一种频标比对装置及方法与流程

本发明属于时间频率测量领域，涉及一种频标比对装置及方法，可用于原子频标的频率准确度和稳定度测量。

背景技术：

频标比对技术涉及到航空航天、导航定位、国防电子技术、通讯工程、电子仪器、天文和计量等众多精密时间和频率测控技术的领域，而且频率标准之间的比对技术是保证这些高新科技发展的基础技术。随着原子频标的研制和生产技术的日趋成熟，原子频标的频率准确度和稳定度稳步提高，制造成本不断降低，原子频标的应用范围也迅速扩大。为了能够更好、更广泛地发挥这些频标的作用，对高精度、高分辨率的频标比对技术的需求也越来越迫切。

传统的频标比对方法主要有以下几种：相位比对法、示波器法、频差倍增法、差频周期法和时差法等，其中频差倍增法、差频周期法、时差法和相位比对法都能获得较高的比对分辨率和比对精度。虽然相位比对法的比对分辨率较高，但是比对的响应时间太长，并且存在明显的测量死区和非线性区，只适合于长期指标的测量；频差倍增法的实现结构复杂，并且要用到大量倍频器、混频器和选频线路，附加噪声的来源也多，所以造价高而且比对分辨率的提高潜力有限；差频周期法也要用到低频混频器和低通滤波器等，会引入附加噪声，比对分辨率的提高都受限于混频器的噪声；时差法的实现结构也比较复杂，同样用到了多个混频器、低通滤波器和过零检测器，所以比对分辨率的提高也很受限。

传统的频标比对方法存在着比对分辨率低和比对响应时间较长等问题，在众多科技工作者的不懈努力下，研发出了一些比对分辨率较高，比对响应时间较短的频标比对方法。目前应用较为广泛的方法是双混频时差法。传统的双混频时差法，首先，利用频率合成器产生中介频率信号；其次，将中介频率信号分别与参考信号和被测信号送到两个双平衡混频器的输入端，并通过对输出信号进行低通滤波得到两路差频信号；接下来，对两个差频信号分别进行过零检测，并将检测结果分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门；然后，利用时间间隔计数器在计数闸门时间内，对参考信号计数，得到计数结果；最终，利用计数结果计算，得到频标比对结果。利用这种方法获得的频标比对结果，其分辨率取决于差频信号的频率与参考信号频率的比值，由于差频信号的频率远远小于参考频率，因此采用该方法获得的频标比对结果具有较高的比对分辨率，且由于该方法采用双混频的方式进行频差获取，因此该方法的比对响应时间也较短。但是这种方法有明显的缺陷，即采用了混频器、滤波电路和过零检测器等模拟器件，引入了大量的附加噪声，致使比对分辨率和比对精度的提高受到器件精度的制约。

近年来，许多科研工作者在传统的双混频时差法的基础上对其进行改进，提出了一些新的频标比对装置及方法。例如，王海2007年在名为“精密时频测量和控制技术研究”的博士论文中提出的一个基于等效鉴相频率的高分辨率频率标准比对器，该频标比对器中包括，用于产生中介频率信号的公共频率源；FPGA，包括两个相位重合检测模块、一个计数闸门生成模块、一个延迟控制模块和一个时间间隔计数模块，用于间接地对被测信号和参考信号进行相位重合检测，并将检测结果转换为时间间隔计数值；微处理器，用于计算频标比对的结果；LCD，用于显示频标比对的结果。该基于等效鉴相频率的高分辨率频率标准比对器使用FPGA获取参考信号和被测信号之间的相位重合点簇，在提高了频率比对分辨率和比对精度的同时，有效地缩短了频标比对的响应时间。但是由于该频标比对器直接利用得到的相位重合点簇作为计数闸门的开始信号和结束信号，会带来计数误差，从而给频标比对结果带来误差；该频标比对器的比对精度和比对分辨率过多地依赖于相位重合检测的精度，而相位重合检测由于其检测线路或器件实现能力的制约，难以达到很高的检测精度，并且致使难以进一步地提高频标比对的精度和分辨率。并且该频标比对器中采用了延时控制模块，致使比对的实时性还有待进一步的提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于FPGA的频标比对装置及方法，用于解决现有基于FPGA的频标比对装置及方法存在的比对精度不高和比对分辨率不高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种频标比对装置，包括频率合成模块、信号调理模块、相位重合检测模块、计数闸门产生模块、时间间隔计数模块和频标计算模块，其中：

