用於精確相移測量的系統和方法

2023-11-09 21:35:52 1

專利名稱：用於精確相移測量的系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及精確測量，並且更具體地測量周期性地激勵的物理系統中的相移的精確測量。
背景技術：
在周期性地激勵的物理系統中常常存在對相移的精確測量的需要。對這樣的測量很感興趣，因為激勵和響應之間的相移常常為測量物理系統的某種屬性(例如其諧振頻率或阻尼常數)提供了一種敏感的方法，所述屬性又隨著在環境中要被監控的量(例如溫度或化學成分)而變化。例如，物理系統可以是由兩個相對的高反射率反射鏡形成的光學諧振腔。激勵可以是照射反射鏡之一的已調製的非相干光源的強度；響應可以是漏到腔之外的已調製的光的強度。在這種情況下，激勵的調製和響應的調製之間的相移隨著諧振腔內的光子壽命而變化。也就是說，它隨著阻尼常數而變化，該阻尼常數又隨著因為填充腔的氣體中的光學吸收化學物種的存在而引起的光損耗而變化。這樣的技術可以被用來感測各種各樣的化合物的存在。例如，如果光具有440nm光譜範圍中的波長，則可以以這種方式感測到二氧化氮的光學吸收。在另一例子中，物理系統可以是壓電石英晶體諧振器。激勵可以是施加的電壓；響應可以是結果產生的電流。在這種情況下，電流和電壓之間的相移隨著諧振頻率的改變而變化，諧振頻率又響應於諸如溫度或沉積在表面上的質量之類的因子而變化。在許多實際情形中，高激勵頻率和低響應強度的組合使得直接測量響應和激勵之間的相移不可行。在這些情況下，通常採用外差檢測來允許完成較低頻率處的測量。然而，通常在可以執行實際的相移測量之前需要響應的一定放大。該放大產生問題，因為其通常引起必須與由待研究物理系統產生的相移區分開的附加相移。因此，存在對精確測量周期性地激勵的物理系統中的相移的改進技術的需要，該技術不會受到那些缺點的影響。

發明內容
在一個實施例中，外差相移測量系統包括頻率發生器，該頻率發生器產生激勵信號，與激勵信號相干的本地振蕩器信號，以及處於激勵信號和本地振蕩器信號的差頻下的參考信號，所述參考信號與激勵信號和本地振蕩器信號相干。激勵信號被施加於物理系統以產生響應信號，該響應信號又通過混合器與本地振蕩器信號混合以產生輸出信號。例如放大器的濾波器選擇輸出信號的差頻分量。在例如計算元件的控制下，頻率發生器改變激勵信號和/或本地振蕩器信號的頻率，以使得差頻分量的幅度是恆定的，但是差頻分量的符號從正變為負。在該差頻分量的兩個符號中的每一個處，測量輸出信號的差頻分量相對於參考信號的相移。從在正的符號處測量的相移減去在負的符號處測量的相移，並且然後將差分成兩半以產生相移結果。以這種方式，可以基本上獨立於由外差相移測量系統中的其他部件(例如由混合器的下遊的電路部件)引起的任何相移而測量由物理系統引起的相移。


