时间间隔分析仪研究

　　、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，这些测量值被处理。
无间隔测量的频率估值实际上是一连串的估计值，通过下式来计算，类似于传统的估计方式：

信号的任何频率不稳定性被包括在该频率估计数据中。对于稳态信号，给定等效的测量次数，无间隔测量的频率估值也比传统测量的估值更加精确，这是由于无间隔计数没有空载时间。无间隔测量技术能够求更多测量值的平均值，因此能给出单位时间内更高的频率分辨率（数据位），该参数在大多数系统中是很重要的。
图3给出了无间隔计数器的实现方案。


该方案中，第一个M位计数器是一个二进制编码的同步计数器，并且带有M位的数据第M位（最高有效位）用来驱动下一级的低速计数器，该计数器可以是脉动计数器或同步它也具有自己的数据锁存器。
当读命令有效时，它直接锁存M位计数器的计数值。但是，它并不直接激活低速计委存器，而是和第M位触发的单稳产生的脉冲进行与运算。处在脉冲宽度内的读命令无效，计数器的读操作直到脉冲终止才有效。其它的读命令立即激活第二个锁存器。使用R-s自免重复锁存第二个计数器。
由于第二个计数器是由第M位触发的，因此在触发之后将开始动作并且在适当的时间稳定下来。该计数器的读操作将被延迟tr，所以设计了一个由第M位触发的单稳触发器，tI时间内的读操作无效。单稳触发器的脉宽tp设计成大于稳定时间小子信号最小输入周倍，选择满足此条件的最小的M值。时间关系总结如下：

这里
tr=第二个计数器的稳定时
tp=单稳触发器的脉宽
fsmax=最大采样率
fmax =最大计数频率
M=同步计数器的位数
最大计数速率不受第二个计数器的速度和位数影响，并且整个计数器能以标准二进制编码动态读取。只要采样率低于1/tp，读命令之后紧接的事件就能确保产生新的有效的读操作。所允许的采样率与输入信号无关。
之所以称它为无间隔计数器，是因为在读取它时，计数器一直监视信号而没有空载时间存在。

3.2延迟内插技术
时间间用分听仪使用起时内指法来提高时间间隔分辨率。如图4所示，事件锁存信号和时基同步产生时间锁存信号，这两个信号进入由N个D触发器和N个延迟块组成的延迟单元组，分成N个相等时间间隔步进级。每一级确定一个时间量化单位。
内插的实现过程：假定每一级延迟块延迟时间为tps，当事件锁存信号（上升沿）到来后，每隔Tbs，此上升沿通过一个延迟块（这个延迟块对应的延迟单元中D触发器的数据端为逻辑‘1’），到达下一个延迟单元。时间锁存信号作为所有延迟单元中D触发器时钟端，当时间锁存信号（上升沿〉到来时，所有延迟单元中D触发器的数据端状态被锁定，锁定后D触发器输出逻辑‘1’的个数量化了两个锁存信号之间的时间间隔。触发器输出一种温度计（thermometer）码，该码被转换成二进制周同事件计数信和时间计数信一起在他在硝程系统中。量化过程中的时序关系如图5所示。与其它时间-数字（time-digital）转换器相比，这种内插技术的优点在于：它的转换率比较高，适用于实时测量系统中；另外，这种内插技术中不使用复杂的时间-幅度转换电路，使得电路简捷。



4、结论

相位数字化方法是捕捉和分析许多扩频信号的有效方法。与幅度数字化相比，它更经济、准确，且能在宽的频率范围内对信号进行捕捉。本文提出的时间间隔分析仪原理框图，方案合理可行，根据此原理已经成功研制出了VXI总线时间间隔分析仪实用化模块。无间隔测量方法的成功实现，为测量频率和时间间隔的变化提供了更为先进的测量手段，能够有效地测量信号的时变特性。延迟内插技术成功在实现了微小时间间隔的测量，大大提高了测时分辨率；并且这种方法转换率比较高，不使用复杂的时间-幅度转换电路使得电路简捷。