一種無盲區(qū)數(shù)字相位計裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及一種應(yīng)用于工業(yè)自動化、Ξ維激光掃描、通訊、光學(xué)儲存、導(dǎo)航定 位，航天器定軌、雷達(dá)信號處理、天文觀測等領(lǐng)域中的相位計，尤其是一種無盲區(qū)數(shù)字相位 計裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，作為一種常用的信號檢測技術(shù)一相位差測量技術(shù)已成為現(xiàn) 代科學(xué)研究不可或缺的一部分。通過檢測相位信息，相位計在光學(xué)、無線電測量、微波、光纖 通訊、新一代光學(xué)儲存、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、航天器定軌、雷達(dá)波束合成、信號處理、天文觀測等 領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。
[0003] 我國于60年代開始對相位計進(jìn)行研究，至今雖然陸續(xù)出現(xiàn)了一些不錯的相位計 算法和產(chǎn)品，但是仍存在各種不足之處，局限了相位計的應(yīng)用領(lǐng)域。
[0004] W專利《基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位計差的數(shù)字相位計及其方法》（專利號： 201310145977.8)為例，其在相位計算法中，未引入幅值測量算法，因而無法獲得待測信號 和本地振蕩器的幅值，只能利用反正切函數(shù)即反正切運算來反算相位，并且只能獲得一個 相位數(shù)據(jù)； 陽0化]同時反正切函數(shù)在正負(fù)90度附近時因為收斂性差，無論是直接運算還是查表，都 不能精確、高效地獲得相位值。
[0006] 而且，該算法采用反正切相位反算的算法，運種算法受到反正切函數(shù)在90度相位 附近收斂性差的影響，難W保證在90度附近的相位測量精度，無法實現(xiàn)高速度的信息處理 需求，存在測量盲區(qū)。
[0007] 例如在被動聲學(xué)測量陣列過程中，不僅需要測量聲波的相位信息，還需要測量聲 波的強(qiáng)度信息，而該專利《基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號間相位計差的數(shù)字相位計及其方法》 (專利號：201310145977.8),不具備信號強(qiáng)度測量功能，無法應(yīng)用于該領(lǐng)域。
[000引在相位計的應(yīng)用領(lǐng)域中，如果相位計具有信號頻率自動適應(yīng)能力，將在很大程度 上提高激光、微波測距等測量范圍和精度，通過一定的判斷算法，還可W實現(xiàn)優(yōu)化載波調(diào)制 頻率的功能，W達(dá)到最佳的測量性能；如果可W在正負(fù)90度范圍能實現(xiàn)均衡的相位測量精 度和效率，將可W使雷達(dá)等達(dá)到無盲區(qū)的精確高效的探測能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本實用新型專利，公開提供可W高精度、高速度、多功能、自適應(yīng)信號頻率的一種 無盲區(qū)數(shù)字相位計裝置。
[0010] 針對當(dāng)前相位計及算法存在的缺陷，不僅解決了專利《基于鎖相環(huán)技術(shù)測量信號 間相位計差的數(shù)字相位計及其方法》（專利號：201310145977. 8)在正負(fù)90度附近時因為 收斂性差，存在測量盲區(qū)的問題。同時實現(xiàn)了相位計信號頻率自動適應(yīng)能力和在正負(fù)90度 范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的、無盲區(qū)的均衡相位測量的功能，具體的解決方案如下：
[0011] 通過加入相位反饋跟蹤模塊和信號強(qiáng)度測量模塊，可W自動適應(yīng)信號頻率，W實 現(xiàn)適應(yīng)和優(yōu)化載波調(diào)制頻率的功能；采用反正弦模塊和反余弦模塊并行獨立地進(jìn)行相位計 算，借助反正弦算法在0度時收斂性好，反余弦算法在90度時收斂性好的特點，W實現(xiàn)正負(fù) 90度相位范圍內(nèi)高精度、高效率的無盲區(qū)相位測量。
