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時間間隔分析儀研究
時間間隔分析儀研究 、引言
隨著科學技術的進步,通信事業(yè)得到了飛速發(fā)展,信息的傳送也由模擬傳輸轉向數(shù)字傳輸,信息越來越多地作為數(shù)字脈沖之間的時間或相位的變化而傳送出去。這樣,對數(shù)字信號進行測量與分析,在現(xiàn)代通信中就顯得尤為重要。
以往,精確地測量幅度一直是許多傳統(tǒng)儀器的基礎,示波器、頻譜分析儀、功率計、電壓表均將模擬電壓作為它們的測量對象。甚至于測量幅度和相位的矢量分析儀,也是通過測量兩個模擬電壓值,即I和Q分量來導出測量結果。
這種利用模擬電壓來測量的儀器隨著現(xiàn)代調制方法的出現(xiàn)而陷入了困境。因為為了可靠地進行通信,現(xiàn)代調制方法更鐘情于頻率和相位調制的擴頻信號,而不希望用調幅信號,例如普通的FM、PM和脈寬調制以及現(xiàn)代的FSK、PSK和QPR。雷達為保證一定的作用距離及高距離分辨率,采|用Barker碼調制〈相位調制)和chirp調制(頻率調制)。在Q刷信號中,相位比幅度中包含更多的信息。上述這些信號的保真度是由頻率、相位和時間的準確性決定的,因而,有效、準確地測量頻率、相位和時間是對測試這類信號的專用儀器的最基本要求。
為此,提出了在調制域中對現(xiàn)代信號進行測試與分析,這樣在調制域中開發(fā)和研制測試儀器也就尤為重要,精密時間間隔分析儀正是在此種情況下研制和開發(fā)的。
2、時間間隔分析儀的基本原理
2.1相位數(shù)字化
相位數(shù)字化是采集、計算信號特定斜率的零點,丟棄幅度信息。由于數(shù)據(jù)是相位、頻率或時間形式,因此避免了三角函數(shù),取而代之的是如直線和拋物線等簡單函數(shù)。因此,即使是相當復雜的調制信號,分析起來也相當簡單。
相位數(shù)字化是由硬件記錄信號的周期數(shù)及與之對應的時間,由此進行處理得到測量結果。
考慮一個調制信號
其中φ(t)是單調遞增的,在正斜率的零點處進行采樣。第I個事件樣點ei和第I個時間樣點ti滿足簡單的數(shù)學關系:
式中ei為整數(shù),且ti有最小的最化值。
2.2時間間隔分析儀的基本原理
基于相位數(shù)字化方法,給出了圖1所示的時間間隔基本原理框圖,主要由三部分構成:輸入通道、測量硬件和微處理器系統(tǒng)。
輸入通道主要由阻抗變換電路、輸入開關陣列和電壓比較器組成,以完成輸入的模擬信號向成數(shù)字信號的轉換(相位數(shù)字化),另外它還可設置觸發(fā)電平、觸發(fā)的斜率以及完成阻抗匹配。
測量硬件主要由序列發(fā)生器、事件計數(shù)器、時基部分和存儲器系統(tǒng)四個部分組成。序列發(fā)生器將由輸入通道輸出的信號傳送給適當?shù)挠嫈?shù)器且為事件計數(shù)器和時基部分產(chǎn)生啟動信號和鎖存信號。啟動信號和鎖存信號要受輸入信號的組態(tài)、采樣間隔及其他的啟動限定條件的制約。測量硬件的輸入信號還有外部啟動輸入和外部標準時鐘輸入。另外,測量硬件還接收來自微處理器的對測量進行設置和控制的指令。
兩個事件計數(shù)器對序列發(fā)生器傳送來的事件信號計數(shù),它們能用來進行測量和產(chǎn)生啟動信號(如保持一定的事件數(shù)或一定的時間后啟動測量)。時基部分的作用就是為每一個鎖存的事件計數(shù)值建立時標,進而建立鎖存的計數(shù)值的時序關系,這樣頻率或時間間隔就能作為時間的函數(shù)進行處理。時基部分主要由時間計數(shù)器和內插器組成。時間計數(shù)器對時基時鐘計數(shù),內插器主要功能是量化事件鎖存信號和時間鎖存信號之間的時間間隔,提高時間的分辨率。
