[发明专利]一种宽频带的相位测量方法

说明书

本发明公开了一种宽频带的相位测量方法，包括对经过抗混叠滤波的参考信号和待测信号分别进行数字化；参考信号分别与第一数字控制振荡器生成的两路第一本振正交信号进行混频、滤波，求解参考信号的伪相位；待测信号经测频后进行频率估计得到第二数字控制振荡器用于生成两路第二本振正交信号的频率；待测信号分别与两路本振正交信号进行混频、滤波，求解待测信号的伪相位；根据参考信号伪相位和待测信号伪相位求解待测信号相对于参考信号的伪相位；修正和补偿伪相位，得到待测信号相对于参考信号的真实相位。本发明通过评估待测信号的频率自适应跟踪本振信号频率，有效解决了待测信号为大动态范围内相位的自适应测量问题。

技术领域

本发明涉及一种宽频带的相位测量方法，属计量校准技术领域。

背景技术

随着人类社会的发展，科技的进步，时间频率的重要性日益凸显，在国防、计量、国家重大工程以及国家的基础设施等领域发展中起到重要的支撑作用，而独立自主的时间频率关乎着国家安全和核心利益。高精度的时间频率已广泛应用到各个领域，包括空间技术领域，国家计量应用领域以及国家基础设施建设领域等。而高精度的相位比对测量技术是时间频率测量、保持和传递的基础，其测量水平直接影响着时间频率的应用能力。

目前，高精度的相位比对测量方法主要包括两大类：基于时间间隔计数器的相位比对测量方法和基于数字化的相位比对测量方法。其中基于时间间隔计数器的相位比对测量方法中包括：频率偏差倍增法、差拍法和双混频时差法。频率偏差倍增法是利用频率偏差倍增器将参考信号与待测信号之间的频率偏差倍增若干倍后，再用计数器测量放大后的频率偏差量，该方法可以提高测量分辨率。差拍法是通过混频滤波得到参考信号与待测信号之间的频率偏差，然后利用计数器测量该频率偏差信号的时间，该方法具有附加噪声少，测量精度高。双混频时差法采用两个差拍结构实现参考信号与待测信号之间相位测量，该方法使用了双平衡混频器和一个公共参考源，公共参考源为两个差拍结构提供参考源。由于两组对称的差拍结构受到相同的噪声影响，因此该方法具备抵消公共参考源相位噪声的能力，能够提高相位测量分辨率。这些方法都是将待测信号频率通过变频方式变换到低频率偏差拍信号，然后利用高速计数器统计差拍信号的周期数，最后根据周期数计算参考信号与待测信号之间的相位。这些方法的共性是确定待测信号的频率范围，然后通过设置特定功能电路实现参考信号与待测信号之间相位的测量计算。

基于数字化的相位比对测量方法是利用模数转换器将模拟参考信号和模拟待测信号分别进行数字化，然后通过算法计算参考源与待测源之间相位差。通常情况下用于数字化的相位比对测量方法包括：函数相关法、谱分析法和I-Q解调法。函数相关法是指通过利用测量参考源与待测源的互相关函数和自相关函数，直接求取参考源和待测源之间的相位差值。该方法可以有效抑制高斯白噪声，相位测量结果理论上与信号频率无关，采样点数越多，测量越准确。但对谐波信号等相关性较强的干扰，测相误差较大。谱分析法是利用对待测源及参考源的谱分析处理，依次提取器相位信息，再求相位差的方法。该方法可以有效抑制高斯白噪声与谐波的影响。目前，常用的谱分析法有FFT测相方法和全相位FFT测相方法(APFFT)。FFT测相方法存在频谱泄露现象，只有对信号进行正周期采样时，估计值与实际值相等。APFFT在整个频谱具有“相位不移性”，该方法测量相位值不需要添加任何辅助的矫正措施就能精确测量相位值。IQ解调法测量速度快，但直流信号受电流噪声的干扰很大，且噪声很难滤除，从而影响其相位测量精度。

可以看出，以上提到的相位比对测量方法均是针对待测信号频率相对固定的情况下，通过设置特定测量方案以及电路功能实现待测信号与参考信号之间的相位比对测量，不具备待测信号大动态范围内相位的自适应测量功能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种宽频带的相位测量方法，通过评估待测信号的频率自适应跟踪本振信号频率，从而增加待测信号输入频率动态范围；利用频率补偿技术实现相差测量结果中本振信号相位的干扰，最终实现待测信号与参考信号之间相位的比对测量。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种宽频带的相位测量方法，包括：