一种基于频谱分析测量数字BPM采样时钟抖动的方法及装置与流程

本发明涉及一种基于频谱分析测量数字bpm采样时钟抖动的方法及装置，属于粒子加速器技术领域。

背景技术：

采样时钟的抖动会导致具有高速adc采样的系统的精确度下降，以数字bpm(束流位置测量器)为例，在利用数字bpm(束流位置测量器)对环形粒子加速器的束流位置进行测量时，需要用高速adc对环形加速器的束流信号进行采样，而高速adc采样时钟的抖动会在采样过程中造成干扰，影响采样的结果，从而降低数字bpm测量的精确度。

现有测量时钟抖动的方法有很多种：

(1)直接测量时钟周期的方法和利用直方图的方法，其对测试仪器的要求较高，成本也就很高。

(2)利用相干采样的方法测量时钟抖动，虽然思路简单，但是需要采样时钟与标定信号的频率是相干的，实现起来比较复杂。

现有的测量时钟抖动的方法没有针对数字bpm系统的，即现有方法不能很有针对性的适应于数字bpm系统中采样时钟抖动的测量。

技术实现要素：

针对现有方法中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于频谱分析测量数字bpm采样时钟抖动的方法及装置。

本发明的技术方案为：

一种基于频谱分析测量数字bpm采样时钟抖动的方法，其步骤包括：

对于待测时钟，将其输出的时钟信号作为数字bpm系统中adc的采样时钟信号，用adc对标定信号进行欠采样；其中，用f1表示所述标定信号的频率，用f2表示所述时钟信号的频率，f2<f1；

对采样数据进行fft变换，得到采样结果的频谱图；从所述频谱图中得到主频率的全宽(将主频率幅度的10％处对应的频谱宽度视作全宽)所对应的横坐标的最大值fa和最小值fb；

利用本发明推导出的公式计算出所述时钟信号的时钟抖动δt；

其中，m、n的取值为满足的最小非负整数值。

进一步的，根据本发明推导出的公式计算得到抖动占采样周期的百分比t％

进一步的，根据本发明推导出的公式计算得到抖动占采样频率的百分比f％。

进一步的，所述标定信号为一标准正弦信号；所述采样时钟信号为一方波信号。

进一步的，采用一高精度的信号发生器产生所述标定信号；所述信号发生器的相位噪声不大于-135dbc/hz@20khz。

一种基于频谱分析测量数字bpm采样时钟抖动的装置，其特征在于，包括信号发生器、数字bpm系统的adc和数据处理单元；所述信号发生器的信号输出端口与adc的采样信号输入端口连接，待测时钟的时钟信号输出端与adc的采样时钟信号输入端连接；adc的采样信号输出端与所述数据处理单元连接；其中，

所述信号发生器用于产生一标定信号，f1为所述标定信号的频率，f2为所述待测时钟产生的时钟信号的频率，f2<f1；

所述数据处理单元，用于对采样数据进行fft变换，得到采样结果的频谱图；从所述频谱图中得到主频率的全宽所对应的横坐标的最大值fa和最小值fb；利用公式计算出所述时钟信号的时钟抖动δt；其中，m、n的取值为满足的最小非负整数值。

本发明阐述的测量数字bpm时钟抖动的方法不需要额外的专用测试仪器，只需要实验室常见的高精度信号发生器和数字bpm系统的adc和数据处理模块即可；而且本发明测试时钟抖动时，不需要采样时钟信号与标定信号是相干的。

本发明主要是基于数字bpm系统设计的，能够很好的应用于数字bpm采样时钟抖动的测量，同时，也适用于用到高速adc采样的系统的采样时钟抖动测量。

本发明用到了数字信号处理中欠采样的方法，用到了欠采样的公式：f3＝m*f1±n*f2，其中，f1是标定信号的频率，f2是采样频率，f3是采样结果的频率。

计算方法的推导

设标准正弦信号的频率为f1，adc采样的时钟频率为f2，采样结果的频率为f3。用采样时钟频率为f2的adc对频率为f1的标准正弦信号进行采样，并且使f1>f2，满足欠采样，则采样结果的频率f3同样满足欠采样的公式，如式(1)所示：

f3＝m*f1±n*f2(1)

欠采样完成后对采样结果做fft分析，如图1所示，设频谱图里主频率全宽(主频率幅度的10％所对应的频谱宽度)所对应的横坐标的最大值为fa，最小值为fb，即全宽w＝fa-fb。

