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，通信事業得到了飛速發展，信息的傳送也由模擬傳輸轉向數字傳輸，信息越來越多地作為數字脈沖之間的時間或相位的變化而傳送出去。這樣，對數字信號進行測量與分析，在現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代調制方法的出現而陷入了困境。因為為了可靠地進行通信，現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代信號進行測試與分析，這樣在調制域中開發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的。

2、時間間隔分析儀的基本原理

2.1相位數字化
相位數字化是采集、計算信號特定斜率的零點，丟棄幅度信息。由于數據是相位、頻率或時間形式，因此避免了三角函數，取而代之的是如直線和拋物線等簡單函數。因此，即使是相當復雜的調制信號，分析起來也相當簡單。
相位數字化是由硬件記錄信號的周期數及與之對應的時間，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滿足簡單的數學關系：

式中ei為整數，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。



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字信號的轉換（相位數字化），另外它還可設置觸發電平、觸發的斜率以及完成阻抗匹配。
測量硬件主要由序列發生器、事件計數器、時基部分和存儲器系統四個部分組成。序列發生器將由輸入通道輸出的信號傳送給適當的計數器且為事件計數器和時基部分產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、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。
兩個事件計數器對序列發生器傳送來的事件信號計數，它們能用來進行測量和產生啟動信號（如保持一定的事件數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值建立時標，進而建立鎖存的計數值的時序關系，這樣頻率或時間間隔就能作為時間的函數進行處理。時基部分主要由時間計數器和內插器組成。時間計數器對時基時鐘計數，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。
存儲器系統主要是有序地存儲事件計數值、時間計數值和內插器的數值，以此建立數據塊。該系統礎的數據作為原始數據以傾處理結系統進行處理或者可以通過VXI總統為外部主機提供原始數據。
測量硬件的主要功能是計事件數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中被存儲起來，在完成數據獲取后進行處理。
微處理器系統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點，我們使用對簡單的穩態正弦信號（圖2）進行采樣來比較傳統的交互式計數器和無間隔計數器。
交互式計數器打開測量閘門，記錄事件計數和時間計數，接著在事先設定的閘門時間（終止采樣）之后關閉測量閘門，再次記錄事件計數和時間計數（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。
交互計數器簡單地測量了在規定時間內有多少個信號周期出現，測量閘門與被測信號同步。這就允許事件計數是一個整數，測量誤差完全由量化時間計數過程中的誤差所引起。
頻率結果以數字形式呈現給用戶，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器來測量它，然而這種方法所產生的時間刻度并不是真正意義上的連續，還存在著很小的時間碎片，這種系統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據塊，在一個數據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，類似于傳統的估計方式：

信號的任何頻率不穩定性被包括在該頻率估計數據中。對于穩態信號，給定等效的測量次數，無間隔測量的頻率估值也比傳統測量的估值更加精確，這是由于無間隔計數沒有空載時間。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（數據位），該參數在大多數系統中是很重要的。
圖3給出了無間隔計數器的實現方案。


該方案中，第一個M位計數器是一個二進制編碼的同步計數器，并且帶有M位的數據第M位（最高有效位）用來驅動下一級的低速計數器，該計數器可以是脈動計數器或同步它也具有自己的數據鎖存器。
當讀命令有效時，它直接鎖存M位計數器的計數值。但是，它并不直接激活低速計委存器，而是和第M位觸發的單穩產生的脈沖進行與運算。處在脈沖寬度內的讀命令無效，計數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器。
由于第二個計數器是由第M位觸發的，因此在觸發之后將開始動作并且在適當的時間穩定下來。該計數器的讀操作將被延遲tr，所以設計了一個由第M位觸發的單穩觸發器，tI時間內的讀操作無效。單穩觸發器的脈寬tp設計成大于穩定時間小子信號最

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