（通信与信息系统专业论文）epirb检测仪测频技术方案设计与研究.pdf

f c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l i l l illilli i ll 1 1lll y 18 0 7 8 8 2 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g d e s i g n r e s e a r c ho nf r e q u e n c ym e a s u r i n g p r o j e c to fe p i r bt es t e r c a n d i d a t e ： z h o ul i l i s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n gt a o a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r , m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s i 僦i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d a t eo f s u b m i s s i o n ：f e b r u a r y ，2 0 1 0 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 卜。l- 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担q 作者( 签字) ：+k l 群骜1 日期：知j o 年：；月 汨 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 凹在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、 作者( 签字) ：】日髯尊 日期：加l d 年a 月n 日 导师( 签字) ： 乒川d 年3 月归 喝 卜 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 应急示位标( e p i r b ，e m e r g e n c yp o s i t i o ni n d i c a t i n gr a d i ob e a c o n ) 是全球 卫星搜救系统中必不可少的遇险示警定位设备，能够及时有效的进行海难 报警，已经被广泛用于航海船只之上。示位标检测仪作为专属检测仪器， 担负着评定应急示位标性能指标的重要任务。 本文首先对示位标的短期频率稳定度指标以及e p i r b 检测仪的基本结 构进行了介绍与分析。 其次，对直接测频法、，多周期同步法、游标法、模拟内插法与连续计 数法等典型测频方法进行了分析和比较，发现了间接的通过把握两信号间 相位重合点的规律进行频率测量的技术比较其它典型测频法具有较大的优 势。 再次，使用同被测量信号与标准信号的相位差周期有着密切关系的等 效鉴相周期作为鉴别相位重合点的闸门操控信号，并且通过参照频率的设 计，改进了相位重合点测频法，使得改进测频系统相当于在同一次测量中 进行了两次不同类型的相位重合点检测，提高了测频精度。通过b p 神经网 络的建立，模拟改进测频系统，通过估测筛选出比较优秀的一组参数，简 化了频源的选取步骤。 仿真结果表明改进相位重合点测频法能够有效的减少闸门内信号计数 误差，削弱了由于参考信号与被测信号之间的整数倍关系对测频结果的影 响，能够获得高精度的测频结果。 最后，对课题研究工作进行总结，分析了本测频方案的优势与可进一 步研究的方向。 关键词：e p i r b ；相位重合点测频；相位重合点；b p 神经网络 一 卜 j 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t e p i e bi so n eo ft h ee s s e n t i a ld i s t r e s sp o s i t i o na l e r t i n ge q u i p m e n t su s e di n c o s p a s s a r s a ts y s t e m ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di ns a i l i n gv e s s e ld u et ot h e a b i l i t yt oa l a r ms h i p w r e c kq u i c k l ya n de f f e c t i v e l ya tp r e s e n t a st h et e s t i n g e q u i p m e n t , e p i r bt e s t e ri sr e s p o n s i b l