基于DSP的小型化高精度频标比对系统研制

唐升，刘娅，李孝辉



基于DSP的小型化高精度频标比对系统研制

唐升1,2,3,4，刘娅1,2，李孝辉1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院时间频率基准重点实验室，西安 710600；3. 西北大学 信息科学与技术学院，西安 710127；4. 中国科学院研究生院，北京 100039）

针对传统双混频时差法测频的局限性，提出了一种差拍数字化精密频率测量方法，基于正弦差拍技术、同步采样技术和数字信号处理技术设计实现了一种新型频标比对系统，可实现对5 MHz、10 MHz等频标信号的比对测量。实验结果证明，测量10 MHz频标信号时系统本底噪声约为1×10-12/s。系统拥有测量精度高，体积小以及成本低的特点，在时频测量领域具有良好的推广和应用价值。

频标比对；正弦差拍；数字精密测频；本底噪声；数字信号处理

0 引言

频标比对是指测量两个频率标准的相对频率偏差或相位偏差，然后对测量数据进行处理分析，进而获得频率标准的准确度、稳定度等计量指标。频率标准一般是具有特定频率标称值的标准频率源，常用的频率标准的标称值一般有5 MHz、10 MHz等。为满足航空航天、卫星导航、通信、电力等高科技领域的技术需求，目前原子频标、高稳晶振、频率合成器等频率标准的准确度、稳定度等性能指标都有了很大提高，因此针对频标比对测量方法的研究及设备研制也愈显重要。

现有商品化频标比对仪器常采用的测量方法有频差倍增法、差拍法和双混频时差法等，特别是双混频时差法，具有方法简单、测量分辨率高等诸多优点，故应用最为广泛[1-3]。目前美国喷气推进实验室（JPL）的多通道频标稳定度分析仪（FSSA）、德国TimeTech 公司的比相仪（PCO）等高精度的频标测量设备都采用了该测量方法。此类仪器具有良好的测量性能，但是大多体积庞大，设计复杂，而且价格昂贵。

本文提出了一种基于DSP（digital signal processor）的小型化频标比对系统设计方案。该系统延用了经典的双混频时差测量技术，但对两个差拍信号测量时舍弃了传统的计数器计数测量方式，引入双通道数据同步采样技术和数字化测频方法，有效克服了传统频标比对仪器所广泛存在的计数器误差，实现对频标信号的高精度测量。

1 系统工作原理

图1 传统的双混频频标比对方法

传统的双混频时差法频标比对通常将混频后的差拍信号放大整形成方波信号，并以此作为计数器的开、关门控制信号，通过计数器计数的方式实现两信号的时差或频率测量。通过计数器进行时差测量时不可避免地存在着±1个字的计数误差、触发误差等计数器误差。

本文提出差拍数字化精密测频方法，使用正弦差拍器差拍出正弦波信号，用同步采样技术和数字化测频方法来替换传统的计数器计数测量模式，克服了计数器误差。系统组成结构如图2所示，主要包括正弦差拍模块、数据同步采集模块和数字信号处理模块3部分。

图2 小型化频标比对系统结构

2 关键技术

2.1 正弦差拍技术

2.2 双通道数据同步采样技术

当对应两个差拍通道的两个A/D转换器的采样时序得到严格的同步控制，上述误差即可避免，并且公共振荡器相位噪声对测量过程产生的影响也会因为严格的同步数据采集而在后续的数字化测频中被抵消，提高了测量精度。此外，在同步采样的前提下系统固有通道时延可以在后续数字信号处理过程中扣除，便于调整系统通道的对称性。

为满足对双路正弦差拍信号采集的同步性要求，系统中选用的AD芯片是TI公司的ADS8364。ADS8364是高速、低功耗、六通道同步采样16位模数转换器，采用+5 V工作电压，拥有6个80 dB 共模抑制的全差分输入通道，共分为3组（A，B和C） ，每个输入端都有一个ADCs保持信号用以保证几个通道同时进行采样和转换，其取样保持模块最大吞吐率为250kHz[4]。为满足ADS8364的全差分输入要求，数据同步采集模块的前端设计相应的信号调理电路。同时，选用TI公司的MSP430F149处理器来完成ADS8364的采样控制信号产生以及采样数据的缓存。

图3 差拍信号的同步采样与非同步采样

2.3 数字化测频技术

2.3.1 相位差测量

数字相位差测量是将混频后的双路正弦差拍信号经同步采样后送入数字信号处理器进行运算处理，区别于传统的计数器方式测量，是一种以数字信号处理为核心的软件法测量技术。相关法测量相位差具体通过求得两信号的互相关函数值以及两信号的幅度值来完成。

假设混频器输出的两个差拍信号分别为：

2.3.2 频率差测量

3 系统软硬件设计

3.1 系统硬件

系统硬件结构如图4所示。系统硬件设计综合考虑性能、体积以及成本，采用德州仪器公司的DSP芯片TMS320C6713B作为核心处理器对采样数据进行分析和处理，完成相位差、频率差的计算及串口输出[5]。TMS320C6713B外扩闪存（FLASH）作为其程序存储器，外扩同步动态随机存储器（SDRAM）作为其数据内存。为了协调系统数据采集、传输、处理以及输出多任务同时进行，采用一片微控制器（MSP430F149）作为协处理器来完成对ADS8364的采样控制、采样数据缓存、按键管理等控制任务[6]，而DSP专心于完成运算量比较大的相位差、频率差求解算法。

