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《中国科学院研究生院(国家授时中心)》 2010年
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多通道数字化频率测量方法研究与实现

刘娅  
【摘要】:高精度频率源的测量常采用双混频时差测量法,先对信号混频然后过零检测,过零点触发计数器测量,如果过零点受噪声污染将导致测量出现误差。该方法对噪声敏感的特性限制了其测量精度的提高,目前改善噪声主要依靠器件噪声的降低,发展较为缓慢,也因此有公司声称:目前基于双混频时差法测量的精度已经没有上升空间了。本文通过研究认为,基于双平衡混频原理,利用本文提出的数字化频率测量方法可以有效解决上述问题,研制出高精度的频率测量系统,同时还可以结合虚拟仪器技术丰富仪器功能,完善仪器自动化水平,提高仪器可用度。 本文围绕高精度的频率测量及噪声处理方法展开研究,紧密结合用户的实际需求展开理论分析和工程实现工作,提出多通道数字化测频方法,并研制出多通道数字化频率稳定度分析仪样机,测量10MHz信号的Allan方差优于4.7e-14(Tau=1s),当Tau=1000s时,Allan方差为1.04e-15。作者所做的工作及主要成果如下: 研究分析国内外现有测频设备及主流的测频方法,发现当前设备降低系统本底噪声的瓶颈在于单点过零检测对噪声较为敏感,而测频设备的差拍器、检测器等器件噪声都可能叠加到过零点,导致对过零点的误判,引起测量误差。为解决上述问题,本文提出了多通道数字化的频率高精度测量方法,该方法的核心包括“数字化”和“多通道”。“数字化”使测频系统的研制不再专注于如何使过零点叠加更少的噪声,尽管这也很重要,而是努力使测量噪声对测量结果的影响变小。首先通过混频将待测信号转换为低频的差拍信号,然后利用模数转换设备以高采样率对差拍信号采样,最后运用数字分析方法测量频率。该方法测量频率不仅使用单个过零点,而且使用所有差拍信号的N个采样点,因此任意一个点(包括过零点)叠加噪声对最终测量结果的影响较单点过零检测能降低1/N倍,这是本方法在目前工艺水平下提高频率测量精度的主要原因。“多通道”是性能和功能的双重需求:令某一通道为校准通道,可用于改善系统误差,保障测量性能;而多通道还可以满足多个源的同时测量需求,丰富了仪器功能。 从理论上详细分析了本文提出方法的主要误差原因,包括频率偏差源噪声、量化误差、正弦差拍信号失真对测频精度的影响,提出误差校准方法,并通过大量实验验证误差校准方法的有效性。 在对本文提出的方法进行充分理论研究基础上,研制实现了多通道数字化频率稳定度分析仪样机,攻克了多项关键技术: a)频率高精度数字估计技术; b)多通道差拍信号产生技术; c)系统误差的校准技术; d)稳定度实时在线分析技术和数据采集完整性技术; e)系统电磁环境优化。 最后为了评估研制系统的本底噪声性能及各项功能指标,设计并构建了高精度的仪器性能指标评估平台,在对平台自身的检测能力进行了充分的分析评估后,基于该平台完成了对仪器性能和功能的综合检验。另外还将本文研制的系统与Symmetricom公司的MMS、国家授时中心早期研制的DMTD进行了综合比较实验,实验结果表明基于本文提出方法实现的系统本底噪声、测量准确度等指标均更具优势。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(国家授时中心)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM935.1

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