广义的相位处理及在时频测控与同步中的应用

1、广义的相位处理及在时频测控(c kn)与同步中的应用 西安电子科技大学共六十九页 相位测量与处理在时频测量与处理以及更广泛的精密测量方面具有最高的分辨率，而且具有相当大的灵活性，信息的多样性，同时具有宽带的特性，广泛用于通讯、计量、电子仪器、导航定位、电力和交通管理、航空航天等领域(ln y)。 传统的相位比对周期性运动现象的普遍存在及相位问题频率信号之间的相位比对，利用的是周期性信号之间的规律性相位差变化特点。在一个比对周期段，标称值相同的两个频率信号，相位差以一定的量化单位连续变化；频率标称值相同的两个信号具有相同的标称周期，实现了以单周期为刻度的连续相位可比性。时频处理(chl)中的相位

2、处理(chl)共六十九页共六十九页借助于频率控制(kngzh)途径的下游技术及需求相位问题处理、认识的关键和领头作用 更丰富测量技术与仪器晶体器件向高端和下游发展的必须技术准备(zhnbi)频标信号处理控制应用、锁相环技术 影响更广泛的领域卫星导航的新的市场 为空间量的测控服务（新的处理问题和思路）军事和国防原子频标基础面的研究共六十九页5卫星导航授时与定位系统 卫星时频信号生成和保持部分(b fen)测量与控制装置原子频标 周期性现象 - 以时间频率(pnl)为核心的时频系统 西安电子科技大学共六十九页周期性现象(xinxing)周期性的天文(tinwn)现象、气候变化、自然灾害、经济规律、

3、股票的起伏等共六十九页相位比对（重画）特征(tzhng)：频率标称值相同、相位按周期连续变化、变化的满周期等于比对信号的周期共六十九页 传统的相位比对的缺陷及狭义性传统的相位比对只能在标称频率相同的情况下实现，应用场合受到限制 ；为了弥补这方面的不足，传统的相位测量与处理往往伴随着频率的变换和合成、频率偏差的误差倍增等技术。这样的做法不但增加了设备的复杂性而且也限制了精度(jn d)的进一步提高；近年来大量的应用领域不仅仅从检测精度，而且也从其他应用效果方面提出了更高的要求，传统的限制必须从概念、方法等方面进行更新性的工作。直接的相位处理才能揭示大量有用的信息（本来的面目）。因此，探讨任意频率

4、信号的直接相位处理具有显著的科学意义和实际应用价值。共六十九页 T 共六十九页 所谓的广义的相位测量与处理，突破了传统的同频信号之间才能进行相位比对，实现任意频率信号间的直接相位比对和处理。通过对周期性信号间相位变化规律的探索，就信号间存在的最大公因子频率、最小公倍数周期特性进行了分析，揭示了周期性运动现象间的量化相位差的步进值T=fmaxc/f1f2、等效鉴相频率fequ=1/T=AB fmaxc等的规律(gul)。 因此，任意周期性信号之间必定具有相位的可比性，相当大的灵活性，同时相位比对具有宽带的特性，而且在许多情况下处理的分辨率会很高。广义(gungy)的相位测量与处理 共六十九页 广

5、义的相位测量与处理的应用 根据对上述异频信号(xnho)间的广义相位测量和处理规律及特性的研究和掌握，已经和可能产生的应用有：通过概念的更新，使得相位问题已经不局限于同频信号之间，相位比对和处理扩展到任意频率信号之间，相位比对的工作重复周期等于频率信号间的最小公倍数周期，相位比对的满周期等于T；信号间特殊的相位现象的捕捉和利用能够被有效地用于消除数字测量中存在的量化误差以大幅度地提高测量精度，如3到5个数量级甚至更高；共六十九页 广义的相位测量与处理的应用频率差异很大的频率信号间能够用相位处理的方法实现链接，即完成准确度和稳定度的传递，这对于量子频标技术(jsh)的发展会带来新的机会；使得相位

6、处理问题的实施变得更灵活，应用也会更广泛；总体上扩展了信号处理的频率范围，提高了测量精度，简化了设备的结构；能够更好地解释周期性运动现象之间的不同相位特征的表现以及异常现象的成因等。共六十九页共六十九页 传统同频信号之间的相位(xingwi)比对，利用的是周期性信号之间的规律性相位(xingwi)差变化特点。在一个比对周期段，标称值相同的两个频率信号，相位(xingwi)差以一定的量化单位连续变化。 异频信号间相位比对具有的重要特性：最小公倍数周期最大公因子频率量化相位差步进值 相位量子等效鉴相频率周期性信号间相位(xingwi)比对的重要特性 共六十九页 对于任意两个(lin )频率信号f1