ef o rt h ei m p o r t a n tw o r kt oa s s e s st h e p e r f o r m a n c eo f e p i r b f i r s t l y , t h ef r e q u e n c yd e t e c t i n gi n d e x e so ft h eb e a c o na r e i n t r o d u c e d s e c o n d l y , d i r e c t f i - c q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o d ，m u l t i - p e r i o d sp u l s e s y n c h r o n i z a t i o nf r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o d , v e r n i e rm e t h o d , a n a l o g i n t e r p o l a t i o nf r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o da n dc o n t i n u o u sf r e q u e n c ym e a s u r i n g m e t h o da r cc o m p a r e da n da n a l y z e d i nc o m p a r i s o n , t h em e t h o db a s e do nt h e p h a s ec o i n c i d e n c ep o i n t sb e t w e e nt w op e r i o d i cs i g n a l si sb e t t e r b yu s i n gt h e e q u i v a l e n tp h a s ec y c l et oc o n t r o lt h ep h a s ec o i n c i d e n c ep o i n t si d e n t i f i c a t i n g g a t ea n da d d i n gr e f e r e n c ef r e q u e n c i e s ，t h ep h a s ec o i n c i d e n c ef r e q u e n c y m e a s u r i n gm e t h o di si m p r o v e d t h ea c c u r a c yi si m p r o v e db e c a u s et w od i f f e r e n t m e a s u r e m e n t sh a p p e ni i lo n et i m e t h eb pn e u r a ln e t w o r ki sb u i l tt oa n a l o gt h e i m p r o v e df r e q u e n c ym e a s u r i n gs y s t e ma n de s t i m a t ep a r a m e t e r st os i m p l i f yt h e s e l e c t i o no ff r e q u e n c ys o u r c e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dp h a s ec o i n c i d e n c ep o i n t s f r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o dc a nr e d u c es i g n a lc o u n t i n ge r r o r sa n d w e a k e nt h e i m p a c to ft h ei n t e g e rm u l t i p l er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e f e r e n c es i g n a la n d m e a s u r e ds i g n a l i nt h ee n d , t h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e d ，t h ea d v a n t a g e s a n df u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：e p i r b ；p h a s ec o i n c i d e n c ef r e q u e n c ym e a s u r i n gm e t h o d ；p h a s e c o i n c i d e n c ep o i n t ；b pn e u r a ln e t w o r k 一 h - j 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义。