频率信号本身规律性特性 作为时间处理的基础，大大提高最终的测量精度。 第四章：超短光脉冲在比对频标相位差测量中的应用基于激光测量高出常 规测量的准确度和精密度，本章通过对两比对信号对光调制后形成关于相位差的 窄脉冲的测量，得到在上一章分析中的所要测量的相位差的大小，大幅度提高了 测量分辨率，并做了理论性的仿真。该方法是对频率比对方法的一个新的拓展， 值得深入的研究。 第五章：总结与展望回顾全文所做的工作，指出论文中的不足之处，并就 今后的工作提出自己的一些看法和期望。 第二章短时间间隔的高分辨率测量方法 5 第二章短时间间隔的高分辨率测量方法 时间间隔测量包括非周期性时间间隔和周期性时间间隔的测量。前者是针对 一个开启和关闭信号之间的单次时间间隔的测量，而后者则是针对重复出现的这 样的时间间隔进行测量。这常常表现为频率标称值相同的频率信号之间的相位差 的测量。所以，周期性时间间隔的测量更容易获得更高的精度。 两个时刻的比对就是要求出它们的时间间隔。如果涉及两台钟，那就是要求 出它们同一读数时的时间间隔。高精度情况下的时间间隔值都小于1 秒，而且要 用时间间隔计数器来计量。 时间间隔计数器的核心是一台高稳定度的晶体振荡器，它连续发出等间隔的脉 冲信号。计数器的电子闸门受外输入信号控制，一台钟的秒信号打开闸门，开始 计数；另一台钟的秒信号关闭闸门，停止计数。计数器显示的读数就是两台钟的 钟差。当然被比对的两个时间信号并不一定是秒信号；它们也完全可以是两个同 频率的或者具有特殊频率关系的任意时频信号。测量设备方框图如图2 0 l 所示。这 只是传统的时间间隔计数器的原理说明。测量工作的波形图如图2 2 所示。被测时 间间隔为 f - 瞩 其中，n 为计数器的读数；瓦用于计数的脉冲信号的周期。 启动 停止 f n 1 n 几几1 开 ；一 n 1f n勰 6 时频测控领域中数字处理方式的研究 测量设备的测量分辨率受到了计数器用于计数的脉冲信号的频率值的影响，而 不可能很高。这是由于被测量的时间间隔和计数脉冲之间没有同步关系。例如， 采用了1 0 m h z 的计数信号只可能得到l o o n s 的测量分辨率。 高精度的时间间隔测量可以说是时间和频率测量与计量的重要基础。因为这 方面时间间隔测量的结果可以转换成其它所有的量值。另外，在授时技术中经常 要处理的也是时间信号，比如秒信号之间的时间间隔的精密测量问题。采用前面 所述的直接时间间隔测量的方法很难获得高度测量分辨率，所以国内外发展了一 系列高精度的时间间隔测量技术。其中获得广泛推广并且有代表性的是模拟内插 技术、游标法测量技术等。 2 1 内插法 内插法原理可以用2 3 图来说明纠。 ；j：一 被潮信号工i 起始f 终止 鼢一l i e,ql ! e 三二i 啦i j o 江 臣 i li 内删n 1 0 ；五_ p l1 旷五 计数蛐血 l 锄h z 钟辣冲 图2 3 内插法原理图 内插法采用模拟技术。在互时间内用一个恒流源产生的1 0 m a 电流将一个电容 放电，随后用小1 0 0 0 倍即1 0 印的电流将电容器充电。于是充电到原始状态的时 t 1 - 1 0 0 0 t , 。再在t l 时间内用钟脉冲填充计数m ，便得到瓦。孟高。而l 的 1 误差已降低了1 0 0 0 倍，l i p 比原计数器分辨率提高了1 0 0 0 倍。同理l 一! 上“ 1 0 0 0 ” 也可以测定。 模拟内插法的优点是理论测量精度高，但是这一技术实现的基础是对正和 的扩展，在较五和l 长k 倍的时间内，电容的充放电会带来较大的非线性，所以k 值 实际上也不可能太大，而且实际所实现的扩展倍数k 的准确值也难以得到，所以模 第二章短时闻间隔的高分辨率测量方法 7 拟内插技术要将测时精度提高很多的话，实现起来有很多的局限性。