專利名稱：一種能提高精度的差拍法頻率測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能提高精度的差拍法頻率測量方汰，涉及精密頻率測量領域，特 別是差拍法頻率測量精度改善的方法。
背景技術：
差拍法頻率測量是目前精密頻率測量的主要手段之一，目前差拍法頻率測量的主 要流程是將待測頻率(fx)和有偏差的參考頻率(fr)進行混頻，經(jīng)低通濾波器得到
差拍頻率，差拍頻率是待測頻率和參考頻率的差值，差拍頻率信號經(jīng)濾波、放大整型 后形成方波，由計數(shù)器測量方波頻率。差拍法頻率測量將高頻測量轉化為低頻測量， 測量精度提高了差拍因子倍(頻率標稱值和差拍頻率之比)。
由于電路工藝水平的原因，差拍電路會產(chǎn)生噪聲的影響。電路噪聲涉及到元器件 的選取、電路板級的設計、電路板的制作等。另外由于涉及電路工藝水平方面，國內 工藝水平不如國外發(fā)達國家，所以同樣的測量方法，利用國內的測量電路其測量精度 仍達不到國際測量電路的測量精度。即使利用國外的測量電路，由于電路工藝的提高 相對進展較慢，使得頻率測量精度的提高也受其限制，所以目前精密頻率的測量水平 已經(jīng)落后于原子鐘能達到的精度水平。

發(fā)明內容
要解決的技術問題
為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種能提高精度的差拍法頻率測量方 法，可以降低差拍器電路噪聲對頻率測量精度的影響，以及盡可能的降低構建測量系 統(tǒng)的成本。
技術方案本發(fā)明的技術特征在于將待測量頻率信號的實際頻率值fx和作為參考頻率信號
的頻率fr，分別輸入差拍器的兩個輸入端，采用以下方法對差拍器輸出的信號進行處 理，具體步驟如下
步驟l:將差拍器輸出的信號按照采樣率N進行采樣，得到N個數(shù)據(jù)組形成的一 個采樣周期v,(") = "in(2;rA^ ++ + /( )，其中p為待測信號的初始相位，
g(w)是傳輸過程中的隨機噪聲，/(n)為均勻分布的白噪聲，i取值為l oo;將無間歇 的兩個采樣周期的第一個采樣周期的數(shù)據(jù)和第二個采樣周期的數(shù)據(jù)v,+,(")求互相
關，得到N個互相關函數(shù)i (m)-Hiv,(")v,+,(" + m)，式中附e
的任意整數(shù)；
所述的N的取值為100K 1M的任意整數(shù)；
步驟2:將N個互相關函數(shù)值求均值C:丄l^(m)，并提取m = 0時的互相關函
數(shù)值i (0);
步驟3:計算相位變化量0^土arccos(2(i (0)-C)),以得到待測信號頻率偏差值的 小數(shù)分量值/^-0/2;r;
步驟4:當/,/2-|,-/|<1時，待測信號的頻偏量厶^A/;當/,/2-|,-/|>1， 待測信號頻偏量△/ = [V(2ibr ±arccos(2i (1)-C)-0>)/2;r]-/。；其中所述的f為已知的待測 頻率信號的標稱值，/,為每一個采樣周期中的信號波形翻轉次數(shù)，/,G為fx與fr差
值的粗測值，叩)=+ f！v,(")v,+,(" +1);
步驟5:已知的待測頻率信號標稱值f與待測信號頻偏量A/之和即為待測頻率信 號的頻率值fx。
有益效果本發(fā)明提出的能提高精度的差拍法頻率測量方法，通過分析差拍信號每個周期的 若干采樣點(與采樣率有關系，通常每個周期采樣點在100個以上)計算頻率，避免 了單點測量可能造成的測量誤差；測量精度在原電路噪聲的情況下提高到1(T7/107 =
10—14量級。


圖1:正弦波差拍器結構框圖 圖2:頻率測量軟件流程圖
具體實施例方式
現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述