7、和f2, f1=Afmaxc, f2=Bfmaxc,其中A和B为两个互素正整数，则称fmaxc为f1和f2之间的最大公因子频率，最大公因子频率的周期为最小公倍数周期Tminc。一个Tminc 内，两异频信号(xnho)间的相位差分布状况相位差排列不单调，无连续性，传统方法无可比性。共六十九页 将研究的范围扩大为以最小公倍数周期(zhuq)为重复比对参照，就能够发现相位间的严格的规律性。将一个最小公倍数周期(zhuq)作为一个相位差比对群，将研究的范围扩大的连续若干个最小公倍数周期(zhuq)组成的一个群组内，就能够发现群与群之间的相位差变化的严格规律性特点。任意频率信号之间的相位差关系 - 按

8、群连续、群的处理(chl)、群同步 共六十九页任意频率信号(xnho)间的相位群连续任意频率信号(xnho)间的相位以Tminc为周期群表现出了严格的连续特性。对任意频率信号的相位处理必须考虑到群连续特征，采用平均和取样的处理方法。频率信号的相位群处理能够实现相位的群同步、频率控制以及精细的相位处理等。共六十九页群连续(linx)状态的表现和可用性同步的群体增减、按照Tminc的间隔分别连续和群体连续。提供了有规律相位差测量计算被测信号的额外频差，以及在此基础上的相位群同步和频率准确度和稳定度的传递。例子：10MHz传递10.23MHz等。需要特殊的测量手段：快响应时间以及两维的处理(chl)

9、方法。共六十九页群相位差是周期性变化的，平均(pngjn)可以从0变化到360度。T是由两个频率的标称频率决定的，是两个比对信号的相位差变化的步长。从时间的角度来说，f造成的群相移平均周期就是Tequ，我们也称Tequ为群相移周期，fequ为等效鉴相频率。 等效(dn xio)鉴相频率与相位差量化步进值共六十九页群相位比对方法 脉冲平均的方法：重合移动脉冲填充的方法：任意频率信号应该以最小公倍数周期为平均时间，采用周期群间的群相位平均。经过鉴相，利用电压(diny)平均采样，以若干个群为一组，信号波形图如图所示。周期群平均的脉冲平均输出(shch)波形 共六十九页脉冲填充方法的高精度测量可以(

10、ky)采用新的相检宽带测频方法。重合点移动检测相位处理分辨率恰恰等效鉴相频率周期 Tequ 。相位重合点检测线路的稳定度和分辨率是问题的关键所在。若干周期群脉冲平均输出(shch)的波形 共六十九页相位重合(chngh)检测方框图 利用信号间存在的T构成测量分辨率因子的实验方框图：测量结果(ji gu)的对应性，以及量化误差的消除。共六十九页特殊(tsh)频率关系的使用及高分辨率 Self-calibration frequencies（MHz）Frequency stabilities(/s)f0fx10.0000005.00000119.999996fs50.00001THz9.1310-

11、1410.0000005.00001199.9996fs5.00001THz1.3010-1210.0000005.00011.99996ps500.01GHz1.3110-1110.0000005.00119.996ps50.01GHz1.8210-1010.00000010.00001099.9999fs10.00001THz2.7710-1210.00000020.00001049.999975fs20.00001THz7.3410-1310.000000100.000019.999999fs100.00001THz2.6210-1410.000000190.000015.263fs19

12、0.00001THz5.6510-15系统(xtng)自校实验共六十九页相位比对和处理扩展到任意频率(pnl)信号之间周期群平均(pngjn)的脉冲平均(pngjn)输出波形 若干周期群脉冲平均输出的波形 共六十九页量化误差(wch)的消除以及精度的提高步骤 共六十九页测量精度、响应(xingyng)时间、分辨率的兼顾 超高分辨率的频率测量(cling)方案共六十九页共六十九页共六十九页（1）自校实验 铯钟输出的10MHz信号作为本系统的频标，又作为被测信号。测量(cling)数据如表1所示。 表1 自校实验结果测得频率值（Hz）频率稳定度(/s) 频率稳定度(/10s) 10000000.0