l 1 2 研究现状。2 1 3 内容安排。4 第2 章典型测频方法5 2 1 测频指标5 2 2 常用测频方法6 2 2 1 直接测频法6 2 2 2 多周期同步法9 2 2 3 模拟内插法。1 2 2 2 4 游标法15 2 2 5 连续计数法1 7 2 3 本章小结1 9 第3 章相位重合点测频方法及其改进2 0 3 1 直接相位重合点测频法2 0 3 1 1 最大公因子频率与最小公倍数周期2 0 3 1 2 相位重合点2 3 3 2 相位重合点测频方法的改进2 5 3 2 1e p i r b 检测仪中测频子系统介绍2 5 3 2 2 相位重合点测频法中参考闸门的设计2 6 3 3 改进相位重合点测频法与典型测频方法的比较3 0 3 3 1 直接测频法的仿真分析。3 0 3 3 2 多周期同步测频法仿真与分析3 2 3 3 3 传统相位重合点测频法仿真与分析3 4 3 3 4 改进型相位重合点测频法仿真与分析3 5 3 4 本章小结3 8 一 j 0 - ， 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第4 章测频方案性能仿真验证3 9 4 1 人工神经网络的特点与结构类型3 9 4 1 1 人工神经网络的特点3 9 4 1 2 人工神经网络结构。4 0 4 2b p 神经网络4 2 4 2 1b p 网络结构4 2 4 2 2b p 网络算法与实现步骤4 2 4 3 改进测频法b p 神经网络模型建立与仿真：4 6 4 4 改进相位重合点测频法与延迟链测频法的比较5 0 4 5 本章小结5 3 结论。5 4 参考文献5 6 攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果6 l j g c 谢6 2 b l 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 本文来源于船载应急无线示位标( e m e r g e n c yp o s i t i o ni n d i c a t i n gr a d i o b e a c o n , e p i r b ) 的研发项目，旨在研究用于e p i r b 检测仪的高精度频率测量 方法【l - ，l 。 航海是各国之间进行经济往来与文化交流的重要途径，随着经济社会的 飞速发展，航海对我国经济产生了更大的影响，其安全问题也得到了更广泛 的关注。1 9 8 1 年美国、法国、加拿大和前苏联成立了国际卫星搜救组织，并 合力实现了全球卫星搜救系统国际低极轨道搜救卫星系统 ( c o s p a s s a r s a ts y s t e m ) ，随后世界航海、航空、长途运输、科学考察与勘 探工作等的安全保障都有所提高。该搜救系统使用卫星接收和发出救援信息， 能够在海、陆、空等领域出现险情时，令相关的营救部门能够尽快的得到遇 险方位信息、船只或飞机的记录信息，以便于施救工作的迅速展开，该搜救 系统的成立对于人迹罕至的边远地区及时有效的遇险抢救工作也起着及其重 要的作用 6 4 1 。 全球卫星搜救系统成立之初仅使用低极轨道搜救卫星转发搜救信号，后 期发展为低极轨道卫星与同步静止轨道卫星的分工合作。全球卫星搜救系统 在海上搜救的应用部分为海上搜救系统，即全球海上遇险安全系统( g l o b a l m a r i t i m ed i s t r e s sa n ds a f e t ys y s t e m ，g m d s s ) t 9 - i l 】。该系统可划分为发射信号的 遇险示位标部分、负责中转的卫星部分与负责接收的地面部分。其中，遇险 示位标部分主要可以被划分出三种，分别应用于航空、船舶与个人用户。 e p i r b 是用来进行船载定位的专属小型信号发射机，主要分为g p s 接收 式e p i r b 与非g p s 接收式e p i r b 两种，工作频率均在4 0 6 m h z 左右。在使 用低极轨道卫星协同工作时，内嵌g p s 接收模块的e p i r b 通过g p s 定位， 不使用g p s 的e p i r b 用多普勒定位；而使用同步卫星工作时，内嵌g p s 接 收模块的e p i r b 仍然可以通过g p s 定位，而不使用g p s 的e p i r b 则无法定 l 7 、 j 1 哈尔滨下程大学硕十学位论文 位 t 2 1 3 l 。e p i r b 有人工与自动两种启动方式，当船只遭遇海难，人为触动按钮 或者将示位标置于水中都可以使示位标内部因受压而产生激活信号。通过示 位标本身的射频端发射出的信号来标识险情位置与遇险状态，从而实现船对 星，星对岸的通信。 