一種基于dds移相技術(shù)的快速相位噪聲測量系統(tǒng)及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種相位噪聲測量系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種基于DDS移相技術(shù)的快速相位噪聲測量系統(tǒng)及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天、導(dǎo)航定位、深空探測、原子頻標(biāo)及其它高科技領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(如時(shí)間基準(zhǔn)、通訊載波等)使用的高精密頻率源，尤其是對(duì)頻率源的相位噪聲指標(biāo)提出了更高要求。目前，相位處理和相位噪聲測量主要用于通信、計(jì)量、電子工程、導(dǎo)航設(shè)備、儀器儀表等領(lǐng)域以完成對(duì)頻率源高精度單邊帶相位噪聲的測量。其中，相位處理方法仍采用傳統(tǒng)的相位處理方法，相位噪聲測量設(shè)備基本上從國外進(jìn)口。這些相位噪聲測量設(shè)備不但價(jià)格昂貴，而且使用起來極不方便?，F(xiàn)有的高精度相位噪聲測量方法主要有檢相法、鑒頻法、差拍法、直接頻譜分析法、鎖相處理法及高速AD轉(zhuǎn)換法等。
[0003]1.檢相法。檢相法又稱零拍法，利用相位檢波器將信號(hào)的相位起伏變換為電壓起伏，由頻譜儀測量相位起伏譜密度，再由相位起伏譜密度在小角度條件下，計(jì)算得到單邊帶相位噪聲。但檢相法中的參考信號(hào)必須根據(jù)被測信號(hào)選擇相等的頻率且相位噪聲必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被測源的相位噪聲；檢相法中使用到的測量裝置龐大，不利于工程測試；同時(shí)由于參考源的限制，使相位噪聲測量系統(tǒng)無法充分發(fā)揮其效用。
[0004]2.鑒頻法。鑒頻法又稱無源法，利用鑒頻器將被測源的頻率起伏變換為電壓起伏，由頻譜分析儀測量頻率起伏譜密度，再由頻率起伏譜密度換算成相位起伏譜密度，然后由相位起伏譜密度在小角度條件下，計(jì)算得到單邊帶相位噪聲。該方法存在近載頻靈敏度較低，僅適用于頻率穩(wěn)定度較差的頻率源和壓控晶體振蕩器等的測試的缺點(diǎn)。
[0005]3.直接頻譜分析法。直接頻譜分析法是指直接利用頻譜分析儀測量單邊帶相位噪聲，但其測量范圍有限，測量誤差大，只適用于測量漂移較小且相位噪聲相對(duì)較高的信號(hào)源，不能用于頻譜純凈的源。
[0006]4.鎖相處理法。鎖相處理法就是利用被測源把一個(gè)同頻率的高精密參考源相位鎖定，在抑制載頻的情況下，從鎖相電壓中提取被測源放大了的相位噪聲信息。由于高精度晶體振蕩器的相位噪聲指標(biāo)很高，若對(duì)它直接測量是很困難的，所以需要把噪聲的影響放大到一定程度才能實(shí)現(xiàn)測量。
[0007]5.高速AD采樣法。高速AD采樣法是一種直接數(shù)字化相位噪聲測量方法，在測量系統(tǒng)中采用高速、高精度的AD轉(zhuǎn)換器，通過直接對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行采樣，再經(jīng)過先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來測量被測信號(hào)的相位噪聲，然后對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，通過加入相關(guān)算法直接生成相位噪聲曲線。但是相位噪聲測量系統(tǒng)受AD取樣速率的限制；測量輸入頻率的帶寬較窄；在測量高穩(wěn)定度晶體振蕩器時(shí)受底部的限制等。
[0008]綜上，現(xiàn)有的高精度相位噪聲測量方法中，無論采用鎖相處理的方法或是通過線路改進(jìn)或算法優(yōu)化都是建立在同頻信號(hào)的基礎(chǔ)之上，有頻率差別的信號(hào)只能通過頻率變換的方法才能進(jìn)行處理。如果想在寬頻率范圍內(nèi)完成測量中所必須的相位處理就必須結(jié)合使用高精度的頻率合成器。盡管國內(nèi)外在這方面技術(shù)的研究取得了不少成績，但從總體上說仍存在諸多問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種基于DDS移相技術(shù)的快速相位噪聲測量系統(tǒng)及測量方法，能夠利用異頻信號(hào)間的等效鑒相頻率，使任意頻率信號(hào)不經(jīng)頻率合成和變換就能完成相互間的相位比對(duì)，從而快速準(zhǔn)確地完成相位噪聲測量。
