基于異頻信號(hào)間相位群特征的相位噪聲測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、時(shí)頻測(cè)控技術(shù)是測(cè)試計(jì)量、儀器儀表、電力通訊、導(dǎo)航定位、航空航天等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展直接關(guān)系到相關(guān)科學(xué)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和精度的提高。頻率穩(wěn)定度作為頻率源的重要指標(biāo)，對(duì)時(shí)頻測(cè)控系統(tǒng)的性能有著重要影響。時(shí)域的阿倫方差和頻率的單邊帶相位噪聲是短期穩(wěn)定度的兩種主要表征形式，而單邊帶相位噪聲以其更明確的物理意義受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，對(duì)頻率源單邊帶相位噪聲的精確測(cè)量是時(shí)頻測(cè)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，產(chǎn)生了大量的相位噪聲測(cè)量理論和方法，出現(xiàn)了許多高性

2、能的相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)。
　　傳統(tǒng)的相位噪聲測(cè)量方法和系統(tǒng)，主要采用同頻鎖相的相位處理方法，測(cè)量時(shí)要求參考和被測(cè)信號(hào)頻率值相同且相位正交。當(dāng)參考和被測(cè)頻率不同頻時(shí)，需要復(fù)雜的頻率變換線路進(jìn)行頻率歸一化，增加了頻率處理鏈路，提高了成本，引入了變換線路附加誤差，限制了傳統(tǒng)相位處理應(yīng)用面和測(cè)量精度的提高。應(yīng)用微電子技術(shù)對(duì)線路進(jìn)行改進(jìn)，借助微處理技術(shù)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化等都沒(méi)有從根本上解決傳統(tǒng)同頻相位處理中的高測(cè)量分辨率和寬頻率測(cè)量范圍間的矛盾。

3、考慮到周期性運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象及其相位問(wèn)題的普遍性，相位處理理應(yīng)具有更寬的頻率適用范圍、更高的測(cè)量分辨率，對(duì)于相位處理理論和方法的深入研究，探索如何將傳統(tǒng)的同頻相位比對(duì)和處理拓展到更廣的任意頻率信號(hào)間的相位直接比對(duì)和處理，具有重要的意義和研究?jī)r(jià)值。
　　鑒于相位噪聲測(cè)量和相位處理方法中同頻比相的限制，本論文在深入分析任意兩個(gè)不同頻率信號(hào)間直接相位比對(duì)的相位差變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，揭示了異頻信號(hào)間的相位群特征理論，并將該理論應(yīng)用于相位噪聲的測(cè)量，

4、實(shí)現(xiàn)了基于相位群特征的相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)的硬件功能模塊和軟件算法設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析。同時(shí)，探討了異頻信號(hào)間的相位群特征在頻率、相位差測(cè)量以及頻率鏈接中的應(yīng)用。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容和的研究成果包括以下幾個(gè)方面：
　　1.分析了頻率穩(wěn)定度和相位噪聲測(cè)量理論的發(fā)展和現(xiàn)狀，介紹了常用的相位噪聲測(cè)量方法和典型相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)，分析了基于同頻相位處理的相位噪聲測(cè)量方法的局限性。研究了相位噪聲的時(shí)域阿倫方差和頻域

5、功率譜密度表征形式，闡述了阿倫方差和功率譜密度尤其是單邊帶相位噪聲的計(jì)算方法及其相互轉(zhuǎn)換的原理。
　　2.研究了異頻信號(hào)間的相位群特征理論。在最小公倍數(shù)周期、等效鑒相頻率等概念的基礎(chǔ)上，分析了異頻信號(hào)間相位比對(duì)的相位差變化規(guī)律，揭示了異頻信號(hào)間相位差以最小公倍數(shù)周期為周期的相位群特征，即群間相位差變化嚴(yán)格一致的相位群同步特征，群內(nèi)相位差量化步進(jìn)的相位量化步進(jìn)特征。異頻信號(hào)間的相位群特征理論，對(duì)于簡(jiǎn)化頻率處理鏈路，提高時(shí)頻測(cè)量的分辨

6、率及精度有重要的研究?jī)r(jià)值。
　　3.研究了異頻信號(hào)間的相位重合檢測(cè)理論。對(duì)異頻信號(hào)間的相位群同步特征進(jìn)行了深入探討，分析了異頻信號(hào)間相位重合檢測(cè)模糊區(qū)的形成原因，發(fā)現(xiàn)了相位重合檢測(cè)模糊區(qū)的邊沿效應(yīng)。相位重合檢測(cè)模糊區(qū)及其邊沿效應(yīng)的研究，對(duì)于提高相位重合檢測(cè)以及相關(guān)時(shí)頻測(cè)量的精度，實(shí)現(xiàn)基于異頻相位處理的相位噪聲測(cè)量，以及解決更廣范圍內(nèi)高測(cè)量分辨率需求與有限的檢測(cè)分辨率之間的矛盾具有重要的研究?jī)r(jià)值和啟發(fā)意義。
　　4.研究了基于

7、異頻信號(hào)間的相位群特征的相位噪聲測(cè)量原理。探討了異頻信號(hào)間的相位群特征在相位噪聲測(cè)量中的應(yīng)用，利用異頻參考和被測(cè)頻率間的相位重合檢測(cè)構(gòu)成實(shí)際測(cè)量閘門(mén)，通過(guò)測(cè)量門(mén)時(shí)內(nèi)參考和被測(cè)頻率的計(jì)數(shù)值變化求得測(cè)量門(mén)時(shí)的起伏，實(shí)現(xiàn)近載頻單邊帶相位噪聲測(cè)量；同時(shí)，通過(guò)測(cè)量門(mén)時(shí)內(nèi)參考和被測(cè)頻率間的相位重合檢測(cè)脈沖的個(gè)數(shù)及缺失脈沖位置的記錄求得相應(yīng)的相位起伏，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)載頻單邊帶相位噪聲的測(cè)量。
　　5.完成了基于異頻信號(hào)間的相位群特征的相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)的

8、軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。給出了基于異頻信號(hào)間相位群特征的相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)的總體方案，完成了系統(tǒng)的參考頻率源模塊、DDS及晶體濾波模塊、相位重合檢測(cè)和門(mén)時(shí)產(chǎn)生及計(jì)數(shù)模塊等的功能設(shè)計(jì)與電路實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟件算法，對(duì)系統(tǒng)的性能作了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析。
　　6.探討了異頻信號(hào)間的相位群特征理論在時(shí)頻測(cè)控中的其它應(yīng)用。給出了基于精密移相的相檢寬帶測(cè)頻改進(jìn)方法，有效提高了參考和被測(cè)頻率呈倍數(shù)關(guān)系時(shí)的測(cè)量速度；給出了基于相位群同步的相位