13、00002 37.1e-13 9.1e-14 共六十九页（2）频率测量实验 铯钟铯钟输出的10MHz信号作为本系统的频标，分别(fnbi)对多种信号源产生的信号进行测量，测得数据如表2所示。 表2 频率测量实验结果 fx测得频率值（Hz） 频率稳定度(/s) 频率稳定度(/10s) X72 10MHz铷原子频标 10 000 000.0001 17.3e-12 8.7e-13 Austron 1250A的5MHz信号 5 000 000.4731 16.2e-12 3.1e-12 HP8662A合成12 800 000Hz 12 800 000.5379 16.7e-123.5e-12HP86

14、62A合成16 384 000Hz 16 384 000.5584 16.6e-12 3.4e-12 HP8662A合成20 971 523Hz 20 971 523.5796 16.3e-12 3.2e-12 共六十九页精度提高(t go)的方法 一、高速(o s)A/D数据采集与处理 二、相位重合脉冲计数辅助的相位重合检测 共六十九页常常遇到的射频段的频率信号之间的相位量子化步进值会小到皮秒、飞秒甚至亚飞秒，也就是对应的2个射频信号之间的等效检相频率可以进入微波段以及光频段。这也为不同频段信号间基于相位群处理的频率信号之间的精密链接提供了基础。频率信号之间的精密链接使得频率差异(chy)很

15、大的信号之间通过相位群同步现象建立起严格的频率和相位的相关性并且消除掉额外的微小频差。相位比对和处理具有宽带特性，甚至能够实现频率信号之间相差5个数量级以上的信号之间的比对和链接。基于广义相位处理的频率(pnl)链接技术共六十九页在低频、射频以及微波频段已经有了很好的实验结果。这是由于在这些频段，用线路处理的方法很容易得到我们需要的结果。在频率很高的情况下，精密频标信号之间的相位干涉现象以及干涉变动是对链接的指示。在较低频率下以信号间的最小公倍数周期(zhuq)为取样间隔的典型的相位（时间间隔）的比对，以及以最小公倍数周期(zhuq)为平均长度的所有相位差的数值的平均，链接的结果是使得该相位差

16、值的取样值或者平均值保持恒定。随着频率的升高，可以采用仍然以信号间的最小公倍数周期(zhuq)作为采集效果的窗口，垂直交叉扫描获得的稳定的网纹图形等表现出相位群同步的效果。这时仍以干涉现象作为链接判断的依据。例如，当光路的变化和光的周期(zhuq)之间具有明显的严格倍数关系时，就会发生这种群同步为依据的干涉现象实现了频率上的链接。共六十九页 传统的链接方法 以频率的处理为基础。例如，主动型的氢原子钟就可以通过频率的变换和归一化处理，经过线路(xinl)上的复杂倍频、混频以及辅助的频率合成器等实现了氢原子能级跃迁的1420405750Hz的信号和被相位锁定的10MHz信号之间的精密频率链接。共六

17、十九页 新发展的链接方法 对于标称值不同的频率信号虽然不具备信号连续(linx)的相位可比性，但是在前面关于不同频率信号之间的特征最大公因子频率、最小公倍数周期、等效检相频率、量化的相位差步进值等的概念和特性的支持下，使得频率信号之间不但能够实现相位关系的比对，而且具有很高的分辨率。共六十九页共六十九页 量子频标：铯原子钟中9192631770Hz激励信号(xnho)的产生，比通常10MHz振荡器更好的频率选择是14,591,479Hz，这个信号的630倍频就会很容易的得到9192631770Hz的频率信号。共六十九页用HP8662产生14.591479M作为DDS(AD9852)的时钟输入（

18、使用内部倍频），所测出DDS输出(shch)10M的相噪如下：共六十九页用PH8662产生102.140353M作为(zuwi)DDS(AD8952)的时钟输入，所测出DDS输出10M的相噪如下：共六十九页共六十九页共六十九页共六十九页多次测量数据(shj)后，取了一组最优数据(shj)分析后，曲线相对平滑很多。为了便于观察图形的走势，最后一个数据(shj)都是额外加的。共六十九页为了更直观和形象的反映(fnyng)出这样两个频率信号之间的复杂相位关系以及在其间的对应于最小公倍数周期相位差的重复变化的叠加效果，并且也能够反映(fnyng)出和信号间的量化的相位差步进值和等效检相频率的数值，我们