为保证示位标能够准确及时的进行报警工作并且不产生虚警信息，需要 定期对e p i r b 进行测试与调制的工作，示位标检测仪就是对这种无线应急报 警装置进行检验的专属仪器，它接收到e p i r b 发射出的信号后，通过内部各 电路与器件的处理，除了可以测得信标的工作频率与功率外，还能够译出配 置该示位标的船只的信息。 本研究的应用对象是内嵌g p s 的e p i r b ，工作频率为4 0 6 0 2 5 m h z 的 e p i r b 正常的工作频率范围为4 0 6 0 2 5 m h z ：t ：2 k h z ，短期频率稳定度指标为 1 0 9 t 4 - t 日。为得到精准的测量结果，示位标检测仪本身的系统频率稳定度与 准确度也要达到一定的指标，其中，频率稳定度要求1 0 - 1 0 ，频率准确度为 ：i ：1 0 0 h z ，为达到高稳定度的本振频率源，e p i r b 检测仪的标准频率源通常采 用分频、倍频、混频、p l l 和d d s 等几种频率合成方法，有时也将这几种方 法混合使用。此外，由于检测仪在实际应用中需对接收到的e p i r b 信号进行 差分解调与数据的协议解析，所以还要求测试仪器具有较快速的数据处理功 能，能够执行较大的运算量，并对解析码与校验码数据有足够的存储空间和 串口通信功能l t ，t t l 。 只有经过精密检测仪进行定时测量与较正的e p i r b 才能使得营救遇难 者的工作更有保障。而示位标检测仪除需确认e p i r b 中所标识的船只专属信 息以外，还需要测得示位标短信稳定度与长期稳定度，因为稳定准确的频率 是e p i r b 与卫星成功建立无线电通信链路的重要前提。进而，e p i r b 检测仪 中频率测量方法的研究对于生命财产的保障也发挥着重要意义。 1 2 研究现状 目前，e p i r b 已在全世界范围之内被推广运用。在低极轨道卫星的协助 2 b 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 之下，所发信号能够被陆上或沿海地区负责进行搜救指挥工作的中心部门或 者分中心部门接收 1 9 - 趋1 。通过对信息接收与核实，海上与沿海周边的营救组织 与救助力量能够迅速展开行动。目前我国海上的搜救系统已经很细致的划分 为：海上遇难报警、核实与评估报警等级、险情报告与初步处理、制定营救 方案、实施搜救行动与监控应急处置等几个流程，这些响应与处置工作的依 次顺利完成无不信赖于e p i r b 信号的准确传达。 作为海上搜救系统关键组成部分，e p i r b 测试工作尤为关键。由于对频 率稳定度有着较高的要求，示位标检测仪在进行频标比对时分辨力、短期稳 定度及长期稳定度的测量难度较大，因此测频方法的选择对于检测仪测量结 果的准确性有着至关重要的影响 2 ，- 2 s 1 。 基本测频方法主要包括直接频率测量法、多周期同步测频法、模拟内插 法、游标测频法和相位重合点测频法等等。直接频率测量法的特点是结构简 单，易实现，成本低，适合应用于精度要求较低的测量环境，然而其存在严 重的量化误差问题。多周期同步测频法、模拟内插法与游标测频法等测频方 法都可以减小士l 误差，但其测量精准程度无法满足示位标检测仪的工作要 求。除此之外，e p i r b 的频率稳定度测量不同于针对固定标准频率源的频率 准确度与稳定度的测量，根据检测仪内部频标与接收到的求救信号解调方法 的不同，待测频率与标准频率值也会发生变化，因此需要选择能够应用于较 宽频率范围测量条件下的测频方法 z 6 z t l 。与此同时，示位标检测仪要测得小于 l o 9 的短期频率稳定度测量指标，进而测得长期频率稳定度指标，也需要选 用与检测仪的具体应用相适应的高精度频率测量方法。相位重合点测频法是 目前较多的使用于频率源比较与长短期稳定度测量的测频方法，相对于基本 的测频方法无论在测频准确程度、测频范围的宽度还是实现难易程度上都有 着较大的优势。 相位重合点测频法以信号间的相位重合周期为出发点来把握两个信号之 间的频率关系，削弱了误差对测量结果的影响，效果优于直接测频法以及在 此方法基础上发展出的一些频率测量方法，但由于相位重合点测频法不容易 3 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 获得最优的频值关系信息，需要与其他技术手段配合工作，本文采用人工神 经网络中的预测方法来求取最优系统参数。 本文将改进型相位重合点测频方法应用于e p i r b 检测仪中测频系统的 研究，进一步结合b p 神经网络估测功能来提高测频系统的工作性能。 1 3 内容安排 本文研究工作频率为4 0 6 m h z 的e p i r b 检测仪中的测频子系统。根据题 研究内容，对后续章节做如下安排： 第二章简要介绍了典型的五种基本测频方法，并分析了这些方法在系统 结构复杂度与测频精度方面的差异。 第三章重点介绍了相位重合点测频理论，分析了普通相位重合点检测技 术在e p i r b 检测仪中应用的不足。