[0010]本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種基于DDS移相技術(shù)的快速相位噪聲測量系統(tǒng)及測量方法，包括依次連接的信號(hào)源模塊、鑒相模糊區(qū)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、低相噪DDS控制模塊、頻率穩(wěn)定度測量模塊和頻譜分析模塊；
所述的信號(hào)源模塊用于產(chǎn)生被測相位噪聲信號(hào)，并將產(chǎn)生的被測相位噪聲信號(hào)輸送至鑒相模糊區(qū)模塊；
所述的鑒相模糊區(qū)模塊用于對(duì)輸入被測相位噪聲信號(hào)進(jìn)行異頻群量子化鑒相從而獲得模糊區(qū)；
所述的數(shù)據(jù)采集模塊用于對(duì)模糊區(qū)內(nèi)的相位差進(jìn)行采集，并對(duì)采集的相位差信息進(jìn)行平均處理，產(chǎn)生固定的閘門開關(guān)值，并將產(chǎn)生的閘門開關(guān)值輸送至低相噪DDS控制模塊；所述的低相噪DDS控制模塊用于對(duì)接收到的閘門開關(guān)值進(jìn)行低相噪DDS控制，并對(duì)閘門觸發(fā)脈沖相位進(jìn)行移相，獲取小于閘門觸發(fā)脈沖寬度的脈沖和持續(xù)恒定性的觸發(fā)脈沖；小于閘門觸發(fā)脈沖寬度的脈沖即為極窄閘門脈沖，并將獲取的極窄閘門脈沖寬度和持續(xù)恒定性的觸發(fā)脈沖輸送至頻率穩(wěn)定度測量模塊；
所述的頻率穩(wěn)定度測量模塊用于對(duì)接收到的極窄閘門脈沖寬度和持續(xù)恒定性的觸發(fā)脈沖進(jìn)行頻率穩(wěn)定度測量，并將頻率穩(wěn)定度測量結(jié)果輸送至頻譜分析模塊；
所述的頻譜分析模塊用于對(duì)接收到的頻率穩(wěn)定度測量結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，并顯示相位噪聲測量數(shù)據(jù)。
[0011]所述的鑒相模糊區(qū)模塊通過異頻群量子化器產(chǎn)生被測相位噪聲信號(hào)的相位量子化和群量子化，異頻群量子化器采用D觸發(fā)器。
[0012]所述的頻譜分析模塊采用頻率分析儀。
[0013]—種利用權(quán)利要求1或2所述的基于DDS移相技術(shù)的快速相位噪聲測量系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟:
A:利用信號(hào)源模塊產(chǎn)生被測相位噪聲信號(hào)，并將產(chǎn)生的被測相位噪聲信號(hào)輸送至鑒相豐旲糊區(qū)t旲塊；
B:利用鑒相模糊區(qū)模塊對(duì)輸入被測相位噪聲信號(hào)進(jìn)行異頻群量子化鑒相從而獲得模糊區(qū)；
C:利用數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)模糊區(qū)內(nèi)的相位差進(jìn)行采集，并對(duì)采集的相位差信息進(jìn)行平均處理，產(chǎn)生固定的閘門開關(guān)值，并將產(chǎn)生的閘門開關(guān)值輸送至低相噪DDS控制模塊；
D:利用低相噪DDS控制模塊對(duì)接收到的閘門開關(guān)值進(jìn)行低相噪DDS控制，并對(duì)閘門觸發(fā)脈沖相位進(jìn)行移相，獲取小于閘門觸發(fā)脈沖寬度的脈沖和持續(xù)恒定性的觸發(fā)脈沖；小于閘門觸發(fā)脈沖寬度的脈沖即為極窄閘門脈沖，并將獲取的極窄閘門脈沖寬度和持續(xù)恒定性的觸發(fā)脈沖輸送至頻率穩(wěn)定度測量模塊；
E:利用頻率穩(wěn)定度測量模塊對(duì)接收到的極窄閘門脈沖寬度和持續(xù)恒定性的觸發(fā)脈沖進(jìn)行頻率穩(wěn)定度測量，并將頻率穩(wěn)定度測量結(jié)果輸送至頻譜分析模塊；
F:利用頻譜分析模塊對(duì)接收到的頻率穩(wěn)定度測量結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，并顯示相位噪聲測量數(shù)據(jù)。