模拟内插技 术虽然对时钟频率要求不高，但是由于采用模拟电路，当待测信号的频率较高时 非常容易受到噪声的干扰，当要求连续测量时，电路反应速度也是一个大问题。 近年来，由于高速d 转换技术的发展，模拟内插法也改进为经过先把短时 间间隔信号转换成电压信号( 如对电容放电或充电) ，然后对这个电压信号进行高 速a i d 转换反映出时间间隔值。 时间扩展采用的都是仿真器件，因此本身存在不可预测的误差，可以通过采 用高精度电容减小非线性误差。也可以采用模数转换的方法加以克服，主波较下 一个计数脉冲早到五时间，为了实时测量出量化误差正可以采用将正变换为电信 号的方法，让主波前沿作为起始触发，启动一阶跃恒流源i 给电容c 充电，恒流源 内阻为r ，则电容c 上的电压与充电时间t z 间的关系为 一盯f 1 _ e j a c l 、， ( 2 - 2 ) 然后，由主波后的第一个有效计数脉冲的前沿控制停止对电容充电，电容电 压就停止增加，假定此时的电压值为矿_ ，这一时刻相对于阮- o 时的时延是五，则 y 。ct 脚( 1 一e 簟) 与充电电容相连的是一个性能较好的隔离放大警，它具有较高 的输入阻抗，一般有几十兆欧，它的作用是隔离后级对充电电容的影响，让电容 上的电压能够保持很长时间，同时还具有一定的放大作用，但它又不影响恒流源对 电容的充电。在第一个计数脉冲前沿让电容停止充电时，电容上的电压y ：通过隔 离放大器送至u a d c f e 路进行模拟数字转换，得到一个数字码输出n t ，为了分析方 便设放大器的放大增益为单位增益。如果a d c 的转换位数为m ，满量程输入电压为 v 。，则存在- 2 “眇。】，得到a d c 的输出便得到了电容上的电压y ：，n ， v 。与互一一对应，于是可以得到： 仇【1 - 矧】 协3 ， 根据上式可以确定计数量化误差正，同理可以得到乏。 8 时频测控领域中数字处理方式的研究 2 2 游标法 这是一种以时间测量为基础的计数器，关键在于设法测出整周期数外的零头 或尾数【1 6 1 。如图2 4 所示，可知 疋一瓦+ 瓦一瓦( 2 - 4 ) 若要测量起始脉冲和中止脉冲的时间间隔l ，一般方法是由起始脉冲开门， 以终止脉冲闭门，被测时间间隔t 即为闸门开启时间。在闸门开启时间内，时基 脉冲通过闸门进入计数器。若时基脉冲周期为瓦。，计数器指示值为n ，这时极限 量化误差为1 个量化单位。下面根据图2 4 讨论减少测量误差的一个方法。 起始 终止 赣入信号! = 二二= = 二! ：二二二= 二 l f l i t ：l i l 时钟脉冲i l _ l l - l _ j j _ j j _ j 上爿墨上j 且h 一 | l # 彳一巧= 弛；拈z 。 图2 4 时间间隔的测量及误差 如图2 4 所示，瓦用来表示被测时间间隔l ，从时间上来看，它少计了瓦， 多计了互。游标法用类似于机械游标卡尺的原理，较为准确的测出尾数五和t ， 以提高时间的分辨力和准确度，避免了1 个计数脉冲的误差。 起始脉冲 停止脉冲 瞻入信号 ll 时墓脉冲 辩标脉冲i i ； 一 im il 件片li _ z 卜 iiiiil i olii f 符台点i ， r 。1 一i 一 拇台点2 一 0 2 ( a ) 工作波形图 第二章短时问间隔的高分辨率测量方法 9 ( b ) 原理框图 图2 5 游标法原理图 下面结合图2 5 ( a ) 的时间关系和图2 5 ( b ) 的方框图来说明这种测量方案， 起始脉冲同时打开闸门和触发游标振荡器i ，这时脉冲间隔为瓦，的时基脉冲通过闸 门进入粗测计数器，其读数为巧一。