引入了等效鉴相周期的概念，利用等效鉴 相周期闸门与两路参考频源改进相位重合点测频法。 第四章针对改进相位重合点测频法测频参数较多的问题，引入了b p 神经 网络算法，通过对神经网络的研究与训练，在多次测量所得数据基础之上， 估测了相位重合点测频模型的频率参数，使用估测结果对改进测频系统进行 了仿真研究。对比分析了运用估测参数的系统仿真所得的频率稳定度数据与 延迟链测频法的数据。 最后，对课题研究工作进行总结，分析了本测频方案的优势与可进一步 研究的方向。 4 一 协 哈尔滨下程大学硕十学何论文 第2 章典型测频方法 2 1 测频指标 在现今日新月异的电子科技领域之中，对电子频率与时间的精准测量是 对其它参数进一步设计与规划的前提，只有准确的掌握了频率的变化才能够 对应用测量中各种周期现象进行详细的描述。频率测量技术已在通信、定位、 雷达、遥感遥测以及导航等领域扮演着重要角色，而频率稳定度也已经成为 频率测量中常用的指标之一。 稳定度考虑的是准确度随时间的变化情况，稳定度的优劣标志着一个信 号源是否能在要求范围之内维持工作和信号源频率保持恒定状态的能力。通 常频率稳定度采用阿仑方差的平方根吼( f ) 来表示，其定义如公式( 2 一1 ) 所示， 式中z ( f ) 表示连续无间隙采样m + 1 次时每一点的采样值，工为标准频率。 q ( r ) = 杰去氰氏( - r ) 一( f ) 2 ( 2 - 1 ) 频率稳定度值标识了各个测量所得频率值的统一程度，如果稳定度值大 表示测得结果的一致程度高，相反，稳定度值小则表明所测结果的分散程度 大。 信号频率源的稳定程度主要受标准频率源稳定程度与准确程度影响，同 时也与信号源的设计方式有关。通常情况下频率源的设计会采用晶体振荡器， 频率源的长期稳定度主要受到系统所处环境的温度、湿度与电力情况的影响 而短期稳定程度则仅需要考虑噪声问题，通用的正常温度下使用的恒温晶体 振荡器的日稳定程度可以达5 x l o 1 0 常用的频率测量指标除频率稳定度外，还有频率准确度与测量精密度等 衡量频率特性的指标。其中频率准确度定义为所测得的频率值相对于标准频 率值的变化量，也就是通常所指的相对频率准确度，如式( 2 2 ) 所示： 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 频率准确度= ( f a 一厶) 厶 ( 2 2 ) 其中，厶为通过直接测量所得的频率值，磊为默认情况下零误差时应 测得的频率即比对频标的频率值。频率测量的准确度是所测得的数值与标准 数值之间的相对关系的定性表示，即标识了测量值与真值的相差程度。准确 度大时，表明测量值与标准值的偏离程度低，准确度小则表明测量值与标准 值偏离程度大。 所谓测量精密度指的是对信号进行测量时每次测量结果值之间的变化程 度。精密度值高时，表明该仪器所采用的测量系统可进行多次测量的能力也 强，相反，测得的精密度值低时，表明该测量系统进行多次测量的稳定程度 较低。测量精密程度描述的是测得结果中由于随机存在的误差导致的不准确 的程度，它是一种在多次测量结果之中进行定性分析比较的指标。在进行求 精密度测量时，要求满足测量环境不变，测量用具相同，测量人员相同，测 量时间不过长等条件。 与频率准确度与频率测量精密度不同，频率稳定度存在短期频率稳定度 与长期频率稳定度的差别，两者存在着一定的联系，多次测量都能够保持较 高的短期频率稳定度值的仪器，其长期频率稳定度值也会比较高。长期频率 稳定度需要考虑由于使用年限而存在的器件磨损与老化而导致的测量误差， 其测量时间较长。同频率测量精密同一样，长期频率稳定度的测量应尽量保 持相同的测量环境、测量用具、测量时间，通过相互独立的多次测量而最终 得出结果。而短期频率稳定度则不需要考虑零部件的损耗对测量结果的影响， 短期频率稳定度根据一次测量工作中得出的多个待测频率值推算出频率的稳 定程度。 2 2 常用测频方法 2 2 1 直接测频法 直接测频法顾名思义就是为测得频率值所使用的最简单直接的方法i 拍2 9 l 。 在由已知的标准频率所设定的时间内进行对被测信号的频率值的测量，最后 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 所测得的精度数据以两个信号之间的相对形式表示。根据待测量信号与已知 标准信号之间频率相对关系，可以分为以下两种情况讨论： ( 1 ) 待测量信号频率大于已知标准信号频率 在此情况下，已知标准信号都会选择比待测信号小的频率值，从而使用 标准信号控制测频时间。对待测信号进行测量的时间段应试远大于被测信号 的周期，在可控的闸门时间内将信号经由计数电路计量周期个数。该测量方 法如图2 1 所示： 图2 1 被测频翠大于已知标频时测频框图 正=了n(2-3) 由式( 2 - 3 ) 可知，以为被检测的信号频率，丁为由标准信号控制的测量闸 门时间，为在时间t 内计数电路对信号以周期的计数值。