本實施例的測量系統(tǒng)包括三部分正弦波差拍器、數(shù)據(jù)采集設備和運行本發(fā)明測 量方法的軟件。
正弦波差拍器包括前置電路、鑒相器、低通濾波器和放大電路四部分，如附圖l。 測量信號和參考信號通過前置電路輸入差拍器，正弦波差拍器對信號進行混頻(由鑒 相器實現(xiàn)混頻功能)，低通濾波后得到差拍信號，信號需要進行放大和阻抗匹配處理， 然后輸出正弦型的差拍信號。
數(shù)據(jù)采集設備主要是由數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)的，它包括模數(shù)轉化器件和PCI接口、通 信部分，選購的美國國家儀器公司(NI)的PCI接口的6122型數(shù)據(jù)采集卡。
頻率測量系統(tǒng)軟件是在LabWindows/CVI的平臺上開發(fā)的軟件，軟件流程如圖2 所示。
現(xiàn)以測量標稱值為f-10MHz的待測頻率為例實施本方法
將待測量頻率信號的實際頻率值fx和作為參考頻率信號的頻率fr=9.999999MHz 分別輸入差拍器的兩個輸入端，經(jīng)過差拍器對信號進行混頻、低通濾波后得到差拍信號，信號需要進行放大和阻抗匹配處理，然后輸出正弦型的差拍信號；利用數(shù)據(jù)采集 卡對輸出信號進行采樣，然后采用以下方法對差拍器輸出的信號進行處理，具體步驟 如下
步驟l:將差拍器輸出的信號按照采樣率N400KHz進行采樣，得到10X1()A個 數(shù)據(jù)組形成的一個采樣周期v,(n)，將無間歇的兩個采樣周期的第一個采樣周期的100K
個點的數(shù)據(jù)^(") = "!11(2;7^^^ + ^) + ^(") + /(^)和第二個采樣周期的IOOK個點的數(shù) 據(jù)1;,+1(") = ^11(2冗^^" + ^+|) +《(")+ /(")求互相關，得到100K個互相關函數(shù)
/ (m) = l§V,(")v,+l(" + m)，式中me
的任意整數(shù)；所述的N的取值為100K;
其中^為待測信號的初始相位，g(")是傳輸過程中的隨機噪聲，/(")為均勻分布 的白噪聲。在本方法中這些分量均被消除；
步驟2:將N個互相關函數(shù)值求均值C-丄l^(m)，并提取m二O時的互相關 函數(shù)值及(O);
步驟3:計,相位變化量0^士arccos(2(7 (0)-C)) = 1.06193888￡-5 ，以得到待測 信號頻率偏差值的小數(shù)分量值=。/2" = 1.7￡-6 ;
步驟4:當/7./2-= 6<<1，待測信號的頻偏量/*=4/ = 1.7￡-6; 步驟5:已知的待測頻率信號標稱值f與待測信號頻偏量A/之和即為待測頻率 信號的頻率值fx=10MHz+1.7E-6。
有上述實施例可以看出，差拍頻率測量的主要特點是將高頻測量轉化為低頻測 量，將標稱值為10MHz的待測頻率和9.999999MHz的參考頻率混頻，產(chǎn)生1Hz的差 拍頻率，差拍因子10MHz/lHz=107，用分辨率10—8的計數(shù)器就可以將待測頻率的測量精度提高到10—8/107=10一15。
雖然計數(shù)器能達到10—8的精度，但最終測量系統(tǒng)的精度不能達到10—15的精度，
主要原因在于差拍器電路噪聲的影響。差拍器差拍出方波信號，用計數(shù)器進行測量時， 方波的過零點觸發(fā)計數(shù)器進行頻率測量，由于電路噪聲的影響，限制測量系統(tǒng)的精度。
以上面的例子為例，按照目前國內的工藝水平，差拍出1Hz方波的附加噪聲約為10一5， 即使計數(shù)器測量精度達到10—s，最后測量系統(tǒng)的測量精度也只在10—5/107=10—12量級。 本發(fā)明提出差拍數(shù)字頻率測量方法正是為解決這個問題，差拍器差拍出正弦波， 對正弦波采樣， 一個周期內可以采樣若干點，利用多個點聯(lián)合估計信號的頻率，這樣， 變傳統(tǒng)的單點觸發(fā)為多點觸發(fā)，使用多點把電路噪聲進行有效平滑。還以上面例子為 例，對1Hz正弦波進行10kH采樣，即一個周期內采樣10000個點，即使lHz信號的