游标振荡器i 的频率比时基频率稍低， 即比稍长，周期为的游标计数器i 计数。若由第一个游标脉冲( 0 号脉冲) 后算起，经过x 个游标脉冲后，游标脉冲恰好和时基脉冲相重合，即时间上第x 个游标脉冲和时基脉冲相重合，时基脉冲赶上了游标脉冲，则零头时间瓦为 瓦一x t r o e t 0 0 - 0 ( 2 - 5 ) 瓦-xcr一)(2-6) 在游标脉冲和时基脉冲重合时，由符合电路产生一个符合信号，使游标振荡 器i 停振，游标计数器i 不再计数，所以这时游标计数器i 的读数表示的时间为 瓦一工( - t o ，) 。类似的游标振荡器振荡周期亦为，游标计数器若计得y 个脉冲，则时基脉冲超前于游标振荡器的第0 号脉冲( 其时间起点和中止脉冲 相同) 的时间瓦为 ty(rn2一)(2-7) 因此，被测的时间间隔为 - ( 一工+ ) ，) 瓦l + o y ) r 0 2 - 吗l + o y ) a r o ( 2 - 8 ) 1 0 时频测控领域中数字处理方式的研究 式中瓦一一 这种计数法的分辨力为一，它比粗测计数器分辨力t o ，以及游标计数器的 分辨力都高。显然，愈接近如。，其分辨力愈高。a n # l e n t 公司的5 3 7 0 b 采用 双游标技术，能够达到2 5 p s 的测量分辨率。 2 3 利用量化延时进行的时间间隔测量 上面所述的模拟内插法技术和游标法测量技术虽然能够大幅度地提高时间间 隔的测量精度，但是测量设备的造价以及复杂程度高，在某些方面限制了它们的 使用。低成本的可以实际应用的高分辨率时间问隔测量技术采用了器件的量化延 时原理。这是利用器件所组成的延时链和器件本身的延时特性，使时间信号通过 这一系列的延时单元，依靠延时单元的延时稳定性，在计算机的控制下对延时单 元的状态进行高速采集与数据处理，从丽可以实现对短时间间隔的精确测量。 短时间间隔的精确测量有着广泛的应用价值。因为对任意的时间测量都存在 着被测时间间隔与填充钟脉冲之间所不同步的短时间间隔。对短时间间隔的精确 测量实际上是大大提高对任意的时间测量精确性的有效手段。 用串联在一起的延时单元( 如门电路) 所组成的延时链作为被测时间间隔的 传输通道。这些延时单元具有相同的、稳定的时间延迟特性。每个延时单元的输 出端接到锁存器( 如d 触发器) 的数据输入端，将被测时间间隔的开始信号作为 延时链的输入信号，而以其结束信号作为锁存器的取样锁存信号，则开始信号在 延时链中所经过的延时单元的个数就正比于所测的时间间隔值。其原理图和波形 图如图2 6 和图2 7 所示1 1 7 1 。 送入计算机 图2 6 量化延时法时间间隔测量原理图 第二章短时间间隔的高分辨率测量方法 开始信号结束信号 _ j 延时1 l延时2 i延时3 l 延时4 l延时5 i延时6 图2 7 量化时延法波形图 在波形图中，当结束信号到来时，延时状态被采样并保存。在图中开始与结束 信号的附加延时( 由电路中其它组件产生) 没有画出来。如果这两部分附加延时 是相同的，那末它们对测量精度不造成影响。否则，必须要做一定的修正。 从波形图可以看出，当结束信号到来时d 触发器对其输入数据进行采样锁存。 就可以得知此时开始信号已经通过了几个延时单元。根据其所通过的延时单元数 目，就能够得到待测的时间问隔。 一m ( 2 9 ) ， 式中为被测时间间隔，n 为其所通过的延时单元数目，t 为单个延时单元的 延迟时间。 在这种方法中也存在有加、减一个延时单元的延迟时间的误差。 