存儲器系統(tǒng)主要是有序地存儲事件計數(shù)值、時間計數(shù)值和內插器的數(shù)值,以此建立數(shù)據(jù)塊。該系統(tǒng)礎的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)以傾處理結系統(tǒng)進行處理或者可以通過VXI總統(tǒng)為外部主機提供原始數(shù)據(jù)。
測量硬件的主要功能是計事件數(shù)和在用戶定義的采樣期內測量第一個事件與最后一個事件之間的時間。這些信息在存儲器系統(tǒng)中被存儲起來,在完成數(shù)據(jù)獲取后進行處理。
微處理器系統(tǒng)主要作用是控制時間間隔分析儀的功能以及完成與VXI總線的通信。
3.主要關鍵技術
3.1無間隔測量技術
為解釋無間隔測量技術的優(yōu)點,我們使用對簡單的穩(wěn)態(tài)正弦信號(圖2)進行采樣來比較傳統(tǒng)的交互式計數(shù)器和無間隔計數(shù)器。
交互式計數(shù)器打開測量閘門,記錄事件計數(shù)和時間計數(shù),接著在事先設定的閘門時間(終止采樣)之后關閉測量閘門,再次記錄事件計數(shù)和時間計數(shù)(圖2)。測量在終止采樣點完成,使用下面的頻率估計方法來計算頻率。
交互計數(shù)器簡單地測量了在規(guī)定時間內有多少個信號周期出現(xiàn),測量閘門與被測信號同步。這就允許事件計數(shù)是一個整數(shù),測量誤差完全由量化時間計數(shù)過程中的誤差所引起。
頻率結果以數(shù)字形式呈現(xiàn)給用戶,另一次測量又開始了。很清楚的可以看到這種技術有固有的空載時間(dead-time),在此期間,信號的變化不能被包含在平均值中,空載時間標在圖2中。該過程出現(xiàn)時,不能進行測量。通常,不同次的測量的誤差也是互不相關的。
空載時間不僅中斷了對信號的測量,而且也破壞了閘門之間的時序關系。對空載時間的處理,可以使用另一個計數(shù)器來測量它,然而這種方法所產(chǎn)生的時間刻度并不是真正意義上的連續(xù),還存在著很小的時間碎片,這種系統(tǒng)誤差可以累積到一個很大的值。
重新回到圖2,可以看到無間隔計數(shù)器的測量是背靠背(back-to-back)進行且僅在最后一個測量值獲得后處理測量結果,而不是測量過程與處理過程交叉進行。這種背靠背的測量是無間隔測量的實質,一連串的無間隔測量值稱為一個數(shù)據(jù)塊,在一個數(shù)據(jù)塊內不可能丟失信號的任何信息。除了第一次和最后一次測量外,對于每一次的測量,第i次測量的起始采樣點與第i-1次的終止采樣點是同一個,結果就使得不同次測量的誤差總是相關的,這就提高了求平均的性能。在測量的塊之間無間隔計數(shù)器具有空載時間,在此期間,這些測量值被處理。
無間隔測量的頻率估值實際上是一連串的估計值,通過下式來計算,類似于傳統(tǒng)的估計方式:
信號的任何頻率不穩(wěn)定性被包括在該頻率估計數(shù)據(jù)中。對于穩(wěn)態(tài)信號,給定等效的測量次數(shù),無間隔測量的頻率估值也比傳統(tǒng)測量的估值更加精確,這是由于無間隔計數(shù)沒有空載時間。無間隔測量技術能夠求更多測量值的平均值,因此能給出單位時間內更高的頻率分辨率(數(shù)據(jù)位),該參數(shù)在大多數(shù)系統(tǒng)中是很重要的。
圖3給出了無間隔計數(shù)器的實現(xiàn)方案。
該方案中,第一個M位計數(shù)器是一個二進制編碼的同步計數(shù)器,并且?guī)в蠱位的數(shù)據(jù)第M位(最高有效位)用來驅動下一級的低速計數(shù)器,該計數(shù)器可以是脈動計數(shù)器或同步它也具有自己的數(shù)據(jù)鎖存器。