频率合成模块，用于产生中介信号；

信号调理模块，包括参考信号调理电路、被测信号调理电路和中介信号调理电路，用于分别对参考信号、被测信号和中介信号进行滤波整形；

相位重合检测模块，包括第一相位重合检测模块和第二相位重合检测生成模块，用于对经过滤波整形的信号进行相位重合检测，并输出检测结果；

计数闸门产生模块，利用得到的相位重合检测结果产生计数闸门；

时间间隔计数模块，用于在输出的计数闸门内对频率为最大公因子频率整数倍的方波信号进行计数，并输出计数值；

频标计算模块，用于计算频标比对结果；

其特征在于：所述第一相位重合检测模块，包括第一相位重合点簇生成模块和第一相位重合点检测模块，所述第一相位重合点检测模块的输出端连接有第一相位重合点标定模块；所述第二相位重合检测模块，包括第二相位重合点簇生成模块和第二相位重合点检测模块，所述第二相位重合点检测模块的输出端连接有第二相位重合点标定模块；所述计数闸门产生模块包括第一计数闸门产生模块和第二计数闸门产生模块；所述时间间隔计数模块包括第一时间间隔计数模块和第二时间间隔计数模块。

上述第一相位重合点簇生成模块、第二相位重合点簇生成模块、第一相位重合点检测模块、第二相位重合点检测模块、第一计数闸门产生模块、第二计数闸门产生模块、第一时间间隔计数模块、第二时间间隔计数模块和频标计算模块均搭建在FPGA内部。

上述第一相位重合点标定模块和第二相位重合点标定模块，均包括一个依次相连的频率偏差器和ADC芯片；频率偏差器，用于产生频率为最大公因子频率整数倍的正弦信号；ADC芯片，用于对有效相位重合点进行标定。

上述ADC芯片，被相位重合点检测模块输出的有效相位重合点控制，对频率为最大公因子频率整数倍的正弦信号进行采样，从而完成对有效相位重合点的标定。

一种频标比对方法，包含以下步骤：

步骤1，利用参考信号，进行频率合成，得到中介信号；

步骤2，对参考信号、被测信号和中介信号分别进行信号调理，得到参考方波信号f_R、被测方波信号f_x和中介方波信号f₀；

步骤3，利用量化相移原理，对中介方波信号f₀分别与参考方波信号f_R和待测方波信号f_x进行相位重合检测，得到第一路相位重合点簇A和第二路相位重合点簇B；

步骤4，利用检测触发电路，对第一路相位重合点簇A中的每个相位重合点的有效性进行检测，判断这些相位重合点是否为有效，若是，输出有效的相位重合点C，若否，丢弃这些相位重合点；同时，对第二路相位重合点簇B中的每个相位重合点的有效性进行检测，判断这些相位重合点是否为有效，若是，输出有效的相位重合点D，若否，丢弃这些相位重合点；

步骤5，利用脉冲产生电路，将有效相位重合点C中两个相邻的有效相位重合点分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门Δt_C；同时，将有效相位重合点D中两个相邻的有效相位重合点分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门Δt_D；

步骤6，在输出的计数闸门Δt_C内，对频率为参考方波信号f_R与中介方波信号f₀的最大公因子频率f_maxc1的n_C倍的方波信号进行计数，得到计数值m_C；同时，在输出的计数闸门Δt_D内，对频率为被测方波信号f_x与中介方波信号f₀的最大公因子频率f_maxc2的n_D倍的方波信号进行计数，得到计数值m_D，其中n_C和n_D均为正整数；

步骤7，在进行步骤(6)的同时，对步骤(5)中作为计数闸门Δt_C的开始信号和结束信号的有效相位重合点进行标定，得到计数闸门Δt_C开始时刻对应的正弦信号幅度值V_{C_sta}，和其结束时刻对应的正弦信号幅度值V_{C_end}；同时，对步骤(5)中作为计数闸门Δt_D的开始信号和结束信号的有效相位重合点进行标定，得到计数闸门Δt_D开始时刻对应的正弦信号幅度值V_{D_sta}，和其结束时刻对应的正弦信号幅度值V_{D_end}；