電路噪聲是i0—5，用10000個點平滑后電路噪聲變?yōu)?()—5/VI^ = 1{r7，測量精度在
原電路噪聲的情況下提高到10—7/107=10—"量級。雖然國內工藝水平落后于發(fā)達國家， 但使用這樣的方法也能達到國際上領先的測量水平。
可見，差拍數(shù)字頻率測量方法可以在當前工藝水平條件下大幅度提高測量精度， 并且測量結果便于使用計算機進行實時顯示和保存，后端處理更加靈活。
傳統(tǒng)差拍測量方法和差拍數(shù)字測量方法都需要差拍器，兩者成本相當，但傳統(tǒng)差 拍測量系統(tǒng)需要一個計數(shù)器，計數(shù)器如sr620的價格超過3萬人民幣，而差拍數(shù)字測 量方法中，只需要AD轉化器和計算機，價格可以控制在1萬元以下，可見，差拍數(shù) 字測量方法的構建測量系統(tǒng)的成本要低。
權利要求
1. 一種能提高精度的差拍頻率測量方法，其特征在于將待測量頻率信號的實際頻率值fx和作為參考頻率信號的頻率fr，分別輸入差拍器的兩個輸入端，采用以下方法對差拍器輸出的信號進行處理，具體步驟如下步驟1將差拍器輸出的信號按照采樣率N進行采樣，得到N個數(shù)據(jù)組形成的一個采樣周期其中為待測信號的初始相位，g(n)是傳輸過程中的隨機噪聲，l(n)為均勻分布的白噪聲，i取值為1～∞；將無間歇的兩個采樣周期的第一個采樣周期的數(shù)據(jù)vi(n)和第二個采樣周期的數(shù)據(jù)vi+1(n)求互相關，得到N個互相關函數(shù)式中m∈
的任意整數(shù)；所述的N的取值為100K～1M的任意整數(shù)；步驟2將N個互相關函數(shù)值求均值并提取m＝0時的互相關函數(shù)值R(0)；步驟3計算相位變化量Φ＝±arccos(2(R(0)-C))，以得到待測信號頻率偏差值的小數(shù)分量值fdec＝Φ/2π；步驟4當fT/2-|fr-f|<1時，待測信號的頻偏量fdec＝Δf；當fT/2-|fr-f|>1，待測信號頻偏量Δf＝[N(2kπ±arccos(2R(1)-C)-Φ)/2π]-f0；其中所述的f為已知的待測頻率信號的標稱值，fT為每一個采樣周期中的信號波形翻轉次數(shù)，fT/2為fx與fr差值的粗測值，步驟5已知的待測頻率信號標稱值f與待測信號頻偏量Δf之和即為待測頻率信號的頻率值fx。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能提高精度的差拍法頻率測量方法，技術特征在于將待測量頻率信號的實際頻率值fx和作為參考頻率信號的頻率fr，分別輸入差拍器的兩個輸入端，將將無間歇的兩個采樣周期的數(shù)據(jù)求互相關，然后將N個互相關函數(shù)值求均值，并利用均值求得相位變化量和待測信號頻率偏差值的小數(shù)分量值，根據(jù)上述得到的數(shù)值確定待測信號頻偏量；已知的待測頻率信號標稱值f與待測信號頻偏量Δf之和即為待測頻率信號的頻率值fx。本發(fā)明提出能提高精度的差拍法頻率測量方法，可以降低差拍器電路噪聲對頻率測量精度的影響，以及盡可能的降低構建測量系統(tǒng)的成本。
文檔編號G01R23/14GK101458279SQ200810232619
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權日2008年12月9日
發(fā)明者婭 劉, 張慧君, 徐新生, 李孝輝, 王文利 申請人:中國科學院國家授時中心