當讀命令有效時,它直接鎖存M位計數(shù)器的計數(shù)值。但是,它并不直接激活低速計委存器,而是和第M位觸發(fā)的單穩(wěn)產(chǎn)生的脈沖進行與運算。處在脈沖寬度內的讀命令無效,計數(shù)器的讀操作直到脈沖終止才有效。其它的讀命令立即激活第二個鎖存器。使用R-s自免重復鎖存第二個計數(shù)器。
由于第二個計數(shù)器是由第M位觸發(fā)的,因此在觸發(fā)之后將開始動作并且在適當?shù)臅r間穩(wěn)定下來。該計數(shù)器的讀操作將被延遲tr,所以設計了一個由第M位觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器,tI時間內的讀操作無效。單穩(wěn)觸發(fā)器的脈寬tp設計成大于穩(wěn)定時間小子信號最小輸入周倍,選擇滿足此條件的最小的M值。時間關系總結如下:
這里
tr=第二個計數(shù)器的穩(wěn)定時
tp=單穩(wěn)觸發(fā)器的脈寬
fsmax=最大采樣率
fmax =最大計數(shù)頻率
M=同步計數(shù)器的位數(shù)
最大計數(shù)速率不受第二個計數(shù)器的速度和位數(shù)影響,并且整個計數(shù)器能以標準二進制編碼動態(tài)讀取。只要采樣率低于1/tp,讀命令之后緊接的事件就能確保產(chǎn)生新的有效的讀操作。所允許的采樣率與輸入信號無關。
之所以稱它為無間隔計數(shù)器,是因為在讀取它時,計數(shù)器一直監(jiān)視信號而沒有空載時間存在。
3.2延遲內插技術
時間間用分聽儀使用起時內指法來提高時間間隔分辨率。如圖4所示,事件鎖存信號和時基同步產(chǎn)生時間鎖存信號,這兩個信號進入由N個D觸發(fā)器和N個延遲塊組成的延遲單元組,分成N個相等時間間隔步進級。每一級確定一個時間量化單位。
內插的實現(xiàn)過程:假定每一級延遲塊延遲時間為tps,當事件鎖存信號(上升沿)到來后,每隔Tbs,此上升沿通過一個延遲塊(這個延遲塊對應的延遲單元中D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端為邏輯‘1’),到達下一個延遲單元。時間鎖存信號作為所有延遲單元中D觸發(fā)器時鐘端,當時間鎖存信號(上升沿〉到來時,所有延遲單元中D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端狀態(tài)被鎖定,鎖定后D觸發(fā)器輸出邏輯‘1’的個數(shù)量化了兩個鎖存信號之間的時間間隔。觸發(fā)器輸出一種溫度計(thermometer)碼,該碼被轉換成二進制周同事件計數(shù)信和時間計數(shù)信一起在他在硝程系統(tǒng)中。量化過程中的時序關系如圖5所示。與其它時間-數(shù)字(time-digital)轉換器相比,這種內插技術的優(yōu)點在于:它的轉換率比較高,適用于實時測量系統(tǒng)中;另外,這種內插技術中不使用復雜的時間-幅度轉換電路,使得電路簡捷。
4、結論
相位數(shù)字化方法是捕捉和分析許多擴頻信號的有效方法。與幅度數(shù)字化相比,它更經(jīng)濟、準確,且能在寬的頻率范圍內對信號進行捕捉。本文提出的時間間隔分析儀原理框圖,方案合理可行,根據(jù)此原理已經(jīng)成功研制出了VXI總線時間間隔分析儀實用化模塊。無間隔測量方法的成功實現(xiàn),為測量頻率和時間間隔的變化提供了更為先進的測量手段,能夠有效地測量信號的時變特性。延遲內插技術成功在實現(xiàn)了微小時間間隔的測量,大大提高了測時分辨率;并且這種方法轉換率比較高,不使用復雜的時間-幅度轉換電路使得電路簡捷。
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