步骤8，根据标定结果V_{C_sta}和V_{C_end}，利用反正弦公式计算计数值m_C的补偿值Δm_C；根据标定结果V_{D_sta}和V_{D_end}，利用反正弦公式计算计数值m_D的补偿值Δm_D；

步骤9，计算被测信号f_x与参考信号f_R间的相对频差，得到频标比对结果，计算公式为：

$\frac{\mathrm{\Δ}f}{f}=\frac{(m_D\×\mathrm{\Δ}T+{\mathrm{\Δm}}_D)}{T_{\min c2}}-\frac{(m_C\×\mathrm{\Δ}T+{\mathrm{\Δm}}_C)}{T_{\min c1}}$

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明由于在频标比对结果计算的过程中，利用时间间隔计数器得到的计数值和利用相位重合点标定模块得到的标定结果，同时参与计算，实现了对计数值的补偿和校准，与现有技术相比，大幅度地提高了频标比对的精度和分辨率。

2.本发明由于在产生计数闸门的过程中，利用相位重合点检测模块对得到的相位重合点簇中的相位重合点进行了有效性检测，并将检测结果作为开始信号和结束信号产生精度更高的计数闸门，与现有技术采用的直接利用相位重合点簇产生计数闸门的方法相比，有效地提高了频标比对的精度。

3.本发明由于在产生计数闸门的过程中，利用两路相位重合检测结果通过两个计数闸门产生模块分别产生两路独立的计数闸门，与现有技术中采用延迟控制模块控制一个计数闸门产生模块，根据两路相位重合检测结果产生一路计数闸门相比，在提高频标比对的精度的同时，有效地缩短了比对的响应时间，提高了比对响应的实时性。

附图说明

图1是本发明频标比对装置的整体结构示意图；

图2是本发明频标比对方法的实现流程框图；

图3是本发明进行有效相位重合点标定的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明：

参照图1，本发明的标比对装置，包括频率合成模块、信号调理模块、相位重合检测模块、计数闸门产生模块、时间间隔计数模块和频标计算模块。

频率合成模块，用于获取中介信号。为简化装置结构，降低成本，本实施例中，采用高精度、高稳定度的公共频率源代替频率合成器，进行中介信号的产生与获取。利用高稳定度的参考信号对所选公共频率源进行锁定，从而获取中介频率信号。从而使所获取的中介频率信号与参考信号具有相同的频率稳定度，但其频率与参考信号频率和被测信号频率均具有一定的差值。

信号调理模块，包括参考信号调理模块、被测信号调理模块和中介频率信号调理模块，用于分别对参考信号、被测信号和中介频率信号进行滤波整形。为了方便地进行相位重合检测，本实施例中先利用包含整形滤波电路的信号调理模块，对参考信号、被测信号和中介频率信号分别进行滤波整形，得到规整的方波信号。

相位重合检测模块，包括第一相位重合检测模块和第二相位重合检测生成模块，用于对两个经过滤波整形的信号进行相位重合检测，并输出检测结果。其中，第一相位重合检测模块，包括第一相位重合点簇生成模块和第一相位重合点检测模块；第一相位重合点簇生成模块，用于将中介方波信号分别与参考方波信号进行相位重合检测，得到第一路相位重合点簇A；第一相位重合点检测模块，用于对得到的第一路相位重合点簇A中的每一个相位重合点分别进行有效性检测，并输出检测得到的有效相位重合点C。其中，第二相位重合检测模块，包括第二相位重合点簇生成模块和第二相位重合点检测模块；第二相位重合点簇生成模块，用于将中介方波信号分别与被测方波信号进行相位重合检测，得到第二路相位重合点簇B；第二相位重合点检测模块，用于对得到的第二路相位重合点簇B中的每一个相位重合点分别进行有效性检测，并输出检测得到的有效相位重合点D。本实施例中在相位重合点簇产生模块之后，增加了相位重合点检测模块，用来对得到相位重合点簇中的每一个相位重合点进行有效性检测，从而进一步地提高相位重合检测结果的精确度。