当被测频率远大 于标准信号频率时直接测频方法的频率准确度主要由所计得的被测频率的周 期数与丁的准确程度决定，测量误差如式( 2 - 4 ) 所示： 等= 等一丁a t ( 2 - 4 ) l n1 式中，4 u v n 为对脉冲进行计数的计数电路部分产生的误差，虽然计数 时间r 为固定值，但由于r 与的关系并非是有必然联系的，所以计数部分 每次对被测信号的计数个数也并非固定。对在闸门开启与关闭时刻通过的信 号边沿的错误计数会影响最后所得计数结果的正确性，尤其是当测量时间r 约等于待测量信号周期值的整数倍时误差会最大，此时的计数误差为 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a n = 土1 个周期值，此时的相对误差值可以由下式表示： a n1 1 一= 一= 下一 矾 ( 2 5 ) 吖r 是测量门时间的相对误差，其值见式( 2 6 ) ，误差值的大小由标准时 钟晶体频率源的精确度决定。 丁a t 一等( 2 - 6 ) - 一= 一 r 厶 其中石为石英晶体振荡器频率值，r 为由晶体频率误差馘引起的时间 误差，式中的负号表示频率误差对时间误差的影响是反向的。大多数情况下， 标准频率误差值的规定误差范围根据具体需要测量的频率准确度要求而有所 不同，为了不产生太大影响，馘石的值应比被测频率的准确度结果高出至少 一个数量级以上。待测量信号频率大于已知标准信号频率时测量误差可见式 ( 2 - 7 ) 。 等= 壶+ 铡 p 7 ， 可以看出，当待测频率值固定时，测量时间r 越长，测得结果的准确度 就越高；相反，当测量时间r 固定时，待测频率值越大，测得结果准确度也 越高。即增加了单次测量时间r 内的被测信号的周期计数值，多次测量后可 以提高测量结果准确度。 ( 2 ) 待测量信号频率小于已知标准信号频率 由于此时待测信号频率疋小于石英晶体频率值五，所以用待测信号作为 控制时间闸门的信号，此时闸门时间r 由正决定，在被控时间内对标准信号 周期进行计数。当测得周期个数为，被测信号频率为正，标准信号频率为 兀时，直接测频法框图如图2 2 所示，测频公式见式( 2 - 8 ) ： 8 哈尔滨下程大学硕十学位论文 图2 2 被测频率小于已知标频时测频框图 t = 心 正= 每 仁酌 此时的测量误差仍以1 个字的误差为主，如果不考虑兀本身存在的误差 则测量频率准确度如式( 2 9 ) 所示： 等= 砉( 2 - 9 ，l l 一氏 通过以上两种情况的分析可知，直接频率测量方法比较简单直接，在使 用该法进行频率测量时只需要得到标准频率值与测得周期个数即可。此方法 的主要测频误差为1 个字的计数误差，可以通过延长闸门周期、增加闸门时 间内被测脉冲周期个数和增加测量次数的方法来尽量提高精度。 2 2 2 多周期同步法 多周期同步法是由直接测频法中当被测频率值小于标准晶体频率值的测 频方法改进而来的，其结构框图如图2 3 所示【姗刁。由于图中两路闸门a 与b 都是由待测信号六与标准信号兀的周期共同作用产生的，所以六与石共同 作用的每一个周期时间都会受到待测量信号影响，图2 3 中所示即为多周期 同步法的测频框图。如图所示，闸门控制电路受输入电路整形后的被测信号 与整形后标频的联合控制，控制信号同时开启闸门a 与b ，计数器a 、b 在 两闸门时间内分别对待测信号与已有的本地频率进行计数，最后根据公式计 9 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 算求出正并显示。 图2 3 多周期同步法测频原理图 相对于直接测频方法而言，多周期同步法主要存在以下几方面的改进： ( 1 ) 频率脉冲的计数时间不再与脉冲信号不相关，而是在时间信号与被 计数信号共同作用下产生的时间闸门开关脉冲。此时闸门时间的长短并不单 独由某一频率的信号决定，而是由待测信号与标准频率信号相互合作的。 ( 2 ) 计数闸门的开启时间并非固定值，并且开启时间必为待测频率信号 的整数倍，闸门开启时间发生在待测信号与参与控制的已知标准信号的第一 个共同高电平出现的时刻，同理，闸门关闭时间出现在待测信号与参与控制 的已知标准信号的共同低电平出现的时刻。 由于以上两个特征的存在，使得多周期同步测频法避免了一般直接测频 法存在的士1 个字的误差，从而提高了测量精度该方法测量频率的波形图如图 2 4 所示。波形图中的控制信号与待测频率和已知标准频率可以没有必然联 系，闸门信号并不只受控制信号支配，当控制信号上升沿到来以后，闸门a 与b 会在第一个待测信号脉冲到来时开启。在闸门开启时间内，计数器a 与 计数器b 同时分别对待测信号周期与已知信号周期进行计数。当控制信号下 降沿到达以后的第一个待测信号脉冲来临时，闸门信号关闭，此时两计数器 停止计数，并将计得的数据信息传向接下来的运算器部分，该模块负责通过 已得和已知的各项指标运算获得求出的待测信号频率值与频率准确度。