相位处理的概念更新及对任意频率的高分辨率测量与处理

2
• 需求：1、更宽的测量范围，2、频标技术的进步要求的更高的 测量分辨率 – 如直到飞秒，3、频率链接需要更多的途径，4、 现有设备的不足之处需要进步等。 • 5、数字化、精密频率源只有相位处理才能上新的台阶。
• 一些问题早被提出但是没有得到足够的重视。
一、相位处理的概念及更新
同频信号相位比对
西安电子科技大学
33
10MHZfrequency standard
用的主要是频率信号间以最大公因子频率、最小公倍数周期、量化相移分
辨率、等效鉴相频率频率及群周期等表征的相互相位关系。 最大公因子频率、最小公倍数周期、量化相移分辨率、等效鉴相频率频率
两异频信号之间的相位关系
4
一、相位处理的概念及更新
完全不同于常规信号间连续相位处理的周期群之间的群相位变化特征等。
可能影响到这方面的技术发展。利用任意频率信号间的周期群形成的群相位 差处理、相位干涉现象的捕捉、以及相位重合点的利用等，在射频范围内能
西安电子科技大学
26
4、基于相位群处理的频率链接技术
f equ
1 ABf max c Tequ
常常遇到的射频段的频率信号之间的相位量子化步进值会小
到皮秒、飞秒甚至亚飞秒，也就是对应的2个射频信号之间 的等效检相频率可以进入微波段以及光频段。这也为不同频 段信号间基于相位群处理的频率信号之间的精密链接提供了 基础。
捕捉和利用的关键现象就是相位的群同步现象。相位群同步的表现是信号 间实现的稳定不变的最小公倍数周期，也就是信号间呈严格的分、倍数关
系或者整数比例关系。测量中的相位群同步的捕获，有利于实现严格的多
周期、多周相的同步测量，大幅度地提高测量分辨率。在频率控制及复杂 PLL的构成中，实际上传统的方法也被动的实现了相位群同步。只是从高 精度的角度来看，方法比较复杂和繁琐。但是采用相位群处理和群同步的 方法更能够获得高的精度并且实现的途径也更简单。
10.000000
10.000000 10.000000 10.000000 10.000000 10.000000
5.0001
5.001 10.000010 20.000010 100.00001 190.00001
1999.96
19996 99.9999 49.999975 9.999999 5.263
间具有明显的严格倍数关系时，就会发生这种群同步为依据的干涉现象实
现了频率上的链接。
西安电子科技大学
29
相位群同步
存在频差的相位群同步问题
西安电子科技大学
30
Count
f0
Shaping circuit
Phase coincidence detection
fx
Shaping circuit
Produce synchronous gate
西安电子科技大学
3
一、相位处理的概念及更新
在频率和时间测量、控制、锁相环电路及频率变换、相位噪
声测量以及原子频标中的信号处理中，提高精度、简化设备、
以及使得信号的处理更简洁是发展的方向。
传统的高分辨率处理方法是建立在信号连续相位（或者频率） 比对处理、频率的归一化等途径的基础上。注意测量中典型的 自校隐含的精度。
5.3×10-13
τ = 1s
2.1×10-13
τ = 10s
1.5×10-13
表2 锁定后的振荡器相位噪声指标
1 Hz -110dBc
10 Hz -125dBc
100 Hz -140dBc
5
• 不可以无限制地扩大这个概念及效果、影响等。 • 即使是再明显的规律性，也有一个上限限制。 • 相位处理的潜力能够被进一步地挖掘，但是其中的问题分析要 深入。不可能在原始的技术框架下异想天开地有任意的高精度 。 • 其缺陷在于：分辨率随着信号间的频率关系变化而变化，测量 的闸门以及响应时间也不一定很规范，除非采取一些辅助技术 。
Data processing
Count
相位重合检测
西安电子科技大学
31
Reference gate
fx f0
Group phase coincidence点
Real gate
基于相位群同步的频率测量
西安电子科技大学
32
表1 自校实验结果
Frequencies (MHz)
T (fs)
f equ (GHz)
群与群之间的相位差变化的严格规律性特点。
f
2
f
1
T
minc
T
minc
任意频率信号间相位群同步
5
任意频率信号之间的相位差关系
群相位差是周期性变化的，平均
可以从0变化到360度；
ΔTequ是由两个频率的标称频率决 定的，是两个比对信号的相位差
f equ
1 ABf max c Tequ
频率信号之间的相位比对，利用的是周期性信号之间的规律性相位差变 化特点。在一个比对周期段，标称值相同的两个频率信号，相位差以一 定的量化单位连续变化 ； 标称值相同的两个信号具有相同的标称周期，实现了以单周期为刻度的 连续相位可比性，传统的相位比对只能在标称频率相同的情况下实现；
2
一、相位处理的概念及更新
同频信号相位比对存在的问题
在实际应用中，需要比对信号的标称频率值通常并不相同，如原子频标 线路，某些锁相电路等等，而附加的频率归一化无疑会增加线路的复杂 程度，同时也会导致相应的精度损失 ； 尤其是，在自然界中存在着大量的周期值不同的周期性的运动现象。它 们之间不可能像线路处理那样，经过变化后的相位处理。直接的相位处 理才能揭示大量有用的信息。 探讨任意频率信号的直接相位处理具有显著的科学意义和实际应用价值。
级以上的信号之间的比对和链接。在低频、射频以及微波频段已经有了
很好的实验结果。这是由于在这些频段，用线路处理的方法很容易得到 我们需要的结果。
西安电子科技大学
28