[0012] 其中，一種無盲區(qū)數(shù)字相位計裝置其特征在于包括低通模擬濾波器、AD轉(zhuǎn)換器、相 位測量算法電路及信號輸出通信模塊；其中，所述的低通模擬濾波器與所述的AD轉(zhuǎn)換器相 連，用于將待測信號的高頻噪聲濾除，W提高待測信號的信噪比，得到待測模擬信號，發(fā)送 至AD轉(zhuǎn)換器；所述的AD轉(zhuǎn)換器與所述的相位測量算法電路相連，用于將待測模擬信號轉(zhuǎn) 化成待測數(shù)字信號；所述的相位測量算法電路用于測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率，根 據(jù)所述初始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、濾波產(chǎn)生直流信號， 再經(jīng)反正弦和反余弦運算得到待測信號與正交信號的相位差A(yù) φ，Κ及將相位差Δ Φ發(fā) 送至所述的信號輸出通信模塊；所述的一種無盲區(qū)數(shù)字相位計裝置還包括信號輸出通信模 塊，所述的信號輸出通信模塊與相位測量算法電路相連，用于將相位測量算法電路得到的 待測信號與正交信號的相位差發(fā)送至計算機(jī)或其它設(shè)備。
[0013] 所述的一種無盲區(qū)數(shù)字相位計裝置，其特征在于所述的相位測量算法電路包括頻 率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘法器、幅值運算器、第一低通濾波器、第二低通濾波 器、第一除法器、第二除法器、反正弦運算器、反余弦運算器、頻率反饋控制器、第一累加器 和第二累加器；其中頻率計與本地振蕩器相連，本地振蕩器分別與第一乘法器、第二乘法器 和頻率反饋控制器相連，第一乘法器、第一低通濾波器、第一除法器、反余弦運算器和第一 累加器依次相連，第二乘法器、第二低通濾波器、第二除法器、反正弦運算器和第二累加器 依次相連，反正弦運算器與頻率反饋控制器相連；所述的頻率計用于對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的 待測數(shù)字信號進(jìn)行測量，得到待測數(shù)字信號的初始頻率，并將所述的初始頻率反饋至本地 振蕩器；所述的本地振蕩器用于根據(jù)所述的初始頻率產(chǎn)生正交的正弦信號和余弦信號，將 所述的余弦信號發(fā)送至第一乘法器，將所述的正弦信號發(fā)送至第二乘法器；所述的第一乘 法器用于將所述余弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號相乘，并發(fā)送至第一低通濾波 器及幅值運算器；所述的第二乘法器用于將所述正弦信號與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信 號相乘，并發(fā)送至第二低通濾波器；所述的幅值運算器用于計算所述第一乘法器發(fā)送的信 號的幅值信號，分別發(fā)送至第一除法器和第二除法器；所述的第一低通濾波器用于將第一 乘法器發(fā)送的信號濾波為第一直流信號，并發(fā)送至第一除法器；所述的第二低通濾波器用 于將第二乘法器發(fā)送的信號濾波為第二直流信號，并發(fā)送至第二除法器；所述的第一除法 器用于將所述第一直流信號與所述的幅值信號相除，并發(fā)送至反余弦運算器；所述的第二 除法器用于將所述的第二直流信號與所述的幅值信號相除，并發(fā)送至反正弦運算器；所述 的反余弦運算器用于將第一除法器發(fā)送的信號進(jìn)行反余弦運算，得到待測信號與本地振蕩 器輸出的正交信號的相位差A(yù) Φ，并將信號發(fā)送至第一累加器；所述的反正弦運算器用于 將第二除法器發(fā)送的信號進(jìn)行反正弦運算，得到待測信號與本地振蕩器輸出的正交信號的 相位差A(yù) Φ，并將信號分別發(fā)送至第二累加器及頻率反饋控制器；所述的頻率反饋控制器 用于將反正弦運算器發(fā)送的相位差信號計算成頻率差信號，反饋控制本地振蕩器與待測信 號實現(xiàn)相位與頻率同步，使本地振蕩器跟隨待測信號變化；所述的第一累加器用于將反余 弦運算器發(fā)送的信號進(jìn)行累加，從而實時得到待測信號的時變相位信號，并輸出；所述的第 二累加器用于將反正弦運算器發(fā)送的信號進(jìn)行累加，從而實時得到待測信號的時變相位信 號，并輸出。