延迟器件可以用无源延迟线、有源门电路或者其它具有延迟作用的电路等。目 前我们已经用可编程逻辑器件( c p u ) ) 设计了时间间隔的测量装置，测量分辨率 可以达到3 个纳秒。 2 a 基于时空关系的时间频率测量方法的研究 随着导航定位、空间技术、计量、精密时频测控包括各种量子频标的发展、 对特高分辨率的时间测量和处理以及高频率的点频信号测量提出了更高要求。在 实际应用中高精度的时频测量的关键已经转化为微小时间间隔的测量，这是因为 长的时间量通常被划分为与填充脉冲同步的长的时间量和与填充脉冲不同步的微 小的时间量。这个微小的时间间隔的大小通常在百纳秒到皮秒之间。若从频率稳 时频测控领域中数字处理方式的研究 定度方面考虑，时频测量的分辨率要优于1 皮秒，但不可避免地会受到器件的速 度和噪声等因素的影响，大大限制了测量的精度。 2 4 1 基于时空关系的时间间隔测量原理 光和电磁波信号在特定的介质中以恒定不变的速度传播，并且不会影响所携 带的信息，因此在计量学领域中作为一个常数而存在。根据这一特点，我们提出 了一种基于时空关系的时间间隔测量方法。所谓信号的时空关系就是信号传输时 间与其传输路径长度之问具有的对应关系。这既反映了此方法可获得高速的可能 性，也预示这方面技术将成为本行业新一代检测技术。 通过对型号为r g 一5 8 的同轴电缆的实验1 1 8 1 ，证明了室温下信号在同轴电缆中 的速度大约为2 1 0 8 米，移，那么纳秒和皮秒的传输延迟分别约为2 0 厘米和0 2 毫 米，这是比较容易处理的长度值。以此为基础可完成各种频率测量仪器，并获得 纳秒至1 0 皮秒量级的分辨率。 被测时间间隔的开始信号经过延迟线，根据信号传输延迟时间和所需的分辨 率，延迟线被分成若干小段。在每一段延迟线的末端，对被延迟了的开始信号和 未被延迟的结束信号之问的相位重合状态进行检测。被测时间间隔的开始和结束 信号都被整形成非常窄的脉冲。当检测到重合状态时，时间间隔就等于开始信号 所经过的所有延迟线对应的延迟时间。通过获取准确的延迟长度、提高超窄脉冲 技术以及重合检测线路的稳定性和灵敏度，能够获得更高分辨率的时间间隔测量 技术。随着测量分辨率的提高，延迟线的单位长度将越来越短。因此，该方法的 进一步发展必定要与电路板精密制作技术、微电子技术相结合。 基于时空关系的时间间隔测量原理图及其工作波形如图2 8 所示。 开门信号 关门信号 ( a ) 原理方框图 第二章短时间间隔的高分辨率测量方法 ，舯偿号l i i 舞n 信号 li 秀门信号经过 疆时的佰警 c b ) 工作波形图 图2 8 简单级联的基于时一空关系的时间间隔测量原理图和工作波形图 如图2 8 ( a ) 所示，我们分别把开门与关门的正弦波信号整形成窄脉冲，关门信 号不需延迟，通过开门信号延迟的累积获得与关门信号的重合，在终端显示设备 可以看到这种重合现象。控制电路用来控制锁存电路的工作个数，检测到相位重 合点的锁存电路工作，其它锁存电路不工作。这样可以减少同时工作的电路个数， 以便减小信号的传输损耗。这些微小的延迟由延迟线来完成。延迟线末端的匹配 电阻用于防止信号在线路中的反射。从波形图2 8 ( b ) 中，开门窄脉冲信号经过n 个 的延迟后与关门窄脉冲重合。通过重合信号检测点的取样，我们可以知道此时 的开门脉冲经过了的延时线线段个数，由此就能计算出待测的时间间隔。 一万。( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中，t 为待测时间间隔，n 为开门脉冲信号所通过的延迟线级数，为 单位长度延迟线对应的延迟时间。 