在低频、射频以及微波频段已经有了很好的实验结果。这是由于在这些频 精密频标信号之间的相位干涉现象以及干涉变动是对链接的指示。
段，用线路处理的方法很容易得到我们需要的结果。在频率很高的情况下，
500.01
50.01 10000.01 20000.01 100000.01 190000.01
1.33×10-11 8.56×10-11 1.26×10-12
1.83×10-10 7.95×10-10 1.65×10-11 2.73×10-12 7.17×10-12 3.07×10-13 7.37×10-13 1.27×10-12 8.24×10-14 2.65×10-14 3.95×10-13 9.66×10-15 9.16×10-15 1.37×10-14 6.38×10-15
变化的步长；
从时间的角度来说，Δf造成的群 相移平均周期就是ΔTequ，我们也
f T f0
称ΔTequ为群相移周期，fequ为群
相位差变化频率。
西安电子科技大学
12
任意频率信号间的相位处理只能是以其最小公倍数周期为处理周期进
行取样或者平均。采用的是群处理的方法。作为处理时的特征点和处理时
粗测
MCU
LCD
3
（1）自校实验
铯钟输出的10MHz信号作为本系统的频标，又作为被测信号。测量数 据如表1所示。 表1 自校实验结果 测得频率值（Hz） 频率稳定度σ(/s) 频率稳定度σ(/10s)
10000000.000002 ±3
7.1e-13
9.1e-14
3
（2）频率测量实验
铯钟铯钟输出的10MHz信号作为本系统的频标，分别对多种信号源产 生的信号进行测量，测得数据如表2所示。 表2 频率测量实验结果 fx 测得频率值（Hz）频率稳定度σ(/s) 频率稳定度σ(/10s)
16 384 000.5584 ±1
6.7e-12
6.6e-12
3.5e-12
3.4e-12
HP8662A合成 20 971 523Hz
20 971 523.5796 ±1
6.3e-12
3.2e-12
3
3、一般频率信号间相位噪声测量
3
锁相环电路中的直接相位比对结果
表1 锁定后的振荡器短期稳定度
τ=0.1s
相位处理的概念更新 对任意频率的高分辨率测量与处理 数字化、控制、频率源
周渭 西安电子科技大学
内容安排
一、相位处理的概念及更新 二、相位群处理和群同步及其应用 三、任意频率的高分辨率测量与处理
四、时间、相位和相位群同步的再认识
1
• 相位问题的重要性：高分辨率、比对的宽带性、数字化方面的 反映。 • 相位问题的规律性：相同标称频率、不同标称频率、连续的考 虑、间隔考虑 – 群的关系。 • 相位问题的新的认识：相位的连续性和断续性、在控制方面表 现出的稳定度1/τ的极限变化特性、相位控制和频率控制的重要 区别。 • 相位处理的数字化：边沿效应、复杂情况下的处理
脉冲填充方法的高精度测量可以采用新的相检宽带测频方法。
重合点移动检测相位处理方法分辨率恰恰就是两个信号之间的等效鉴相频
率的周期 Tequ 。
相位重合点检测线路的稳定Hale Waihona Puke Baidu和分辨率是问题的关键所在。
3
三、任意频率的高分辨率测量与处理
1、复杂频率信号间相位检测与控制
f1h
整形 D/A 相位重 合检测 门时形成
3
群相位比对方法 脉冲平均的方法：重合移动 脉冲填充的方法：任意频率信号应该以最小公倍数周期为平均时间，采 用周期群间的群相位平均。经过鉴相，利用电压平均采样，以若干个群 为一组，信号波形图如图所示。
周期群平均的脉冲平均输出波形
西安电子科技大学
14
U LPF
0
Tgroup
Tgroup
t
若干周期群脉冲平均输出的波形

