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时间间隔分析仪研究

时间:2007-1-30栏目:计算机论文

、引言

随着科学技术的进步,通信事业得到了飞速发展,信息的传送也由模拟传输转向数字传输,信息越来越多地作为数字脉冲之间的时间或相位的变化而传送出去。这样,对数字信号进行测量与分析,在现代通信中就显得尤为重要。
以往,精确地测量幅度一直是许多传统仪器的基础,示波器、频谱分析仪、功率计、电压表均将模拟电压作为它们的测量对象。甚至于测量幅度和相位的矢量分析仪,也是通过测量两个模拟电压值,即I和Q分量来导出测量结果。
这种利用模拟电压来测量的仪器随着现代调制方法的出现而陷入了困境。因为为了可靠地进行通信,现代调制方法更钟情于频率和相位调制的扩频信号,而不希望用调幅信号,例如普通的FM、PM和脉宽调制以及现代的FSK、PSK和QPR。雷达为保证一定的作用距离及高距离分辨率,采|用Barker码调制〈相位调制)和chirp调制(频率调制)。在Q刷信号中,相位比幅度中包含更多的信息。上述这些信号的保真度是由频率、相位和时间的准确性决定的,因而,有效、准确地测量频率、相位和时间是对测试这类信号的专用仪器的最基本要求。
为此,提出了在调制域中对现代信号进行测试与分析,这样在调制域中开发和研制测试仪器也就尤为重要,精密时间间隔分析仪正是在此种情况下研制和开发的。

2、时间间隔分析仪的基本原理

2.1相位数字化
相位数字化是采集、计算信号特定斜率的零点,丢弃幅度信息。由于数据是相位、频率或时间形式,因此避免了三角函数,取而代之的是如直线和抛物线等简单函数。因此,即使是相当复杂的调制信号,分析起来也相当简单。
相位数字化是由硬件记录信号的周期数及与之对应的时间,由此进行处理得到测量结果。
考虑一个调制信号

其中φ(t)是单调递增的,在正斜率的零点处进行采样。第I个事件样点ei和第I个时间样点ti满足简单的数学关系:

式中ei为整数,且ti有最小的最化值。

2.2时间间隔分析仪的基本原理
基于相位数字化方法,给出了图1所示的时间间隔基本原理框图,主要由三部分构成:输入通道、测量硬件和微处理器系统。



输入通道主要由阻抗变换电路、输入开关阵列和电压比较器组成,以完成输入的模拟信号向成数字信号的转换(相位数字化),另外它还可设置触发电平、触发的斜率以及完成阻抗匹配。
测量硬件主要由序列发生器、事件计数器、时基部分和存储器系统四个部分组成。序列发生器将由输入通道输出的信号传送给适当的计数器且为事件计数器和时基部分产生启动信号和锁存信号。启动信号和锁存信号要受输入信号的组态、采样间隔及其他的启动限定条件的制约。测量硬件的输入信号还有外部启动输入和外部标准时钟输入。另外,测量硬件还接收来自微处理器的对测量进行设置和控制的指令。
两个事件计数器对序列发生器传送来的事件信号计数,它们能用来进行测量和产生启动信号(如保持一定的事件数或一定的时间后启动测量)。时基部分的作用就是为每一个锁存的事件计数值建立时标,进而建立锁存的计数值的时序关系,这样频率或时间间隔就能作为时间的函数进行处理。时基部分主要由时间计数器和内插器组成。时间计数器对时基时钟计数,内插器主要功能是量化事件锁存信号和时间锁存信号之间的时间间隔,提高时间的分辨率。
存储器系统主要是有序地存储事件计数值、时间计数值和内插器的数值,以此建立数据块。该系统础的数据作为原始数据以倾处理结系统进行处理或者可以通过VXI总统为外部主机提供原始数据。
测量硬件的主要功能是计事件数和在用户定义的采样期内测量第一个事件与最后一个事件之间的时间。这些信息在存储器系统中被存储起来,在完成数据获取后进行处理。
微处理器系统主要作用是控制时间间隔分析仪的功能以及完成与VXI总线的通信。

3.主要关键技术

3.1无间隔测量技术
为解释无间隔测量技术的优点,我们使用对简单的稳态正弦信号(图2)进行采样来比较传统的交互式计数器和无间隔计数器。
交互式计数器打开测量闸门,记录事件计数和时间计数,接着在事先设定的闸门时间(终止采样)之后关闭测量闸门,再次记录事件计数和时间计数(图2)。测量在终止采样点完成,使用下面的频率估计方法来计算频率。
交互计数器简单地测量了在规定时间内有多少个信号周期出现,测量闸门与被测信号同步。这就允许事件计数是一个整数,测量误差完全由量化时间计数过程中的误差所引起。
频率结果以数字形式呈现给用户,另一次测量又开始了。很清楚的可以看到这种技术有固有的空载时间(dead-time),在此期间,信号的变化不能被包含在平均值中,空载时间标在图2中。该过程出现时,不能进行测量。通常,不同次的测量的误差也是互不相关的。
空载时间不仅中断了对信号的测量,而且也破坏了闸门之间的时序关系。对空载时间的处理,可以使用另一个计数器来测量它,然而这种方法所产生的时间刻度并不是真正意义上的连续,还存在着很小的时间碎片,这种系统误差可以累积到一个很大的值。

 

重新回到图2,可以看到无间隔计数器的测量是背靠背(back-to-back)进行且仅在最后一个测量值获得后处理测量结果,而不是测量过程与处理过程交叉进行。这种背靠背的测量是无间隔测量的实质,一连串的无间隔测量值称为一个数据块,在一个数据块内不可能丢失信号的任何信息。除了第一次和最后一次测量外,对于每一次的测量,第i次测量的起始采样点与第i-1次的终止采样点是同一个,结果就使得不同次测量的误差总是相关的,这就提高了求平均的性能。在测量的块之间无间隔计数器具有空载时间,在此期间

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