图4 系统硬件结构

TMS320C6713B与MSP430F149数据通信实现方案有多种，如串行通讯方式、USB通信方式、用芯片实现的并行通信方式、双口随机存储器方式等。但是这几种数据交换方式，通常都要占用DSP硬件资源，同时软件开销也非常大。本系统中TMS320C6713B与MSP430F149之间的数据通道采用主机接口（HPI）实现[7]。主机口HPI是一个16 bit宽度的并行端口，系统设计中MSP430F149掌管该接口的主控权。HPI接口方式用于TMS320C6713B与MSP430F149之间的通信，基本属于内总线数据交换方式，完全没有硬件和软件开销，由DSP硬件协调冲突，从而不会打断DSP正常程序的运行。在HPI通信方式下，DSP片内存储器和存储器映射的外围设备对外界完全透明，MSP430149把采集到的数据通过HPI直接存入DSP的外扩SDRAM中，以便DSP对数据进行运算处理，并且在数据传递时不影响DSP的其他工作任务，这是满足系统实时性的重要保证。系统每秒输出一次测量结果，其数据输出接口为RS232标准串口，故系统采用一片电平转换芯片（MAX232ESE）实现DSP输出到标准串口的逻辑电平转换。

3.2 系统软件

MSP430F149控制ADS8364以特定的采样率（如10 kHz）对双路正弦差拍信号采样，并通过HPI接口实时地把数据存储到TMS320C6713B的外扩SDRAM中，每隔一段时间（如1 s）会触发DSP的“DSPINT”中断，DSP随机进入中断服务子程序完成取数、运算、输出等相关工作任务，其程序流程如图5所示。

图5 DSP程序流程图

4 系统测试

为测量系统的通道时延以及本底噪声，搭建系统测试平台如图6所示。中国科学院国家授时中心钟房输出的10 MHz信号经频率分配放大器HPDA-15RM-B分成两路分别输入到频标比对系统的通道1和通道2。

图6 系统测试平台

4.1 系统时延标定

第1次测量：信号连接方式如图6所示，此时信号通道间的相对时延可表示为

第2次测量：交换频标比对系统的两路输入，即原来连接通道1的HPDA-15RM-B输出连接至通道2，连接通道2的HPDA-15RM-B输出连接至通道1，此时信号通道间的相对时延可表示为

由式（11）和（12）可得频标比对系统通道时延，即

根据上述方法测得本文设计的频标比对系统通道时延为412.2353 ps。为使系统输出真实反映被测对象，此时延在DSP解算相位差时已被扣除。

4.2 本底噪声测量

经测量验证，本文设计的频标比对系统本底噪声接近1×10-12/s，如图7所示。此测试结果受限于频率源的稳定性、频率分配放大器的稳定性、电源稳定性、线缆接插件的质量以及实验室各种电磁干扰，改善上述测量条件时测量结果将进一步提高。

图7 系统本底噪声性能

5 结论

本文采用正弦差拍技术、同步采样技术和数字信号处理技术研制的频标比对系统能够自动实时测量频标信号的相位差和频率差，可以应用于对各种原子频标及石英晶体频标的长、短期频率特性指标的测量和检定。系统具有测量精度高、体积小以及成本低的优点，在时频测量领域具有一定的应用和推广价值。

[1] 张爱敏, 高小珣, 宁大愚, 等. 多通道双混频时差测量系统的实现[J]. 计量学报, 2009, 30(6): 563-566.

[2] 刘娅, 李孝辉, 王玉兰. 一种基于数字技术的多通道频率测量系统[J]. 仪器仪表学报, 2009, 30(9): 1964-1968.

[3] WEISS M, SHOME P, BEARD R. On­board GPS clock monitoring for signal integrity [C]// 42nd Annual Precise Time and Time Interval(PTTI) Meeting, 2010: 465-479.

[4] Texas Instruments. Analog­to­Digital Converters ADS8364(Literature Number: SBAS219C) [Z]. USA: Texas Instruments, 2006.

[5] Texas Instruments. TMS320C6713B Floating­piont Digital Signal Processor(Literature Number: SPRS294B)[Z]. USA: Texas Instruments, 2006.

[6] Texas Instruments. MSP430x14x Mixed Signal Microcontroller(Literature Number: SLAS272F) [Z]. USA: Texas Instruments, 2004.

[7] Texas Instruments. TMS320C6000 DSP Host Port Interface Reference Guide(Literature Number: SPRU578C)[Z]. USA: Texas Instruments, 2006.

Development of small-sized high-precision frequency standard comparison system based on DSP

TANG Sheng1,2,3,4, LIU Ya1,2, LI Xiao-hui1,2

(1.National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard, National Time Service Center,Chinese A cademy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. School of Information and Technology, Northwest University, Xi′an 710127, China;4. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

On the basis of analysis of the limitation of the traditional dual mixer time difference method, a digital method to achieve high precision of frequency standards measurement is proposed, and a new frequency standards comparison system towards such frequency standards as 5MHz and 10MHz is presented in this paper. The system is designed by adopting some new and original technologies, such as sinusoidal beat technology, synchronous sampling technology and digital signal processing technology. The experiment results verify that the noise floor of the system is about 1×10-12/s for 10 MHz frequency standard. Since the system has the characters of high precision, small volume and low cost, it is of great value of application and dissemination in the field of time/frequency measurement.

frequency standard comparison; sinusoidal beat; digital frequency measurement; noise floor; digital signal processing

TM935.1

A

1674-0637(2012)04-0205-07

2012-02-02

国家自然科学基金重点资助项目（11033004）；国家自然科学基金资助项目（61001076）

唐升，男，博士研究生，主要从事时间频率测量与控制方法研究。