基于低采样率的频率高精度数字测量方法研究

频率高精度测量目前不能采用数字分析方法的主要原因在于采样率和高速数据处理能力很难达到要求，按传统频率数字化测量法对10MHz标准频率信号实现1e-13精度的测量需要采样率大于1GHz，硬件成本非常高。.同时传统的频率高精度测量方法受电路噪声影响较大，依靠电路工艺水平的改善提高测量精度是一个长期缓慢的过程，而当前频率测量能力已经落后于原子钟所能达到频率稳定度水平，急需进行这方面的研究。.本项目通过研究数字采样和精密频率测量的特点，提出基于提取待测信号频率值特征信息的频率低采样方法。以远低于采样定理要求的采样率，收集待测信号的特征信息数据，如测量10MHz信号的采样率不会高于10KHz，实现测量优于1E-13的稳定度；探索数据处理对电路噪声的平滑算法，在现有电路工艺水平下实现测量精度的提高。本项目对这种方法涉及的理论和方法进行研究，研制原理试验样机，实现Allan方差(1s)优于1e-13。

频率高精度测量不能采用数字分析方法的主要原因在于目前采样率和高速数据处理能力很难达到要求，传统信号数字化根据采样定理，需要2倍以上采样率才能实现信号复原，测量精度越高需要的采样率越高，如按传统频率数字化测量法对10MHz标准频率信号实现1E-13精度的测量，需要采样率大于1GHz，硬件成本非常高。同时传统的频率高精度测量方法受电路噪声影响较大，依靠电路工艺水平的改善提高测量精度是一个长期缓慢的过程，而当前频率测量能力已经落后于原子钟所能达到频率稳定度水平，急需进行这方面的研究。. 通过本项目的研究，提出一种低采样率实现高精度频率测量的方法，能以小于100KHz的采样率实现对10MHz甚至更高频率信号的采样，解决了频率信号数字化瓶颈；提出数字相关高分辨率测量相位差，二次项拟合降低相位噪声等降噪算法，降低了对测量系统电路噪声抑制能力的要求，保证高精度测量的实现；本方法结合虚拟仪器技术最终设计实现原理试验样机，具备了虚拟仪器可开发、可扩展功能等优点，同时具有现代仪器测试、分析、存储等特征，符合现代仪器发展方向。 . 本项目基于低采样率的频率数字测量方法，进行了理论分析和仪器研制实现，研制完成的原理试验样机，弥补了国内电路工艺水平差距，是一种低成本可实现的频率高精度测量方法，测量10MHz信号的Allan方差（1s）优于1E-13，实现了预期指标。