[发明专利]基于高精度相频分析的频率稳定度测量方法以及系统

说明书

本发明公开了一种基于高精度相频分析的频率稳定度测量方法以及系统，该测量方法采用全数字式实现方案，使用多通道高速ADC直接对待测频率源和参考信号源的模拟频率信号执行采样和数字化处理，随后利用数字正交下变频技术实现双混频测量，进而通过高精度相频分析、相位差分计算和频率差分计算得到高精度的频率差分测量序列，计算重叠阿伦方差，从而得到待测频率源的频率稳定度测量。所提出的测量方法避免了模拟和半数字实现方案的设计难度大、开发周期长等缺点；采用高精度相频分析算法相对于目前的数字鉴相器测量方法，降低了对测量系统ADC器件的量化分辨率的要求，降低了硬件成本，并提供了采用更高速率ADC器件以提高系统可测量频率范围的能力。

技术领域

本发明涉及一种基于高精度相频分析的频率稳定度测量方法以及系统，属于电子测量技术领域。

背景技术

高稳定频率信号源，如高稳定晶体振荡器、原子钟等，被广泛地应用于航空航天、导航定位、国防军事、通信等诸多领域。频率稳定度是评价频率信号源性能的重要指标，反映了一段时间内频率源的输出频率值保持在一个数值的能力，通常使用阿伦方差进行定量描述。目前，晶体振荡器的秒级稳定度可达10^-12，原子钟的秒级稳定度可达10^-15，因此，研究高精度的频率稳定度测量方法是十分重要的。

目前测量精度最高的频率稳定度测量方法是双混频测量法。实现双混频测量法可采用模拟实现方案、半数字实现方案和全数字式实现方案。模拟和半数字实现方案通过模拟电路实现双混频，前者通常利用时间间隔计数器直接对模拟差频信号进行相位测量；后者使用中低速模数转换器(ADC)对模拟差频信号采样和数字化得到数字差频信号，进而使用数字信号处理方法实现相频测量。全数字式实现方案使用高速ADC直接对被测源和参考源的模拟频率信号执行采样和数字化处理，通过数字下变频技术产生数字差频信号，随后通过数字信号处理方法完成相频测量，最常用的方法是数字鉴相器测相法。目前，绝大部分测量方法采用模拟或半数字实现方案，严重地依赖于模拟器件与电路的性能。当待测频率源稳定度高(如原子钟)，尤其需要同时测量多个待测源的频率稳定度时，必须制作多个高性能且尽可能一致的模拟下变频模块，研发难度大、周期长。全数字式实现方案通过多通道ADC将待测的模拟信号同步地转换为数字信号，再通过数字下变频技术实现双混频测量法，不仅避免了设计高性能模拟电路的困难，还能够快速地扩展出性能稳定且完全一致的多个测量通道。然而，目前最常用的数字鉴相器测相法的测量结果受ADC的量化误差影响严重，要求测量系统硬件采用的ADC芯片的量化分辨率不低于12位，导致系统难以使用采样频率较高的ADC芯片，限制了系统的可测频率范围，无法测量频率信号源输出的甚高频频段信号(如原子钟输出的100MHz信号)。此外，数字鉴相器输出的相位测量结果序列还必须经过解卷绕、滤波、数据拟合等多种数据处理方法后，才能提供足够高的测量精度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题和缺点，本发明提供一种基于高精度相频分析的频率稳定度测量方法以及系统。该测量方法采用全数字式实现方案，使用多通道高速ADC直接对待测频率源和参考信号源的模拟频率信号执行采样和数字化处理，随后利用数字正交下变频技术实现双混频测量，进而通过高精度相频分析、相位差分计算和频率差分计算得到高精度的频率差分测量序列，计算重叠阿伦方差，从而得到待测频率源的频率稳定度测量。所提出的测量方法避免了模拟和半数字实现方案的设计难度大、开发周期长等缺点；采用的FFT+CZT联合频谱放大算法相对于目前的数字鉴相器测量方法，降低了对测量系统ADC器件的量化分辨率的要求，降低了硬件成本，并提供了采用更高速率ADC器件以提高系统可测量频率范围的能力。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于高精度相频分析的频率稳定度测量方法，包括以下具体步骤：

S1.将待测模拟频率信号和参考模拟频率信号分别进行模数转换，得到两路数字采样信号；

S2.S1得到的两路数字采样信号分别进行数字正交下变频处理后，得到两路数字差频信号；