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時(shí)間間隔分析儀研究
、引言隨著(zhù)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向數字傳輸，信息越來(lái)越多地作為數字脈沖之間的時(shí)間或相位的變化而傳送出去。這樣，對數字信號進(jìn)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(guò)測量?jì)蓚�(gè)模擬電壓值，即I和Q分量來(lái)導出測量結果。
這種利用模擬電壓來(lái)測量的儀器隨著(zhù)現代調制方法的出現而陷入了困境。因為為了可靠地進(jìn)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(shí)間的準確性決定的，因而，有效、準確地測量頻率、相位和時(shí)間是對測試這類(lèi)信號的專(zhuān)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(jìn)行測試與分析，這樣在調制域中開(kāi)發(fā)和研制測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。
2、時(shí)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(diǎn)，丟棄幅度信息。由于數據是相位、頻率或時(shí)間形式，因此避免了三角函數，取而代之的是如直線(xiàn)和拋物線(xiàn)等簡(jiǎn)單函數。因此，即使是相當復雜的調制信號，分析起來(lái)也相當簡(jiǎn)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(shí)間，由此進(jìn)行處理得到測量結果。
考慮一個(gè)調制信號
其中φ(t)是單調遞增的，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(mǎn)足簡(jiǎn)單的數學(xué)關(guān)系：
式中ei為整數，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(kāi)關(guān)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(fā)電平、觸發(fā)的斜率以及完成阻抗匹配。
測量硬件主要由序列發(fā)生器、事件計數器、時(shí)基部分和存儲器系統四個(gè)部分組成。序列發(fā)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(shí)基部分產(chǎn)生啟動(dòng)信號和鎖存信號。啟動(dòng)信號和鎖存信號要受輸入信號的組態(tài)、采樣間隔及其他的啟動(dòng)限定條件的制約。測量硬件的輸入信號還有外部啟動(dòng)輸入和外部標準時(shí)鐘輸入。另外，測量硬件還接收來(lái)自微處理器的對測量進(jìn)行設置和控制的指令。
兩個(gè)事件計數器對序列發(fā)生器傳送來(lái)的事件信號計數，它們能用來(lái)進(jìn)行測量和產(chǎn)生啟動(dòng)信號（如保持一定的事件數或一定的時(shí)間后啟動(dòng)測量）。時(shí)基部分的作用就是為每一個(gè)鎖存的事件計數值建立時(shí)標，進(jìn)而建立鎖存的計數值的時(shí)序關(guān)系，這樣頻率或時(shí)間間隔就能作為時(shí)間的函數進(jìn)行處理。時(shí)基部分主要由時(shí)間計數器和內插器組成。時(shí)間計數器對時(shí)基時(shí)鐘計數，內插器主要功能是量化事件鎖存信號和時(shí)間鎖存信號之間的時(shí)間間隔，提高時(shí)間的分辨率。
存儲器系統主要是有序地存儲事件計數值、時(shí)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?xún)A處理結系統進(jìn)行處理或者可以通過(guò)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(hù)定義的采樣期內測量第一個(gè)事件與最后一個(gè)事件之間的時(shí)間。這些信息在存儲器系統中被存儲起來(lái)，在完成數據獲取后進(jìn)行處理。
微處理器系統主要作用是控制時(shí)間間隔分析儀的功能以及完成與VXI總線(xiàn)的通信。
3.主要關(guān)鍵技術(shù)
3.1無(wú)間隔測量技術(shù)
為解釋無(wú)間隔測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，我們使用對簡(jiǎn)單的穩態(tài)正弦信號（圖2）進(jìn)行采樣來(lái)比較傳統的交互式計數器和無(wú)間隔計數器。
交互式計數器打開(kāi)測量閘門(mén)，記錄事件計數和時(shí)間計數，接著(zhù)在事先設定的閘門(mén)時(shí)間（終止采樣）之后關(guān)閉測量閘門(mén)，再次記錄事件計數和時(shí)間計數（圖2）。測量在終止采樣點(diǎn)完成，使用下面的頻率估計方法來(lái)計算頻率。
交互計數器簡(jiǎn)單地測量了在規定時(shí)間內有多少個(gè)信號周期出現，測量閘門(mén)與被測信號同步。這就允許事件計數是一個(gè)整數，測量誤差完全由量化時(shí)間計數過(guò)程中的誤差所引起。
頻率結果以數字形式呈現給用戶(hù)，另一次測量又開(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，信號的變化不能被包含在平均值中，空載時(shí)間標在圖2中。該過(guò)程出現時(shí)，不能進(jìn)行測量。通常，不同次的測量的誤差也是互不相關(guān)的。
空載時(shí)間不僅中斷了對信號的測量，而且也破壞了閘門(mén)之間的時(shí)序關(guān)系。對空載時(shí)間的處理，可以使用另一個(gè)計數器來(lái)測量它，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，還存在著(zhù)很小的時(shí)間碎片，這種系統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)間隔計數器的測量是背靠背（back-to-back）進(jìn)行且僅在最后一個(gè)測量值獲得后處理測量結果，而不是測量過(guò)程與處理過(guò)程交叉進(jìn)行。這種背靠背的測量是無(wú)間隔測量的實(shí)質(zhì)，一連串的無(wú)間隔測量值稱(chēng)為一個(gè)數據塊，在一個(gè)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(diǎn)與第i-1次的終止采樣點(diǎn)是同一個(gè)，結果就使得不同次測量的誤差總是相關(guān)的，這就提高了求平均的性能。在測量的塊之間無(wú)間隔計數器具有空載時(shí)間，在此期間，這些測量值被處理。
無(wú)間隔測量的頻率估值實(shí)際上是一連串的估計值，通過(guò)下式來(lái)計算，類(lèi)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(tài)信號，給定等效的測量次數，無(wú)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(wú)間隔計數沒(méi)有空載時(shí)間。無(wú)間隔測量技術(shù)能夠求更多測量值的平均值，因此能給出單位時(shí)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(wú)間隔計數器的實(shí)現方案。
該方案中，第一個(gè)M位計數器是一個(gè)二進(jìn)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(lái)驅動(dòng)下一級的低速計數器，該計數器可以是脈動(dòng)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(shí)，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(fā)的單穩產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行與運算。處在脈沖寬度內的讀命令無(wú)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(gè)鎖存器。使用R-s自免重復鎖存第二個(gè)計數器。
由于第二個(gè)計數器是由第M位觸發(fā)的，因此在觸發(fā)之后將開(kāi)始動(dòng)作并且在適當的時(shí)間穩定下來(lái)。該計數器的讀操作將被延遲tr，所以設計了一個(gè)由第M位觸發(fā)的單穩觸發(fā)器，tI時(shí)間內的讀操作無(wú)效。單穩觸發(fā)器的脈寬tp設計成大于穩定時(shí)間小子信號最
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