[0014]所述的步驟A中，利用信號(hào)源模塊對(duì)被測相位噪聲信號(hào)依次進(jìn)行濾波、電壓變換和模擬信號(hào)處理，將測相位噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路的電壓。
[0015]所述的步驟C中，根據(jù)群量子化的大小，采用高頻率時(shí)鐘信號(hào)脈沖對(duì)模糊區(qū)內(nèi)的相位差進(jìn)行多周期采樣，并對(duì)每個(gè)周期的相位差采樣信息進(jìn)行脈沖平均處理，最終獲得觸發(fā)計(jì)數(shù)閘門開啟的脈沖信息即閘門開關(guān)值。
[0016]所述的步驟E中，利用頻率穩(wěn)定度測量模塊，對(duì)相鄰極窄閘門脈沖內(nèi)的數(shù)字化被測相位噪聲信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算出被測相位噪聲信號(hào)的實(shí)時(shí)頻率，最終利用阿侖方差得出頻率穩(wěn)定度。
[0017]所述的步驟F中，利用頻率分析儀器即直接頻譜儀測量法，將頻率穩(wěn)定度測量結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，直接獲得相位噪聲測量數(shù)據(jù)。
[0018]本發(fā)明基于異頻群量子化特征的相位處理技術(shù)，利用異頻信號(hào)間的群量子化并配合低相噪DDS移相方法，解決任意頻率信號(hào)不經(jīng)頻率合成和變換就能完成被測信號(hào)的相位相位噪聲快速測量問題，其系統(tǒng)性能指標(biāo)可達(dá)到_172dBc的相位噪聲本底。本發(fā)明不僅在相噪測量尤其是對(duì)信號(hào)源的單邊帶相噪測量方面具有廣泛的應(yīng)用前景，而且還為使用各種振蕩器和原子頻標(biāo)的航空航天、導(dǎo)航定位、國防軍工、儀器儀表、精密時(shí)頻測控、雷達(dá)、天文及其它高科技領(lǐng)域提供對(duì)其關(guān)鍵的相位處理和相噪測量方面的技術(shù)支持。本發(fā)明不僅能夠從原理上更新現(xiàn)有的相噪測量技術(shù)，而且還能夠解決國際上束縛該領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的一些重要難題，這對(duì)改善和提升我國在時(shí)頻測控領(lǐng)域的整體技術(shù)水平和國際地位具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明所述基于DDS移相技術(shù)的快速相位噪聲測量系統(tǒng)的原理框圖；
圖2為本發(fā)明所述基于DDS移相技術(shù)的快速相位噪聲測量方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作以詳細(xì)的描述:
如圖1和圖2所示，本發(fā)明所述的基于DDS移相技術(shù)的快速相位噪聲測量系統(tǒng)，包括依次連接的信號(hào)源模塊、鑒相模糊區(qū)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、低相噪DDS控制模塊、頻率穩(wěn)定度測量模塊和頻譜分析模塊；
所述的信號(hào)源模塊用于產(chǎn)生被測相位噪聲信號(hào)，并將產(chǎn)生的被測相位噪聲信號(hào)輸送至鑒相模糊區(qū)模塊；
信號(hào)源模塊用于對(duì)被測相位噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波、電壓變換和模擬信號(hào)處理，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路的電壓。經(jīng)過信號(hào)源模塊的系列處理，最終產(chǎn)生出不影響相位大小的數(shù)字化被測相位噪聲信號(hào)。濾波、電壓變換、模擬信號(hào)處理可分別通過濾波電路、電壓變換電路、模擬信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)。
[0021]所述的鑒相模糊區(qū)模塊用于對(duì)輸入被測相位噪聲信號(hào)進(jìn)行異頻群量子化鑒相從而獲得模糊區(qū)；
鑒相模糊區(qū)模塊通過異頻群量子化器產(chǎn)生被測相位噪聲信號(hào)的相位量子化和群量子化。由于系統(tǒng)的測量分辨率遠(yuǎn)高于檢測電路的檢測分辨率，所以被測相位噪聲信號(hào)的群量子化通過相位比對(duì)時(shí)便產(chǎn)生鑒相模糊區(qū)。