2 4 2 实验验证与性能分析 在室温实验中，我们用简单的线路验证了导线传输的线性及稳定性，并得出 被测时间信号与其在长度上传输延迟的对应关系。图2 9 为实验装置图。 图2 9 实验装置图 翳电 1 4时频测控领域中数字处理方式的研究 这里使用h p 5 3 7 0 b 时问间隔测量仪。开门信号分别以输入频率信号的正弦、 方波和窄脉冲等形式输入；在延迟在线等间距的位置处引出n 个检测点，分别作 为关门信号。用h p 5 3 7 0 b 直接测量开关门信号间的时间间隔。将测量值与引入线 路的延迟线长度做一一对应。实验数据拟合出的曲线如下图2 1 0 所示。 ( a ) 1 0 m i - i z 正弦波间隔2 e r a ( b ) l m h z 方波间隔l e n l 1 5 1 0 c 5 d；套 ( c ) 1 m h z 方波间隔1 0 e m ( d ) 1 m h z 窄脉冲间隔2 0 c m 1 1 c 卯 0 一r r ； ；一； 。寂旁缛 ( e ) 1 m t i z 方波间隔1 m 表示各检测点至延迟线起始点问的时间间隔测量值 一单位长度的延迟线对应的时间间隔测量值 图2 1 0 信号在延迟线中传输的线性和稳定性 进行时间间隔测量时，可得到延迟长度和延迟时间的对应关系。延迟线的长 第二章短时间间隔的高分辨率测量方法 度越短，可获得的测量分辨率就越高。检测点间的间距分别设置为l m 、2 0 e m 、1 0 e m 、 2 e m 和l c m ，实验数据拟合出的曲线如图2 1 0 所示，实验分辨率如表2 1 所示。 表2 1 延迟线单位长度、时间间隔测量值和系统分辨率 延迟线单位长 l e n a2 e r a1 0 c m2 0 c ml m 度 时问问隔( n s ) 0 0 6 5 20 1 5 5 00 5 1 0 2 1 0 1 5 75 0 1 5 0 分辨率 6 5 p s1 5 5 p s 0 5 n si n s5 n s ( 注：本实验所用延迟线为r g - 5 8 同轴电缆) 由图2 1 0 和表2 1 可以得知，在单位延迟线长度比较大的情况下，信号的传 输是线性且稳定的。当延迟线的长度减小到一定长度时，会影响到测量结果的线 性。这是由于外部测量设备的介入会影响传输性能，尤其延迟线的单位长度较短、 系统分辨率较高时，影响更加明显，如图2 1 0 ( a ) ( b ) 和表2 1 所示。但是，若屏蔽 措施得当，影响会减小。根据表2 1 中后三列数据表明信号在同轴电缆中的传输速 度为1 9 9 4 c m n s 。当分段长度变得很小时，将对( 2 1 0 ) 式的结果进行如下线性修正： l 一烨f ，( 2 - 1 1 ) 其中r 是根据特定条件确定的修正系数。 图2 1 1 传输稳定性和分辨率的测量实验( 间距为2 0 厘米) 图2 1 1 所示试验用于验证时间或频率信号在传输线中延迟的稳定性和基于此 原理实现的仪器可达到的分辨率。整形与延迟线部分与图2 9 中相同，主要的变化 是使用了重合检测环节。开门信号延迟不变，关门信号经过不同的延迟，经过重 合检测线路后，两者的重合状态被检出，其延迟差就是被测时间间隔。由于有限 的检测灵敏度和脉冲宽度的影响，重合状态总是在几个连续的检测点出现。外界 环境相对稳定时( 包括温度、湿度等) ，对于高信噪比的信号，重合信息的范围是 很稳定的。因此，重合信息边沿的稳定程度反映了时间间隔测量的分辨率。 在实验中，当脉冲宽度接近0 5 n s 时，重合信息接近l n s 。