19、采用了模拟示波器显示李沙育图形的方法。群同步和稳定的图形。共六十九页5MHz和10. 5MHz频率(pnl)信号的李沙育图形10MHz和10.025MHz频率(pnl)信号的李沙育图形共六十九页大频率比频率测量(cling)方案图共六十九页共六十九页用部分李沙育图形表示(biosh)的实验获得的相位数据比较共六十九页扩展了信号处理的频率(pnl)范围，提高了测量精度 广义的相位测量和处理扩展了信号处理的频率范围(fnwi)，可以实现从几十千赫兹到几个吉赫兹频率信号间的无间断的连续测量，测量分辨率普遍提高3个数量级，最好提高5个数量级。共六十九页新的相位噪声测量系统(xtng)，及标准指标的兼顾

20、 共六十九页相噪测量(cling)传统方法在特高分辨率、快响应时间、宽频率范围的精密频率测量的基础上（相关的相位差变化、测量门时起伏），把时域数据转换成为频域的单边带相位噪声曲线。相应时间的加快。优点：无复杂频率变换(binhun)、更低的本底噪声、无需锁相使用更方便。共六十九页进一步的创新性成果(chnggu)利用重合检测区域的重合信息的变化处理和测量(cling)更快响应的频率变化。响应达到微秒、百纳秒的快速。共六十九页借助于中介(zhngji)源的精密相位比对及精度的提高 基于(jy)中介源的超高分辨率相位差测量方案 共六十九页 相位差测量(cling)波形图共六十九页 10.23MHz

21、自校实验(shyn)共六十九页和DMTD方法(fngf)的比较 DMTD系统(xtng)方案图 共六十九页共六十九页Frequency Control SymposiumTutorials 4 June 2006, Symposium 5-7 June 2006Hyatt Regency Hotel, Miami, Florida, USAGroup 3 (Timekeeping, Optical & Atomic Standards) Finalists: 6020 - A Time and Frequency Measurement Technique Based on Length Ve

22、rnierHui Zhou, Wei Zhou, Xidian University 6057 - An Ultraviolet Diode Laser System for Laser Cooling Trapped Ytterbium IonsJonathan Cox, Marko Cetina, Franz Krtner, David Kielpinski, Massachusetts Institute of Technology 6068 - Continuous Light Shift Correction in Modulated CPT ClocksVishal Shah, S

23、venja Knappe, Vladislav Gerginov, John Kitching, University of Colorado 6120 - Electrolytic Fabrication of Atomic Clock CellsFei Gong, Yuan-Yu Jau, Katharine Jensen, William Happer, Princeton University 共六十九页共六十九页Group 1: Materials, Resonators, & Resonator CircuitsRandy Kubena, Hughes Research Labor

24、atory, USADana Weinstein, MIT, USAAaron Partridge, SiTime Corporation, USASheng-Shian Li, National Tsing Hua University, TaiwanGroup 2: Oscillators, Synthesizers, Noise, &Circuit Techniques Wei Zhou, Xidian University, ChinaVincent Cros, CNRS, FranceXianhe Huang, Chengdu University, ChinaMaxim Gorya

25、chev, University of Western Australia, Australia共六十九页 2009年06月25日科技期刊与新闻媒体2009年第6次见面会召开(zhoki)共六十九页共六十九页6月25日，2009年中国科协科技期刊与新闻媒体第6次见面会向媒体重点推介了6篇科技论文成果。此次会议由中国科协学会学术部主办，中国科技新闻学会、科技导报、中国科技期刊编辑学会承办，会议由中国科技新闻学会副理事长徐九武主持，副秘书长王代同出席会议。本次重点推介的6篇科技论文成果包括博客网络中具有突发性的话题传播模型、以等效鉴相频率为基础的群周期相位比对方法、基于GPS和GIS的土地整理现场调查技术开发与应用、使用新型太阳炉制造太阳能级高纯硅原料、论新地理信息时代与基于等效电路法的高效继电器建模与研究等。此次见面会还以书面形式推介了Slow light by two-dimensional photonic crystal waveguide、一种三维物体建模和编码压缩方法与极端雨雪在海峡电网(dinwng)安全评估需求分析与框架设计等3篇科技论文成果。 共六十九页对于已有技术的挑战：1、精度 T，fequ2、应用的广泛性 宽相 3、功能(gngnng)的扩展 测、处理、控制、链接、时钟4、应用注意到具