時(shí)間間隔分析儀

1、時(shí)間間隔分析儀    l、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(lái)越多地作為數(shù)字脈沖之間的時(shí)間或相位的變化而傳送出去。這樣，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與分析，在現(xiàn)代通信中就顯得尤為重要。 以往，精確地測(cè)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(cè)量對(duì)象。甚至于測(cè)量幅度和相位的矢量分析儀，也是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)模擬電壓值，即I和Q分量來(lái)導(dǎo)出測(cè)量結(jié)果。 這種利用模擬電壓來(lái)測(cè)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?/p>

2、地進(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(hào)，而不希望用調(diào)幅信號(hào)，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(hào)中，相位比幅度中包含更多的信息。上述這些信號(hào)的保真度是由頻率、相位和時(shí)間的準(zhǔn)確性決定的，因而，有效、準(zhǔn)確地測(cè)量頻率、相位和時(shí)間是對(duì)測(cè)試這類信號(hào)的專用儀器的最基本要求。 為此，提出了在調(diào)制域中對(duì)現(xiàn)代信號(hào)進(jìn)行測(cè)試與分析，這樣在調(diào)制域中開(kāi)發(fā)和研制測(cè)試儀器也就尤為重要，精密時(shí)間間隔分析儀正是在此種情況下研制和開(kāi)發(fā)的。   

3、; 2、時(shí)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(hào)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(shí)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(jiǎn)單函數(shù)。因此，即使是相當(dāng)復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)，分析起來(lái)也相當(dāng)簡(jiǎn)單。 相位數(shù)字化是由硬件記錄信號(hào)的周期數(shù)及與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間，由此進(jìn)行處理得到測(cè)量結(jié)果。 考慮一個(gè)調(diào)制信號(hào)    其中(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(gè)事件樣點(diǎn)ei和第I個(gè)時(shí)間樣點(diǎn)ti滿足簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系：   &#

4、160;式中ei為整數(shù)，且ti有最小的最化值。    2.2時(shí)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(shí)間間隔基本原理框圖，主要由三部分構(gòu)成：輸入通道、測(cè)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(kāi)關(guān)陣列和電壓比較器組成，以完成輸入的模擬信號(hào)向成數(shù)字信號(hào)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(cè)量硬件主要由序列發(fā)生器、事件計(jì)數(shù)器、時(shí)基部分和存儲(chǔ)器系統(tǒng)四個(gè)部分組成。序列發(fā)生器將由輸入通道輸出的信號(hào)傳送給適當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)器且為事件計(jì)數(shù)器和時(shí)基部分產(chǎn)生

5、啟動(dòng)信號(hào)和鎖存信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)和鎖存信號(hào)要受輸入信號(hào)的組態(tài)、采樣間隔及其他的啟動(dòng)限定條件的制約。測(cè)量硬件的輸入信號(hào)還有外部啟動(dòng)輸入和外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘輸入。另外，測(cè)量硬件還接收來(lái)自微處理器的對(duì)測(cè)量進(jìn)行設(shè)置和控制的指令。 兩個(gè)事件計(jì)數(shù)器對(duì)序列發(fā)生器傳送來(lái)的事件信號(hào)計(jì)數(shù)，它們能用來(lái)進(jìn)行測(cè)量和產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)（如保持一定的事件數(shù)或一定的時(shí)間后啟動(dòng)測(cè)量）。時(shí)基部分的作用就是為每一個(gè)鎖存的事件計(jì)數(shù)值建立時(shí)標(biāo)，進(jìn)而建立鎖存的計(jì)數(shù)值的時(shí)序關(guān)系，這樣頻率或時(shí)間間隔就能作為時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行處理。時(shí)基部分主要由時(shí)間計(jì)數(shù)器和內(nèi)插器組成。時(shí)間計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)基時(shí)鐘計(jì)數(shù)，內(nèi)插器主要功能是量化事件鎖存信號(hào)和時(shí)間鎖存信號(hào)之間的時(shí)間間隔，提高時(shí)

6、間的分辨率。 存儲(chǔ)器系統(tǒng)主要是有序地存儲(chǔ)事件計(jì)數(shù)值、時(shí)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(guò)VXI總統(tǒng)為外部主機(jī)提供原始數(shù)據(jù)。 測(cè)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(cè)量第一個(gè)事件與最后一個(gè)事件之間的時(shí)間。這些信息在存儲(chǔ)器系統(tǒng)中被存儲(chǔ)起來(lái)，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(shí)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(wú)間隔測(cè)量技術(shù) 為解釋無(wú)間隔測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，我們使用對(duì)簡(jiǎn)單的穩(wěn)態(tài)正

7、弦信號(hào)（圖2）進(jìn)行采樣來(lái)比較傳統(tǒng)的交互式計(jì)數(shù)器和無(wú)間隔計(jì)數(shù)器。 交互式計(jì)數(shù)器打開(kāi)測(cè)量閘門，記錄事件計(jì)數(shù)和時(shí)間計(jì)數(shù)，接著在事先設(shè)定的閘門時(shí)間（終止采樣）之后關(guān)閉測(cè)量閘門，再次記錄事件計(jì)數(shù)和時(shí)間計(jì)數(shù)（圖2）。測(cè)量在終止采樣點(diǎn)完成，使用下面的頻率估計(jì)方法來(lái)計(jì)算頻率。 交互計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)單地測(cè)量了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有多少個(gè)信號(hào)周期出現(xiàn)，測(cè)量閘門與被測(cè)信號(hào)同步。這就允許事件計(jì)數(shù)是一個(gè)整數(shù)，測(cè)量誤差完全由量化時(shí)間計(jì)數(shù)過(guò)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(cè)量又開(kāi)始了。很清楚的可以看到這種技術(shù)有固有的空載時(shí)間（dead-time），在此期間，信號(hào)的變化不能被包含在平均值中，空載時(shí)間標(biāo)在圖2中。該過(guò)程