计数闸门产生模块，包括第一计数闸门产生模块和第二计数闸门产生模块，第一计数闸门产生模块用于将有效相位重合点C中的两个相邻的有效相位重合点分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门Δt_C，同时，第二计数闸门产生模块用于将有效相位重合点D中的两个相邻的有效相位重合点分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门Δt_D。本实施例中利用两路相位重合检测结果，同时产生两个互相独立的计数闸门，避免了两路相位重合检测结果之间的互相干扰，提高了计数闸门的精度。在产生计数闸门的过程中，本实施例中不采用延迟控制模块对其进行干预，大大地缩短了比对的响应时间，提高了比对的实时性。

时间间隔计数模块，包括第一时间间隔计数模块和第二时间间隔计数模块，第一时间间隔计数模块用于在计数闸门Δt_C内，对中介方波信号进行计数，得到计数值m_C，同时，第二时间间隔计数模块用于在计数闸门Δt_D内，对中介方波信号进行计数，得到计数值m_D。

相位重合点标定模块，包括第一相位重合点标定模块和第二相位重合点标定模块。其中，第一相位重合点标定模块包含第一频率偏差产生器和第一ADC芯片；第一频率偏差产生器，用于产生频率为中介信号和参考信号的最大公因子频率f_maxc1整数倍的正弦信号；第一ADC芯片，用于对作为计数闸门Δt_C的开始信号和结束信号的有效相位重合点进行标定，得到标定结果V_{C_sta}和V_{C_end}，然后将标定结果送入频标计算模块；第二相位重合点标定模块包含第二频率偏差产生器和第二ADC芯片；第二频率偏差产生器，用于产生频率为中介信号和被测信号的最大公因子频率f_maxc2整数倍的正弦信号；第二ADC芯片，用于对作为计数闸门Δt_D的开始信号和结束信号的有效相位重合点进行标定，得到标定结果V_{D_sta}和V_{D_end}，然后将标定结果送入频标计算模块。本实施例中，频率为中介信号和参考信号的最大公因子频率f_maxc1整数倍的正弦信号和频率为中介信号和被测信号的最大公因子频率f_maxc2整数倍的正弦信号均为频率为中介信号频率的正弦信号。本实施例中对标定结果进行的计算主要是反正弦计算，得到有效相位重合点的检测时刻，从而对时间间隔计数模块得到的计数值进行补偿和校准，能够大大地提升频标比对的分辨率和精确度。

频标计算模块，利用输出的计数值和得到的标定结果，进行频标比对结果的计算。

本实施例中，上述的相位重合检测模块、计数闸门产生模块、时间间隔计数模块和频标计算模块，均搭建在FPGA内部。本实施例中FPGA选用Xilinx Virtex-6系列240T芯片，其价格比较便宜，且逻辑资源完全能满足要求。

参照图2，本发明的频标比对方法通过如下步骤实现：

步骤1.获取中介信号；

利用高稳定度的参考信号锁定频率合成器件，产生并获取中介信号。采用这种方式，获取到的中介信号与参考信号具有相同的频率稳定度，并且要求获取到的中介信号与参考信号和被测信号之间具有一定的频率差值。

