時間間隔分析儀研究

、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)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(chǔ)，示波器、頻譜分析儀、功率計(jì)、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(dǎo)出測量結(jié)果。
這種利用模擬電壓來測量的儀器隨著現(xiàn)代調(diào)制方法的出現(xiàn)而陷入了困境。因?yàn)闉榱丝煽康剡M(jìn)行通信，現(xiàn)代調(diào)制方法更鐘情于頻率和相位調(diào)制的擴(kuò)頻信號，而不希望用調(diào)幅信號，例如普通的FM、PM和脈寬調(diào)制以及現(xiàn)代的FSK、PSK和QPR。雷達(dá)為保證一定的作用距離及高距離分辨率，采|用Barker碼調(diào)制〈相位調(diào)制）和chirp調(diào)制（頻率調(diào)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(zhǔn)確性決定的，因而，有效、準(zhǔn)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(diào)制域中對現(xiàn)代信號進(jìn)行測試與分析，這樣在調(diào)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(jì)算信號特定斜率的零點(diǎn)，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(dāng)復(fù)雜的調(diào)制信號，分析起來也相當(dāng)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(yīng)的時間，由此進(jìn)行處理得到測量結(jié)果。
考慮一個調(diào)制信號

其中φ(t)是單調(diào)遞增的，在正斜率的零點(diǎn)處進(jìn)行采樣。第I個事件樣點(diǎn)ei和第I個時間樣點(diǎn)ti滿足簡單的數(shù)學(xué)關(guān)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(gòu)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(guān)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(zhuǎn)換（相位數(shù)字化），另外它還可設(shè)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(jì)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(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)器且為事件計(jì)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(biāo)準(zhǔn)時鐘輸入。另外，測量硬件還接收來自微處理器的對測量進(jìn)行設(shè)置和控制的指令。
兩個事件計(jì)數(shù)器對序列發(fā)生器傳送來的事件信號計(jì)數(shù)，它們能用來進(jìn)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(jì)數(shù)值建立時標(biāo)，進(jìn)而建立鎖存的計(jì)數(shù)值的時序關(guān)系，這樣頻率或時間間隔就能作為時間的函數(shù)進(jìn)行處理。時基部分主要由時間計(jì)數(shù)器和內(nèi)插器組成。時間計(jì)數(shù)器對時基時鐘計(jì)數(shù)，內(nèi)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(jì)數(shù)值、時間計(jì)數(shù)值和內(nèi)插器的數(shù)值，以此建立數(shù)據(jù)塊。該系統(tǒng)礎(chǔ)的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)以傾處理結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行處理或者可以通過VXI總統(tǒng)為外部主機(jī)提供原始數(shù)據(jù)。
測量硬件的主要功能是計(jì)事件數(shù)和在用戶定義的采樣期內(nèi)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(jìn)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(guān)鍵技術(shù)

3.1無間隔測量技術(shù)
為解釋無間隔測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，我們使用對簡單的穩(wěn)態(tài)正弦信號（圖2）進(jìn)行采樣來比較傳統(tǒng)的交互式計(jì)數(shù)器和無間隔計(jì)數(shù)器。
交互式計(jì)數(shù)器打開測量閘門，記錄事件計(jì)數(shù)和時間計(jì)數(shù)，接著在事先設(shè)定的閘門時間（終止采樣）之后關(guān)閉測量閘門，再次記錄事件計(jì)數(shù)和時間計(jì)數(shù)（圖2）。測量在終止采樣點(diǎn)完成，使用下面的頻率估計(jì)方法來計(jì)算頻率。
交互計(jì)數(shù)器簡單地測量了在規(guī)定時間內(nèi)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(jì)數(shù)是一個整數(shù)，測量誤差完全由量化時間計(jì)數(shù)過程中的誤差所引起。
頻率結(jié)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(shù)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(biāo)在圖2中。該過程出現(xiàn)時，不能進(jìn)行測量。通常，不同次的測量的誤差也是互不相關(guān)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(guān)系。對空載時間的處理，可以使用另一個計(jì)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(jì)數(shù)器的測量是背靠背（back-to-back）進(jìn)行且僅在最后一個測量值獲得后處理測量結(jié)果，而不是測量過程與處理過程交叉進(jìn)行。這種背靠背的測量是無間隔測量的實(shí)質(zhì)，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(nèi)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(diǎn)與第i-1次的終止采樣點(diǎn)是同一個，結(jié)果就使得不同次測量的誤差總是相關(guān)的，這就提高了求平均的性能。在測量的塊之間無間隔計(jì)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(shí)際上是一連串的估計(jì)值，通過下式來計(jì)算，類似于傳統(tǒng)的估計(jì)方式：
 