in 1s

in 0.1s
in 10s
10.000000 10.000000
5.000001 5.00001
19.999996 199.9996
50000.01 5000.01
9.12×10-14 7.28×10-13 2.46×10-14 1.32×10-12 9.37×10-12 1.64×10-13
5

常常遇到的射频段的频率信号之间的相位量子化步进值会小到皮秒、飞 秒甚至亚飞秒，也就是对应的2个射频信号之间的等效检相频率可以进
入微波段以及光频段。这也为不同频段信号间基于相位群处理的频率信
号之间的精密链接提供了基础。

频率信号之间的精密链接使得频率差异很大的信号之间通过相位群同步
现象建立起严格的频率和相位的相关性并且消除掉额外的微小频差。相 位比对和处理具有宽带特性，甚至能够实现频率信号之间相差5个数量
2
一、相位处理的概念及更新
相位处理在所有的时频处理中具有最高的分辨率，在一系列新的概念的
支持下，更具有相当大的灵活性，同时具有宽带的特性。
不同频率周期信号间具有：
最大公因子频率 最小公倍数周期
量化相移分辨率 相位量子
等效鉴相频率
2
一、相位处理的概念及更新
频率信号除各自的周期性变化外，能够对鉴相、锁相及控制起重要作

在较低频率下以信号间的最小公倍数周期为取样间隔的典型的相位（时间 间隔）的比对，以及以最小公倍数周期为平均长度的所有相位差的数值的 平均，链接的结果是使得该相位差值的取样值或者平均值保持恒定。随着 频率的升高，可以采用仍然以信号间的最小公倍数周期作为采集效果的窗 口，垂直交叉扫描获得的稳定的网纹图形等表现出相位群同步的效果。这 时仍以干涉现象作为链接判断的依据。例如，当光路的变化和光的周期之
X72 10MHz铷 原子频标
Austron 1250A 的5MHz信号
10 000 000.0001 ±1
5 000 000.4731 ±1
7.3e-12
6.2e-12
8.7e-13
3.1e-12
HP8662A合成 12 800 000Hz
HP8662A合成 16 384 000Hz
12 800 000.5379 ±1
f2l
整形
门 1
计数器 CPU
门 2
计数器
显示
3
相位重合点的分布和计数闸门的产生
在绝对群相位重合点附近存在成千上万个相位重合点！
6
• 集中和离散模糊区
西安电子科技大学
18
西安电子科技大学
19
西安电子科技大学
20
2、超高分辨率的频率测量方案
10MHZ频标
整形电路
DDS
f0 相检测频
fx
fx
整形电路
够实现相同或者不同频率信号间的精密相位处理，往往能够在GHz到THz的
等效鉴相频率下获得ps甚至fs量级的测量和控制分辨率。这样的处理也能够 不受限制地推广到任意频率信号的情况。
二、相位群处理和群同步及其应用
将研究的范围扩大为以最小公倍数周期为重复比对参照，就能够发现相
位间的严格的规律性。将一个最小公倍数周期作为一个相位差比对群，将研 究的范围扩大的连续若干个最小公倍数周期组成的一个群组内，就能够发现