[0014] 本實用新型可廣泛用于測量信號的相位及相位變化，并具有高效無盲區(qū)的特點。 本實用新型是基于FPGA的高精度相位計設(shè)計，除前段信號調(diào)理電路及AD轉(zhuǎn)換器外，所有運 算均在FPGA內(nèi)部完成。FPGA具有并行處理的優(yōu)勢，所W在高速數(shù)字處理方面具有不可比擬 的優(yōu)勢。
【附圖說明】：
[0015] 圖1是一種無盲區(qū)數(shù)字相位計裝置示意圖。
[0016] 圖2是相位測量算法電路示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面對一種無盲區(qū)數(shù)字相位計裝置的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0018] 如圖1所示，本實用新型一種無盲區(qū)數(shù)字相位計裝置，包括：低通模擬濾波器、AD 轉(zhuǎn)換器、相位測量算法電路及信號輸出通信模塊。其中，
[0019] 所述低通模擬濾波器與所述的AD轉(zhuǎn)換器相連，用于將待測信號 Acos(A cot+Δ Φ)的高頻噪聲濾除W提高待測信號的信噪比，得到待測模擬信號，發(fā)送至 AD轉(zhuǎn)換器；
[0020] 所述AD轉(zhuǎn)換器與所述相位測量算法電路相連，用于將待測模擬信號轉(zhuǎn)化成待測 數(shù)字信號；
[0021] 所述相位測量算法電路用于測量所述待測數(shù)字信號的初始頻率Δ ω，根據(jù)所述初 始頻率產(chǎn)生正交信號，將所述正交信號與待測數(shù)字信號混頻、濾波產(chǎn)生直流信號，再經(jīng)反 正弦和反余弦運算得到待測信號與正交信號的相位差A(yù) Φ。W及將相位差Δ Φ發(fā)送至所 述的信號輸出通信模塊；
[0022] 所述數(shù)字相位計裝置還包括信號輸出通信模塊，所述的信號輸出通信模塊與相位 測量算法電路相連，用于將相位測量算法電路得到的待測信號與正交信號的相位差發(fā)送至 計算機(jī)或其他設(shè)備。
[0023] 如圖2所示所述相位測量算法電路包括頻率計、本地振蕩器、第一乘法器、第二乘 法器、幅值運算器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第一除法器、第二除法器、反正弦運 算器、反余弦運算器、頻率反饋控制器、第一累加器和第二累加器。其中頻率計與本地振蕩 器相連，本地振蕩器分別與第一乘法器、第二乘法器和頻率反饋控制器相連，第一乘法器、 第一低通濾波器、第一除法器、反余弦運算器和第一累加器依次相連，第二乘法器、第二低 通濾波器、第二除法器、反正弦運算器和第二累加器依次相連，反正弦運算器與頻率反饋控 制器相連。所述頻率計用于對AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù)字信號Acos(A cot+Δ Φ)進(jìn)行測量， 得到待測數(shù)字信號的初始頻率A ω，并將所述初始頻率Δ ω反饋至本地振蕩器；
[0024] 所述本地振蕩器用于根據(jù)所述初始頻率Δ ω產(chǎn)生正交的正弦信號Bsin(A cot) 和余弦信號Bcos(A cot),將所述的余弦信號Bcos(A cot)發(fā)送至第一乘法器，將所述的正 弦信號Bsin ( Δ ω t)發(fā)送至第二乘法器；
[00巧]所述的第一乘法器用于將所述余弦信號Bcos ( Δ ω t)與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù) 字信號Acos ( Δ ω t+ Δ φ)相乘得到J終激3》游& wt手么Φ) '爭沒怒ms(么Φ).!，并發(fā)送至第 一低通濾波器及幅值運算器；
[00%] 所述的第二乘法器用于將所述正弦信號Bsin(A cot)與AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送的待測數(shù) 字信號Acos ( Δ ω t+ Δ Φ )相乘得到^ I為燃i沒沒&。t牛& Φ)牛波e:sil3(么乘).!，并發(fā)送至第 二低通濾波器；
[0027] 所述幅值運算器用于計算所述第一乘法器發(fā)送的信 號：.^ [浦游及化么Φ) 細(xì)S(么咬)!的幅值信號.^A錢分別發(fā)送至第一除法器和第 二除法器； W28] 所述第一低通濾波器用于將第一乘法器