信號的任何頻率不穩(wěn)定性被包括在該頻率估計(jì)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(jì)數(shù)沒有空載時間。無間隔測量技術(shù)能夠求更多測量值的平均值，因此能給出單位時間內(nèi)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(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)方案。
 

該方案中，第一個M位計(jì)數(shù)器是一個二進(jìn)制編碼的同步計(jì)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(qū)動下一級的低速計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器可以是脈動計(jì)數(shù)器或同步它也具有自己的數(shù)據(jù)鎖存器。
當(dāng)讀命令有效時，它直接鎖存M位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。但是，它并不直接激活低速計(jì)委存器，而是和第M位觸發(fā)的單穩(wěn)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行與運(yùn)算。處在脈沖寬度內(nèi)的讀命令無效，計(jì)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(fù)鎖存第二個計(jì)數(shù)器。
由于第二個計(jì)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(dāng)?shù)臅r間穩(wěn)定下來。該計(jì)數(shù)器的讀操作將被延遲tr，所以設(shè)計(jì)了一個由第M位觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器，tI時間內(nèi)的讀操作無效。單穩(wěn)觸發(fā)器的脈寬tp設(shè)計(jì)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(guān)系總結(jié)如下：
 
這里
tr=第二個計(jì)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(jì)數(shù)頻率
M=同步計(jì)數(shù)器的位數(shù)
最大計(jì)數(shù)速率不受第二個計(jì)數(shù)器的速度和位數(shù)影響，并且整個計(jì)數(shù)器能以標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)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(guān)。
之所以稱它為無間隔計(jì)數(shù)器，是因?yàn)樵谧x取它時，計(jì)數(shù)器一直監(jiān)視信號而沒有空載時間存在。

3.2延遲內(nèi)插技術(shù)
時間間用分聽儀使用起時內(nèi)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(jìn)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(jìn)級。每一級確定一個時間量化單位。
內(nèi)插的實(shí)現(xiàn)過程：假定每一級延遲塊延遲時間為tps，當(dāng)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(yīng)的延遲單元中D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端為邏輯‘1’），到達(dá)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(dāng)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(jì)（thermometer）碼，該碼被轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制周同事件計(jì)數(shù)信和時間計(jì)數(shù)信一起在他在硝程系統(tǒng)中。量化過程中的時序關(guān)系如圖5所示。與其它時間-數(shù)字（time-digital）轉(zhuǎn)換器相比，這種內(nèi)插技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：它的轉(zhuǎn)換率比較高，適用于實(shí)時測量系統(tǒng)中；另外，這種內(nèi)插技術(shù)中不使用復(fù)雜的時間-幅度轉(zhuǎn)換電路，使得電路簡捷。

 

4、結(jié)論

相位數(shù)字化方法是捕捉和分析許多擴(kuò)頻信號的有效方法。與幅度數(shù)字化相比，它更經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確，且能在寬的頻率范圍內(nèi)對信號進(jìn)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(shí)用化模塊。無間隔測量方法的成功實(shí)現(xiàn)，為測量頻率和時間間隔的變化提供了更為先進(jìn)的測量手段，能夠有效地測量信號的時變特性。延遲內(nèi)插技術(shù)成功在實(shí)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(zhuǎn)換率比較高，不使用復(fù)雜的時間-幅度轉(zhuǎn)換電路使得電路簡捷。

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