CN101458279B - 一种能提高精度的差拍法频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能提高精度的差拍法频率测量方法，技术特征在于：将待测量频率信号的实际频率值fx和作为参考频率信号的频率fr，分别输入差拍器的两个输入端，将将无间歇的两个采样周期的数据求互相关，然后将N个互相关函数值求均值，并利用均值求得相位变化量和待测信号频率偏差值的小数分量值，根据上述得到的数值确定待测信号频偏量；已知的待测频率信号标称值f与待测信号频偏量Δf之和即为待测频率信号的频率值fx。本发明提出能提高精度的差拍法频率测量方法，可以降低差拍器电路噪声对频率测量精度的影响，以及尽可能的降低构建测量系统的成本。

Description

一种能提高精度的差拍法频率测量方法

技术领域

本发明涉及一种能提高精度的差拍法频率测量方法，涉及精密频率测量领域，特别是差拍法频率测量精度改善的方法。

背景技术

差拍法频率测量是目前精密频率测量的主要手段之一，目前差拍法频率测量的主要流程是：将待测频率(fx)和有偏差的参考频率(fr)进行混频，经低通滤波器得到差拍频率，差拍频率是待测频率和参考频率的差值，差拍频率信号经滤波、放大整型后形成方波，由计数器测量方波频率。差拍法频率测量将高频测量转化为低频测量，测量精度提高了差拍因子倍(频率标称值和差拍频率之比)。

由于电路工艺水平的原因，差拍电路会产生噪声的影响。电路噪声涉及到元器件的选取、电路板级的设计、电路板的制作等。另外由于涉及电路工艺水平方面，国内工艺水平不如国外发达国家，所以同样的测量方法，利用国内的测量电路其测量精度仍达不到国际测量电路的测量精度。即使利用国外的测量电路，由于电路工艺的提高相对进展较慢，使得频率测量精度的提高也受其限制，所以目前精密频率的测量水平已经落后于原子钟能达到的精度水平。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种能提高精度的差拍法频率测量方法，可以降低差拍器电路噪声对频率测量精度的影响，以及尽可能的降低构建测量系统的成本。

技术方案

本发明的技术特征在于：将待测量频率信号的实际频率值fx和作为参考频率信号的频率fr，分别输入差拍器的两个输入端，采用以下方法对差拍器输出的信号进行处理，具体步骤如下：

步骤1：将差拍器输出的信号按照采样率N进行采样，得到N个数据组形成的一个采样周期

其中：

为待测信号的初始相位，g(n)是传输过程中的随机噪声，l(n)为均匀分布的白噪声，i取值为1～∞；将无间歇的两个采样周期的第一个采样周期的数据v_i(n)和第二个采样周期的数据v_i+1(n)求互相关，得到N个互相关函数 $R\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i\left(n\right)v_{i+1}(n+m),$ 式中m∈[0，N-1]的任意整数；所述的N的取值为100K～1M的任意整数；

步骤2：将N个互相关函数值求均值 $C=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}R\left(m\right),$ 并提取m＝0时的互相关函数值R(0)；

步骤3：计算相位变化量Φ＝±arccos(2(R(0)-C))，以得到待测信号频率偏差值的小数分量值f_dec＝Φ/2π；

步骤4：当f_T/2-|f_r-f|＜1时，待测信号的频偏量f_dec＝Δf；当f_T/2-|f_r-f|＞1，待测信号频偏量Δf＝[N(2kπ±arccos(2R(1)-C)-Φ)/2π]-f₀；其中所述的f为已知的待测频率信号的标称值，f_T为每一个采样周期中的信号波形翻转次数，f_T/2为fx与fr差值的粗测值， $R\left(1\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i\left(n\right)v_{i+1}(n+1);$

步骤5：已知的待测频率信号标称值f与待测信号频偏量Δf之和即为待测频率信号的频率值fx。

有益效果

本发明提出的能提高精度的差拍法频率测量方法，通过分析差拍信号每个周期的若干采样点(与采样率有关系，通常每个周期采样点在100个以上)计算频率，避免了单点测量可能造成的测量误差；测量精度在原电路噪声的情况下提高到10^-7/10⁷＝10^-14量级。

附图说明

图1：正弦波差拍器结构框图

图2：频率测量软件流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例的测量系统包括三部分：正弦波差拍器、数据采集设备和运行本发明测量方法的软件。

正弦波差拍器包括前置电路、鉴相器、低通滤波器和放大电路四部分，如附图1。测量信号和参考信号通过前置电路输入差拍器，正弦波差拍器对信号进行混频(由鉴相器实现混频功能)，低通滤波后得到差拍信号，信号需要进行放大和阻抗匹配处理，然后输出正弦型的差拍信号。

数据采集设备主要是由数据采集卡实现的，它包括模数转化器件和PCI接口、通信部分，选购的美国国家仪器公司(NI)的PCI接口的6122型数据采集卡。

频率测量系统软件是在LabWindows/CVI的平台上开发的软件，软件流程如图2所示。

现以测量标称值为f＝10MHz的待测频率为例实施本方法：

将待测量频率信号的实际频率值fx和作为参考频率信号的频率fr＝9.999999MHz分别输入差拍器的两个输入端，经过差拍器对信号进行混频、低通滤波后得到差拍信号，信号需要进行放大和阻抗匹配处理，然后输出正弦型的差拍信号；利用数据采集卡对输出信号进行采样，然后采用以下方法对差拍器输出的信号进行处理，具体步骤如下：