在adc理想的情况下，如果adc的采样时钟无抖动，则在频谱图上体现为主频率不存在边带，全宽接近为零，即：

fa＝fb＝f3

但由于实际adc的采样时钟存在抖动，则在频谱图上主频率的全宽不为零，即：

fa>f3>fb

采样结果的全宽主要是由时钟抖动造成的，主频率的边带值产生的原因是时钟抖动使采样过程中混入了其它频率，这部分边带频率也是在欠采样过程中产生的，也符合欠采样的公式，因此：

fa＝m*f1±n*(f2+fa’)(2)

fb＝m*f1±n*(f2+fb’)(3)

为了方便计算，取

fa＝m*f1-n*(f2+fa’)

fb＝m*f1-n*(f2+fb’)

此时，可以得到：

其中，fa’和fb’为实际周期由于时钟抖动产生的变化量反映在频率上的误差量，由于fa>f3>fb，因此：

m*f1-n*(f2+fa’)>m*f1-n*f2>m*f1-n*(f2+fb’)

对上式求解，可以得到fa’<0，fb’>0，所以，fa’是使实际频率变小而实际周期变大的误差量，fb’是使实际频率变大而实际周期变小的误差量。

如图2所示，使采样时钟信号的实际周期变大和变小的误差量δta和δtb分别可由式(6)和式(7)表示出来。

实际的时钟抖动量δt为δta与δtb的代数和，由于δta>0，δtb<0，所以，实际时钟的总抖动δt可由式(8)求出。

δt＝δta-δtb(8)

把式(4)、式(5)、式(6)和式(7)带入式(8)中，可以得到时钟的总抖动δt的计算公式。

δt＝δta-δtb

抖动占采样周期的百分比t％为：

抖动占采样频率的百分比f％为：

综上，时钟的总抖动δt、抖动在采样周期中所占的百分比t％和抖动占采样频率的百分比f％的计算公式分别为式(9)、式(10)和式(11)所示：

其中，f2是采样频率，fa和fb的值可以从频谱图中得到，m和n是与第一nyquist(奈奎斯特)区间的主频率唯一对应的一对参数，m和n取满足下式的最小非负整数值：

与现有技术相比，本发明的积极效果

本发明设计了一种成本低、操作简单、能快速的测量数字bpm的采样时钟抖动的方法，推导了一种计算采样时钟抖动量的公式，从而在实际测量中利用一个简洁的公式便可以快速的得到数字bpm采样时钟信号的抖动量，从而为评价采样时钟性能的好坏提供依据，并且可以为硬件设计的升级以及减小采样时钟的抖动提供参考。

本发明具有操作简单、快速、所需设备少和分析方法简单的优点，测量数字bpm采样时钟的抖动时，不需要改变数字bpm的硬件设计，也不需要专门的测量电路，利用数字bpm现有的硬件条件就可以完成测量，只需要一台实验室常见的高精度信号发生器(相位噪声不大于-135dbc/hz@20khz)配合即可，并且在采样时钟和采样信号不相干时也可以完成测量。

附图说明

图1为采样结果的频谱示意图；

图2为采样时钟信号产生的抖动示意图；

图3为实际测量时钟抖动的装置图；

图4为本发明的操作流程图。

具体实施方式

为了更好的阐述本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

本发明实际测量抖动的装置如图3所示，由待测时钟电路、高精度的信号发生器、高速adc、fpga和一台pc机组成。高精度信号发生器的信号输出端口与adc的采样信号输入端口连接，即把高精度信号发生器产生的标准正弦信号传输给adc的采样端口进行采样。

如图4所示，具体的操作步骤如下：

(1)选取一台高精度的信号发生器(相位噪声不大于-135dbc/hz@20khz)，用此信号发生器产生频率为f1的标准正弦波，作为被测的标定信号。

(2)使需要测量时钟抖动的时钟输出频率为f2(f2<f1)的方波，并且输入给adc的采样时钟端口，作为adc的采样时钟信号。

(3)用数字bpm的adc对步骤(1)中高精度的信号发生器产生的正弦信号进行采样。

(4)将采样完成的数据传输到pc机上，然后再导入matlab或其它软件中进行fft变换，从而可以得到采样结果的频谱图，从频谱图中得到主频率的全宽(主频率幅度的10％所对应的频谱宽度)所对应的横坐标的最大值fa和最小值fb。

(5)利用公式(9)、(10)和(11)分别计算出时钟的抖动δt、抖动占样采样周期的百分比t％和抖动占采样频率的百分比f％。

(6)测量完成。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。