重合检测边沿最大 的变化约为0 5 厘米，相当于2 5 p s 的不确定度；经过阿仑方差的计算可得到0 2 1 6 时频测控领域中数字处理方式的研究 厘米( 相当于l o p s ) 的不确定度。上述实验使用的是普通的同轴电缆作延迟线， 若借助于现代微电子技术和微细加工技术，可以在传输在线设置间距更小的、数 目更多的检测点来提取重合信号。这样，时间间隔测量的精度和分辨率就会大大 提高。 2 5 小结 本章介绍了在高精度的短时间间隔测量中使用的改进了的内插法和游标法， 详细分析了这两种方法的的实现原理和优势；由于其实现的复杂性和高成本，使 得在实际应用中不能得到广泛的应用，同时鉴于数字器件在使用上的方便性，对 一般频率在比对中测量精度的够用性，以及使用成本的低廉性，应用的广泛性， 有必要对数字器件的测量精度作进一步的提高。在介绍了以器件为量化延迟单元 的方法后，根据光和电磁波信号传输的稳定性，提出了以时空关系为基础的新的 时间间隔测量方法，并对在应用中将要面对的几个重点给予了详细的分析和讨论， 使得在以后的硬件实现上有了可靠的参考方案。 第三章基于时一空关系的时频处理方法的分析与应用1 7 第三章基于时一空关系的时频处理方法的分析与应用 本章中，我们将针对传统差拍周期计算方法，对差拍信号的产生过程进行详 细分析，利用两个周期性的比对信号在时问上的延伸反映出的相互相位差的变化， 同时结合信号的时相和时空关系，对差拍信号的周期重新做出计算。有效提高了 标频比对中频率稳定度的测量结果。该方法经过原理性试验验证，具有正确性和 可行性，具有较大的发展潜力。 3 1 数字器件在相位处理上的分析 传统的数字混频主要是从测量差拍周期时的填充脉冲误差的角度着眼来减小 误差的过程中的，例如，h p 5 3 7 0 b 在周期测量中采用双游标内插技术几乎可以消 除在大多数时间间隔计数器中存在的1 个填充脉冲的计数误差，使得测量的准确 度达2 0 p s 。然而数字信号的不连续性使得信号在混频的过程由于频率源的不稳定 产生的相位抖动使得差拍周期会产生6 - - - 1 个时钟周期的误差，这种误差无法通过 上述方法达到降低甚至消除的目的。本节内容将对差拍信号的产生加以详细的探 讨，并就如何进行后期的修正得到尽可能真实的差拍周期值进行了深入的研究与 分析。 首先还是以最简单的混频器件d 触发器为例来说明。d 触发器的工作状态如 图3 1 所示 d c p q 图3 1d 触发器的工作状态 输入被测信号d 和时钟信号( 或者是参考信号) c p 输入d 触发器，输出的差 拍信号q 与作为时钟信号的c i 的上升沿同步，与被测信号d 的上升沿无关。当 c p 信号上升沿到来时，若d 信号为高电平，则输出q 为高电平；否则输出q 为 低电平。q 信号的两次上升沿之间的时间就是两个输入信号混频之后的差拍周期 瓦，且瓦一万瓦，其中瓦是时钟信号c p 的周期。 当我们将d 触发器应用到频标比对中作为混频器件时，对输入的信号和d 触 发器则有了更高的要求。由于进行比对的两个频标的指针相比于一般信号都十分 的优越，而且在进行相同标称频率的比对和标称频率成倍数关系的频标进行谐波 比对的时候，利用的都是数字器件的时间相位处理功能，所以在高精度频标比对 时频测控领域中数字处理方式的研究 中需要的d 触发器的工作状态如图3 2 所示 d c p q n 一一 厂 图3 2 频标比对中要求的d 触发器的理想工作状态 图3 2 和图3 1 的不同点就是，前者的这种工作波形是后者的一种特殊情况， 而且要求更苛刻的是前者是频标比对过程中必须也只能够出现的工作状态，这就 要求d 和c p 信号必须达到相位重合状态，才能产生理想状况下的差拍信号。