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 控制信号 闸门信号 计数器a 计得脉冲 时基脉冲 计数器b 计得脉冲 厂 l f ll ll illii ，一 iiiii iiiiliii - 一卜 ，i 图2 4 多周期同步法原理波形图 叫卜 i a t , 如图2 4 所示，若口、6 分别为计数器得出的被测信号与标准频率信号 的周期个数，f 为闸门时间，则可得： n 。= t f l n b = r o f n 1 一瓦 ( 2 一l o ) 由于闸门时间受待测信号的控制，所以不会因为闸门边沿处的错误计数 产生1 个字的计数误差，所以由公式( 2 一1 0 ) 可得 纾等巩 ( 2 - 1 1 ) 又因为“= 1 ，f ，- 6 f o ，可得 d , = l ( e x o ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 的计算结果为待测频率的测量分辨率。待测频率信号在进行多周 期同步l - b 较测频之前会先被整形成方波信号，此时由于待测信号中存在噪声 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 干扰会使得方波信号存在偏移，此时的偏移也可以称为触发误差，触发误差 计算公式与多周期同步测频法总误差计算公式为【3 3 3 4 1 触发误差= l ( 万待测信号信噪比x 测得周期个数d ) 多周期同步法测频误差= 待测频率的测量分辨率+ 触发误差+ 标准误差 所以可以推断，多周期测频法的误差与待测信号、计数闸门时间以及标 准信号准确度有关。由于闸门内对信号计数时会在接收到待测信号脉冲时开 启，当控制信号下降沿来临时，闸门信号会同此后的第一个待测脉冲到来时 关闭，因此不会存在待测信号脉冲计数时的多计或少计一个脉冲的误差。当 闸门时间越久、标准信号越精确时测量所得精度越高。 如图2 5 所示，简易的频率计中标准频率信号控制闸门时间，被测信号 在闸门的控制之下通过计数器被计数，此时的测频误差不仅受本地的标准频 率源准确度影响还受门信号内对标准频率信号计数的士1 个数的误差影响。 图2 5 典型频翠计原理框图 2 2 3 模拟内插法 由前节可知，采用直接测频方法的电子计数器应用中主要有两种误差， 分别为士1 个字的量化误差与由频率源本身的标准程度引起的误差。 通用电子计数器进行频率测量将待测量信号整形成周期脉冲信号，在既 定的闸门时间之内对通过的脉冲个数测量计数时，闸门边沿处可能会出现信 号脉冲被多凑成一个整数个脉冲计下，也有可能会将不够一个脉冲的信号舍 掉。此时边沿处出现的非完成周期数信号可以被看作被测信号的零头部分， 它的最小值为零，最大值为输入信号被整形后的一个周期时间。为了避免和 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 减少错误计数从而提高对被测信号测量的准确程度，需要采用特别的方法测 出除了整周期个数以外的零头时间部分。 图2 6 为模拟内插法的测频原理图，标准时钟脉冲的周为瓦，如果闸门 时间内对时钟计得的数目为，则整数个数的时钟周期表示的闸门时间为 = 瞩，此时并没有考虑边沿处的非整周期个数时间的测量，所以可以粗 略记为瓦瞩3 s 3 6 。而此时通过时基脉冲计数所得到的粗测时间瞩相对于 真实时间正而言错误的将时间段瓦纳入测量时间，而忽略了时间段正。如果 能够准确求出互和疋，就可以达到提高测量精度的目的，减少士1 的量化误 差，则此时瓦可以由式( 2 1 3 ) 表示 乏= 巧+ 五一瓦( 2 1 3 ) 输入信号| j 王一 ；五十 r n r 一 时基脉冲1i iii 二二二二二二二liill 型 1 守 乃 - 譬 l 五 “ ；瓦 扩展器品；二二二习 一一f i - 一 1 五= 1 0 0 0 t l 一 瓦= 1 0 0 0 t 2 计数l u j 二山盟 lli 二山丝 i 图2 6 模拟内插法测频原理 在测量上式中的瓦时，需要在闸门开启后的第一个脉冲出现后开始计 时，并且以闸门关闭前的最后一个脉冲作为结束。互为闸门开启与第一个时 基脉冲出现之间的时间距离，瓦为待测信号停止时间与此后的第一个脉冲出 现的时间距离。为测得的整时基个数，而由图中可以看出时钟瓦一定大于 五与瓦，此时对五、瓦的测量不能够采用类似于计量标准信号瓦的普通计数 方法，而是要改换成周期更短的时基信号。其主要思路是在五、疋出现的时 间内将其扩展测量，例如在测量少计入的时间间隔五时，由输入的待测信号 哈尔溟t 程大学硕十学位论文 上升沿开启用于内插计数的标准时基脉冲，使用内插器将其扩大1 0 0 0 倍，并 在扩大后的时间内采用普通脉冲计数法对内插时基进行计数0 7 1 。同理，待测 信号结束时开启内插脉冲用于测量瓦，此时瓦也被内插器扩大1 0 0 0 倍，内 插时基保持计数直至扩展后的l o o o r , 信号结束为止。在五、互的时间之内， 用恒流源充电的方法进行时间扩展，如图2 7 所示，恒流源对电容的充电时 间为石，电容再以9 9 9 t 。的时间进行放电，此时电容恢复为最初电平状态， 同时扩展器闸门也关闭，若此时扩展时间为彳，则有五= 五+ 9 9 9 t 。