步骤2.对参考信号、被测信号和得到的中介信号分别进行信号调理，得到对应的方波信号；

对参考信号、被测信号和得到的中介信号分别进行滤波整形，得到规整的参考方波信号f_R、被测方波信号f_x和中介方波信号f₀。

步骤3.对得到的中介方波信号f₀分别与得到的参考方波信号f_R和得到的被测方波信号f_x进行相位重合检测，得到相位重合检测结果；

利用量化相移原理，对得到的中介方波信号f₀分别与得到的参考方波信号f_R和得到的被测方波信号f_x进行相位重合检测，得到第一路相位重合点簇A和第二路相位重合点簇B。根据量化相移原理，在一个最小公倍数周期内，进行相位重合检测的两个信号之间应当只有一个相位重合点，但是，在实施过程中，由于受到相位重合检测电路实现能力的限制，得到的相位重合点是一簇一簇的。利用检测触发电路，对得到的第一路相位重合点簇A中的每个相位重合点的有效性进行检测，判断这些相位重合点是否为有效，即判断这些相位重合点能否触发检测触发电路，若能，检测触发电路产生输出信号，作为有效的相位重合点C，若否，检测触发电路便不会产生输出，从而使这些无效的相位重合点被丢弃；同时，对得到的第二路相位重合点簇B中的每个相位重合点的有效性进行检测，判断这些相位重合点是否为有效，即判断这些相位重合点能否触发检测触发电路，若能，检测触发电路产生输出信号，作为有效的相位重合点D，若否，检测触发电路便不会产生输出，从而使这些无效的相位重合点被丢弃。

步骤4.将相位重合检测结果转换为计数值，得到计数值；

利用脉冲产生电路，将有效相位重合点C中两个相邻的有效相位重合点分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门Δt_C；同时，将有效相位重合点D中两个相邻的有效相位重合点分别作为计数闸门的开始信号和结束信号，产生计数闸门Δt_D。在输出的计数闸门Δt_C内，对频率为参考方波信号f_R与中介方波信号f₀的最大公因子频率f_maxc1的n_C倍的方波信号进行计数，得到计数值m_C；同时，在输出的计数闸门Δt_D内，对频率为被测方波信号f_x与中介方波信号f₀的最大公因子频率f_maxc2的n_D倍的方波信号进行计数，得到计数值m_D，其中n_C和n_D均为正整数。

本实施例中，为了使计数对象的上升沿与计数闸门的上升沿重合，提高时间间隔计数模块计数值的精确度，使n_C的取值为f₀/f_maxc1,n_D的取值为f₀/f_maxc2，即频率为最大公因子频率f_maxc1的n_C倍的方波信号和频率为最大公因子频率f_maxc2的n_D倍的方波信号均为中介方波信号。

步骤5.对相位重合检测结果进行标定，得到标定结果；

在进行步骤4的同时，对得到的第一路相位重合检测结果进行标定，得到计数闸门Δt_C开始时刻对应的正弦信号幅度值V_{C_sta}，和其结束时刻对应的正弦信号幅度值V_{C_end}；同时，对得到的第二路相位重合检测结果进行标定，得到计数闸门Δt_D开始时刻对应的正弦信号幅度值V_{D_sta}，和其结束时刻对应的正弦信号幅度值V_{D_end}。本实施例的标定原理如图3所示。

步骤6.计算频标比对结果；

利用得到的计数值和标定结果，计算被测信号与参考信号间的相对频差，得到频标比对结果，计算公式为：

其中，Δm_C和Δm_D分别为计数值m_C和计数值m_D的补偿值，其计算公式分别为：

Δm_C＝Δk_C×ΔT ②

Δm_D＝Δk_D×ΔT ③

其中，Δk_C为作为计数闸门Δt_C开始信号和结束信号的有效相位重合点的检测时刻在相位重合点簇中的不一致量，Δk_D为作为计数闸门Δt_D开始信号和结束信号的有效相位重合点的检测时刻在相位重合点簇中的不一致量，T_x为参考方波信号f_x的周期，T₀为中介方波信号f₀的周期，T_R为参考方波信号f_R的周期。

将②、③带入公式①，可以得到：

$\frac{\mathrm{\Δ}f}{f}=\frac{(m_D+{\mathrm{\Δk}}_D)}{T_{\min c2}/\mathrm{\Δ}T}-\frac{(m_C+{\mathrm{\Δk}}_C)}{T_{\min c1}/\mathrm{\Δ}T}$

参照图3，本实施例中的比对精度取决于两路有效相位重合点的检测时刻在两路相位重合点簇中位置的不一致程度。为了能够得到这种不一致量，本实施例利用有效相位重合点的检测时刻在频率为最大公因子频率f_max的n倍的正弦信号上的标定来表示相应的有效相位重合点在其簇中的位置，从而得到这种不一致量。上述的标定通过对频率为最大公因子频率的n倍的正弦信号进行采样，得到有效相位重合点检测时刻对应的正弦信号幅度值而实现，然后，经过以反正弦公式为基础的必要计算，可以得到有效相位重合点的检测时刻在相位重合点簇中的不一致量Δk。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。