步骤1：将差拍器输出的信号按照采样率N＝100KHz进行采样，得到10×10⁴个数据组形成的一个采样周期v_i(n)，将无间歇的两个采样周期的第一个采样周期的100K个点的数据

和第二个采样周期的100K个点的数据

求互相关，得到100K个互相关函数 $R\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i\left(n\right)v_{i+1}(n+m),$ 式中m∈[0，100K-1]的任意整数；所述的N的取值为100K；

其中：为待测信号的初始相位，g(n)是传输过程中的随机噪声，l(n)为均匀分布的白噪声。在本方法中这些分量均被消除；

步骤2：将N个互相关函数值求均值 $C=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}R\left(m\right),$ 并提取m＝0时的互相关函数值R(0)；

步骤3：计算相位变化量Φ＝±arccos(2(R(0)-C))＝1.06193888E-5，以得到待测信号频率偏差值的小数分量值f_dec＝Φ/2π＝1.7E-6；

步骤4：当f_T/2-|f_r-f|＝1E-6＜＜1，待测信号的频偏量f_dec＝Δf＝1.7E-6；

步骤5：已知的待测频率信号标称值f与待测信号频偏量Δf之和即为待测频率信号的频率值fx＝10MHz+1.7E-6。

有上述实施例可以看出，差拍频率测量的主要特点是将高频测量转化为低频测量，将标称值为10MHz的待测频率和9.999999MHz的参考频率混频，产生1Hz的差拍频率，差拍因子10MHz/1Hz＝10⁷，用分辨率10^-8的计数器就可以将待测频率的测量精度提高到10^-8/10⁷＝10^-15。

虽然计数器能达到10^-8的精度，但最终测量系统的精度不能达到10^-15的精度，主要原因在于差拍器电路噪声的影响。差拍器差拍出方波信号，用计数器进行测量时，方波的过零点触发计数器进行频率测量，由于电路噪声的影响，限制测量系统的精度。以上面的例子为例，按照目前国内的工艺水平，差拍出1Hz方波的附加噪声约为10^-5，即使计数器测量精度达到10^-8，最后测量系统的测量精度也只在10^-5/10⁷＝10^-12量级。

本发明提出差拍数字频率测量方法正是为解决这个问题，差拍器差拍出正弦波，对正弦波采样，一个周期内可以采样若干点，利用多个点联合估计信号的频率，这样，变传统的单点触发为多点触发，使用多点把电路噪声进行有效平滑。还以上面例子为例，对1Hz正弦波进行10kH采样，即一个周期内采样10000个点，即使1Hz信号的电路噪声是10^-5，用10000个点平滑后电路噪声变为 ${10}^{-5}/\sqrt{10000}={10}^{-7},$ 测量精度在原电路噪声的情况下提高到10^-7/10⁷＝10^-14量级。虽然国内工艺水平落后于发达国家，但使用这样的方法也能达到国际上领先的测量水平。

可见，差拍数字频率测量方法可以在当前工艺水平条件下大幅度提高测量精度，并且测量结果便于使用计算机进行实时显示和保存，后端处理更加灵活。

传统差拍测量方法和差拍数字测量方法都需要差拍器，两者成本相当，但传统差拍测量系统需要一个计数器，计数器如sr620的价格超过3万人民币，而差拍数字测量方法中，只需要AD转化器和计算机，价格可以控制在1万元以下，可见，差拍数字测量方法的构建测量系统的成本要低。

Claims (1)

1.一种能提高精度的差拍频率测量方法，其特征在于将待测量频率信号的实际频率值fx和作为参考频率信号的频率fr，分别输入差拍器的两个输入端，采用以下方法对差拍器输出的信号进行处理，具体步骤如下：

步骤1：将差拍器输出的信号按照采样率N进行采样，得到N个数据组形成的一个采样周期

其中：

为待测信号的初始相位，g(n)是传输过程中的随机噪声，l(n)为均匀分布的白噪声，i取值为1～∞；将无间歇的两个采样周期的第一个采样周期的数据v_i(n)和第二个采样周期的数据v_i+1(n)求互相关，得到N个互相关函数

式中m∈[0，N-1]的任意整数；所述的N的取值为100K～1M的任意整数；

步骤2：将N个互相关函数值求均值

并提取m＝0时的互相关函数值R(0)；

步骤3：计算相位变化量Φ＝±arccos(2(R(0)-C))，以得到待测信号频率偏差值的小数分量值f_dec＝Φ/2π；

步骤4：当f_T/2-|f_r-f|＜1时，待测信号的频偏量Δf＝f_dec；当f_T/2-|f_r-f|＞1，待测信号频偏量Δf＝[N(2kπ±arccos(2R(1)-C)-Φ)/2π]-f₀；其中所述的f为已知的待测频率信号的标称值，f_T为每一个采样周期中的信号波形翻转次数，f_T/2为fx与fr差值的粗测值，

步骤5：已知的待测频率信号标称值f与待测信号频偏量Δf之和即为待测频率信号的频率值fx。

Images