= 1 0 0 0 r l 。 五时间内对内插时基计得的个数m ，便有五= n , r o ，所以有式( 2 1 4 ) 。 t - - 怒( 2 q 4 ) 同理，扩展后的瓦时间巧时间内内插时基计得个数为2 时便有 瓦= n , r o ，见式( 2 - 1 5 ) 。 瓦= 瓮( 2 - 1 5 ) 综合以上的公式，c 可以由式( 2 - 1 6 ) 表示： 互= n o + n l , 。- 0 0 n , ) r 。 ( 2 - 1 6 ) 由此可以得出，模拟内插法是对普通电子计数器中所采用的直接频率测 量法的循环运用，只能够减小士1 误差，但不能够避免，尽管在扩展后的五、 互内还会出现量化误差，但此时的误差已经由于扩展方法的采用而减小到千 分之一。由此可见，模拟内插法可以便普通的电子计数器精确程度提高三个 数量级。 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 7 内插时间扩展器原理 2 2 4 游标法 游标法利用游标卡尺的使用原理， 标准信号作为时钟对其进行频率测量， 在被测信号周期较高情况下使用本地 可以测量由于标频信号与闸门开启时 间不同步而引起的时差p 蝴。如图2 8 所示，检测电路中输入的信号量作为闸 门进行控制，在闸门开启时间内标准脉冲信号对闸门时间进行填充并且同时 对脉冲进行计数。如果所计脉冲周期个数为，则有瓦= 瞩，而闸门时间 多数情况下只约等于瓦，这是因为闸门信号开启与停止时刻的时钟信号脉冲 状态不确定，即两信号不同步。表示瓦相对于少计的时间，瓦表示瓦相 对于z 多计的时间，则有正= 瓦+ r o 一瓦。由于此时进行脉冲计数时存在士l 的量化误差，因此可以使用游标法进行进一步的细测瓦与瓦的值。 待测信号 控制闸门 时钟脉冲 | 墨 ，l _ f 。： 一点 ： iiii ii iilii _寸 瓦呵f 图2 8 时间测量法波形图 游标法的原理框图与工作波形图如图2 9 与图2 1 0 所示，在满足游标脉 1 5 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 冲周期稍大于时钟脉冲的前提下，图2 1 0 中游标脉冲l 和2 也可以选用相同 脉冲周期的信号。受被测信号控制的开启脉冲同时启动闸门和游标脉冲l ， 此时时钟脉冲和游标脉冲l 开始被计数。当时钟脉冲与游标脉冲在闸门开启 时间内出现第一个脉冲重合点时，重合处检测器l 会发出控制信号停止对游 标脉冲l 继续计数，若此时记得的脉冲周期个数为m ，游标脉冲l 的周期为 互，则可得 乙一l ( 五- t o ) = 0 乙= i ( 五一r o ) 输入待测信号控制闸门终止时，时钟脉冲停止计数，若此时测得脉冲个 数为，则时间c 的粗测结果为瞩，终止脉冲关闭r o 计数的同时启动游标 脉冲2 ，此时观察时钟信号与游标信号，如果两脉冲出现重合则本次测量停 止。若记得游标脉冲2 的周期个数为则同理有 瓦一2 ( 瓦- t o ) - - 0 瓦= 2 ( 互一瓦) 因此，测得的闸门时间瓦为： 瓦= 瓦+ 瓦一瓦 = 瓦+ l ( 石- t o ) - 2 ( 瓦一瓦) = ( 一l + 2 ) t o + l 五一 r 2 瓦 当两游标脉冲信号相同时可得式( 2 1 7 ) ： 瓦= 竺一5 曹一2 1 7 ( 篓一2 ) 互( 2 - 1 7 ) = 瓦+ ( l 一2 ) ( 五- t o ) 其中( 五一瓦) 代表了游标计数法的测量分辨能力，并且相对于时钟信号的 粗测分辨力与游标信号的分辨力都要高，可以将其表示为a r o ，并且当瓦与五 的差距越小时瓦值越小，即该方法分辨力越高。 1 6 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 待测信号控制闸门 时钟脉冲 游标脉冲1 游标脉冲2 图2 9 游标法原理框图 | 互 | 一点 iiiiliiiliililiil f 一 上l i 。 个脉冲周期) i 7 一丑 lii l - - _ 、，_ 一 l 一 fii - - - - 、，一- 一 ， 2 2 5 连续计数法 图2 1 0 游标法工作波形图 通常的计数算法采用闸门控制计数，开门时启动脉冲计数，闸门关闭以 后读取数值，但当闸门关闭时间内信号可能还会发生变化，容易忽略测量信 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 息。两个开启闸门时间之间存在着因为关闭计数而产生的时间间隙，间隙的 存在使得各个测量次数成为了独立的无关连的信号采样，难以发现两段测量 信号之间的关联性。 连续计数法是一种不存在时间间隔的计数测量方法，在测量计数时不关 闭闸门，脉冲计数器的数值可以同步读取。其工作原理如图2 1 l 所示，图中 计数器不断的对通过闸门的脉冲信号进行累加计数，图中各点为某一时刻计 数器的累加数值，又因为脉冲数值的变化表示着待测信号相位的变化，所以 每相邻点间连线的斜率就是频率。将测得数据进