换 一种方式解释就是，差拍信号的产生源于两个比对信号相位的重合，相邻的相位 重合点之间构成一个差拍信号完整的周期，由此 导到的差拍信号的前后上升沿之 间的时间就是真实的差拍周期。这种理想情况下，相位重合点的位置与输出的差 拍信号前后上升沿的位置是一致的。反过来说，只有两个比对信号达到了图3 2 所 示的状态，直接测量的差拍信号的周期才具有真实可信度；一旦两个比对信号由 于自身相位的抖动和其它干扰噪声引起相位改变时，鉴于比对信号的不连续性和d 触发器工作的模糊区的存在，输出的差拍信号的上升沿就会出现在理想位置的前 一个或者是后一个时钟上升沿处，这样我们首先就可以判断出差拍信号的上升沿 位置与实际的相位重合点位置产生了不一致。如图3 3 ( a ) d 信号的上升沿发生后向抖动( b ) d 信号的上升沿发生前向抖动 图3 3d 端信号的相位抖动时输出信号的相位状态 令被测信号由d 端输入，时钟信号，0 由c p 端输入，且l ，f o ，a r 是两 个比对信号的周期差。在这里给出的信号均是数字形式。图( a ) 、( b ) 中输出信 号q 波形示意中实线表示的是d 端信号没有发生抖动的状态下输出信号q 上升沿 出现的位置。其中图( a ) 表示如果d 信号的上升沿发生后向抖动，d 触发器的特 性就会使得q 信号的上升沿出现在下一个时钟上升沿处( 如虚线所示) ；图( b ) 表示d 信号上升沿若是在理论上的相位重合点处发生前向抖动，根据d 触发器的 甲乇 第三章基于时一空关系的时频处理方法的分析与应用 1 9 特性，q 信号的上升沿则依然会在此处产生。 然而在图3 3 所述的这些情况下，数字信号的不连续特性使得很难计算两个比 对信号的相位重合点的确切位置。但是可以在理论分析的过程中，将数字信号转 化为相应的具有连续特性的正弦信号来考虑。经过这样的处理，首先就可以得到 两个比对信号相位重合点的大致位置。因此在图3 3 中，两个比对信号的相位重合 点应该位于输出信号q 上升沿到来时的前一个时钟周期内的某个时刻，见图中的 标识。 由此我们可以判断，相位重合点的位嚣随着输出信号q 上升沿处的两个比对 信号相位差从0 到丁之间的变化，从而与测得的输出信号上升沿的位置发生零到 一个时钟周期的变化。而通常我们采用的混频电路是以我们所需的信号的理想状 态为模型的，不考虑实际信号的相位差，将混频结果直接送入周期测量仪器进行 测量，且电路本身的设计不存在对相位重合点的找寻。如此测量的差拍周期l 将 不能如实反映两个比对信号之间的相位关系。那么在实际测量的周期值中就存在 约1 个时钟周期的误差。这与我们一直所致力于的模拟法和内插法方法本身带来 的百皮秒量级的误差相比较而言，把耳光转移到这上来确实有十分的必要。本章 所提出的新的方法就是要尽量减小如此之大的误差，使得测量到的周期值能够尽 可能的接近差拍周期的真实值。 为了达到上述目的，我们需要将不连续的数字信号转化为连续的且相同频率 的正弦波，同时借助于d 和c p 信号之间相位关系提供的有关输出信号q 的更加 细致更加灵敏的相位信息，得到有关相位重合点的确切的信息。这样的做法非常 的形象、直观。 首先见图3 4 f ( a ) 初始相位为零的状态( b ) 初始相位不为零且符合研究要求的状态 图3 4 相位重合点与比对信号相位差的关系示意图 圣燃蚶 2 0 时频测控领域中数字处理方式的研究 c p 端的输入信号为参考信号，频率值为，0 ，周期为r o ；d 端的输入信号为被 测信号，频率值为正( f o ) ，周期为；两信号周期差为f 一瓦-