8、出現(xiàn)時(shí)，不能進(jìn)行測(cè)量。通常，不同次的測(cè)量的誤差也是互不相關(guān)的。 空載時(shí)間不僅中斷了對(duì)信號(hào)的測(cè)量，而且也破壞了閘門之間的時(shí)序關(guān)系。對(duì)空載時(shí)間的處理，可以使用另一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量它，然而這種方法所產(chǎn)生的時(shí)間刻度并不是真正意義上的連續(xù)，還存在著很小的時(shí)間碎片，這種系統(tǒng)誤差可以累積到一個(gè)很大的值。    重新回到圖2，可以看到無(wú)間隔計(jì)數(shù)器的測(cè)量是背靠背（back-to-back）進(jìn)行且僅在最后一個(gè)測(cè)量值獲得后處理測(cè)量結(jié)果，而不是測(cè)量過(guò)程與處理過(guò)程交叉進(jìn)行。這種背靠背的測(cè)量是無(wú)間隔測(cè)量的實(shí)質(zhì)，一連串的無(wú)間隔測(cè)量值稱為一個(gè)數(shù)據(jù)塊，在一個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)不可能丟失信號(hào)的任何信息

9、。除了第一次和最后一次測(cè)量外，對(duì)于每一次的測(cè)量，第i次測(cè)量的起始采樣點(diǎn)與第i-1次的終止采樣點(diǎn)是同一個(gè)，結(jié)果就使得不同次測(cè)量的誤差總是相關(guān)的，這就提高了求平均的性能。在測(cè)量的塊之間無(wú)間隔計(jì)數(shù)器具有空載時(shí)間，在此期間，這些測(cè)量值被處理。 無(wú)間隔測(cè)量的頻率估值實(shí)際上是一連串的估計(jì)值，通過(guò)下式來(lái)計(jì)算，類似于傳統(tǒng)的估計(jì)方式：    信號(hào)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(duì)于穩(wěn)態(tài)信號(hào)，給定等效的測(cè)量次數(shù)，無(wú)間隔測(cè)量的頻率估值也比傳統(tǒng)測(cè)量的估值更加精確，這是由于無(wú)間隔計(jì)數(shù)沒(méi)有空載時(shí)間。無(wú)間隔測(cè)量技術(shù)能夠求更多測(cè)量值的平均值，因此能給出單位時(shí)間內(nèi)更高的頻率分

10、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(wú)間隔計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)方案。    該方案中，第一個(gè)M位計(jì)數(shù)器是一個(gè)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(lái)驅(qū)動(dòng)下一級(jí)的低速計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器可以是脈動(dòng)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(shí)，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(wú)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(gè)鎖存器。使用R-s自免重復(fù)鎖存第二個(gè)計(jì)數(shù)器。 由于第二個(gè)計(jì)數(shù)器是由第M位觸發(fā)

11、的，因此在觸發(fā)之后將開(kāi)始動(dòng)作并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間穩(wěn)定下來(lái)。該計(jì)數(shù)器的讀操作將被延遲tr，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)由第M位觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器，tI時(shí)間內(nèi)的讀操作無(wú)效。單穩(wěn)觸發(fā)器的脈寬tp設(shè)計(jì)成大于穩(wěn)定時(shí)間小子信號(hào)最小輸入周倍，選擇滿足此條件的最小的M值。時(shí)間關(guān)系總結(jié)如下：    這里 tr=第二個(gè)計(jì)數(shù)器的穩(wěn)定時(shí) 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(gè)計(jì)數(shù)器的速度和位數(shù)影響，并且整個(gè)計(jì)數(shù)器能以標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼動(dòng)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

12、的采樣率與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。 之所以稱它為無(wú)間隔計(jì)數(shù)器，是因?yàn)樵谧x取它時(shí)，計(jì)數(shù)器一直監(jiān)視信號(hào)而沒(méi)有空載時(shí)間存在。    3.2延遲內(nèi)插技術(shù) 時(shí)間間用分聽(tīng)儀使用起時(shí)內(nèi)指法來(lái)提高時(shí)間間隔分辨率。如圖4所示，事件鎖存信號(hào)和時(shí)基同步產(chǎn)生時(shí)間鎖存信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入由N個(gè)D觸發(fā)器和N個(gè)延遲塊組成的延遲單元組，分成N個(gè)相等時(shí)間間隔步進(jìn)級(jí)。每一級(jí)確定一個(gè)時(shí)間量化單位。 內(nèi)插的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：假定每一級(jí)延遲塊延遲時(shí)間為tps，當(dāng)事件鎖存信號(hào)（上升沿）到來(lái)后，每隔Tbs，此上升沿通過(guò)一個(gè)延遲塊（這個(gè)延遲塊對(duì)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(gè)延遲單元。時(shí)間鎖存信號(hào)作

13、為所有延遲單元中D觸發(fā)器時(shí)鐘端，當(dāng)時(shí)間鎖存信號(hào)（上升沿到來(lái)時(shí)，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(gè)數(shù)量化了兩個(gè)鎖存信號(hào)之間的時(shí)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(shí)間計(jì)數(shù)信一起在他在硝程系統(tǒng)中。量化過(guò)程中的時(shí)序關(guān)系如圖5所示。與其它時(shí)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(shí)測(cè)量系統(tǒng)中；另外，這種內(nèi)插技術(shù)中不使用復(fù)雜的時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換電路，使得電路簡(jiǎn)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(hào)的有效方法。與幅度數(shù)字