下面的描述參考附圖，在附圖中
圖1是示例外差相移測量系統的示意圖2是示出適合於在圖1的相移測量系統中使用的解調器元件的第一示例實施方式的示意圖3是示出適合於在圖1的相移測量系統中使用的解調器元件的第二示例實施方式的示意圖4是用於圖3的示例解調器元件的示例時序圖5A是在使用圖1的外差相移測量系統的示例外差相移測量中涉及的代表性波形的描述；
圖5B是精確外差相移測量的示例步驟序列；
圖6是示出結合圖3的解調元件使用的第一示例頻率發生器的示意圖； 圖7是示出使用針對結合圖2的解調元件使用的本地振蕩器信號的線性調頻轉發器頻率偏移發生器的第二示例頻率發生器的示意圖；以及
圖8是示出使用針對結合圖3的解調元件的頻率偏移生成的鎖相迴路的第三示例頻率發生器的示意圖。
具體實施例方式圖1是示例外差相移測量系統1000的示意圖。激勵頻率為fx的周期性激勵信號 1001被供應給待研究的物理系統1002的輸入埠。響應信號1003然後進入混合器1004 的兩個輸入埠中的一個1041，另一個輸入埠 1044接收本地振蕩器頻率為f\。的本地振蕩器信號1042。混合器1004的輸出信號1043進入放大器1005的輸入埠 1051，該放大器1005的輸出信號1052進入解調器元件1008、1008，的輸入埠 1081、1081，。它們還具有參考輸入埠 1082、1082，，分別將參考信號1006、1006，供應給所述參考輸入埠 1082、 1082』。這些參考信號處於激勵頻率f,，並且在最簡單的情況下，它們分別是正弦和餘弦波形。解調器元件1008、1008，使輸出信號1052乘以這些參考信號波形1006、1006，，且對該乘積積分(或者以其他方式低通濾波)，其被報告為同相的I以及正交的Q輸出1083、1083』。 注意，解調器元件1008、1008』通常不是直接實施的，而是結合計算元件10010 (即微控制器、處理器、或能夠執行數學計算和/或生成控制信號的其他數字邏輯電路的集合)一起工作以便完成等同的操作並產生輸出10011。解調器元件1008、1008』的許多實現是可能的，並且可以與各種不同的解調器一起使用本技術。因此，下面兩個可能的解調器的描述僅意圖成為說明性示例。在這兩個示例中，放大器1005的輸出信號1052被假設成已被電壓到頻率轉換器(未示出)轉換成可變頻率脈衝序列。還要注意，信號的實際形式可以在整個信號處理過程中變化。例如，輸入信號1001 將起源為邏輯狀態，其被轉變成激勵物理系統1002的光強度，離開物理系統的光可以被轉變成由混合器1004使用的電流，來自該混合器1004的電流在放大之後被轉變成可變頻率脈衝序列的頻率，以輸入到解調器元件1008和1008』。為了簡潔，在下文中將不明確地討論這些轉變操作，因為他們在本領域中是公知的，除非此處的討論本質上是為了避免模糊之外。混合器1004可以通過乘以其兩個輸入信號1003、1042而工作。因此，如果輸入是正弦波，則混合器1004的輸出具有頻率為&+&。和fx-fl0的頻率分量，或者分別具有和頻分量以及差頻分量。差頻分量還被稱為以下名稱，中頻IF以及參考頻率f；，其中將在下文的某些位置處使用後者。差頻被用於後續的處理，所以放大器1005包括濾波器，其用於低通濾波混合器1004的輸出信號1043以選擇混合器的差頻輸出並且丟棄混合器的和頻輸出。在許多感興趣的情況中，頻率為fx的激勵信號1001以及頻率為 \。的本地振蕩器信號1042實際上是方波。這樣的原因是方波通常可以由具有與激勵的典型周期l/fx (大約100微秒或更長)相比較的處於毫微秒範圍的上升時間與延遲時間的數字邏輯元件生成。 因此，由這些信號的生成引起的不想要的相移通常處於循環(cycle)的<10_5 ( 13弧秒) 的量級，並且該角度的不穩定性通常甚至更小。相反，如果信號1001、1042是正弦波，則它們的生成通常將具有需要的放大和濾波操作，其中將難以實現低等級的相移，並且這將經歷特別歸因於溫度不穩定性的不穩定性。如果激勵信號1001和本地振蕩器信號1042是方波，則混合器1004的輸出一般將具有3 (fx-fl0),5 (fx-f1)等處的附加頻率分量，並且放大器1005可以進一步結合濾波來抑制這些附加的頻率分量。此外，為了測量相移，頻率f;、fx和 \。應該是相干的，即在f；的完整循環期間，fx和。二者還應該具有整數數目個完整循環。圖2是示出適合於在圖1的相移測量系統中作為解調器元件1008和1008』中的一個而使用的解調器元件的第一示例實施方式的示意圖。N位數字計數器2000(例如N=4) 在時鐘埠 2004處接收頻率為2Nf,的脈衝序列2002，其被用作時鐘脈衝。在頻率為f,的每個循環期間，供應給輸出埠 2006的N位輸出信號2003逐步通過(st印through)所有 2N個可能值。N位數字計數器2000進一步在重置埠 2005上周期性地接收重置信號2001。 N位數字計數器2000的N位輸出信號2001被供應給解復用器2010的地址埠 2011，其進一步在數據埠 2012上接收輸出信號1052 (以脈衝序列的形式)，其中信號1052是經歷電壓到頻率轉換器(未示出)的圖1的放大器1005的輸出。輸出信號1052根據地址被傳送到 2N個輸出埠 2012中的一個，所述2N個輸出埠 2012中的每一個連接到具有計數器的計數器陣列2022中的計數器2021。在累積用於指定數目個f,的循環的脈衝序列輸出信號1052之後，這些計數器2021的內容被通過總線10020連接到計數器陣列2022的計算元件10010讀取。計算元件10010然後例如使讀數乘以(下文)表1中示出的權重(例如對於 N=4的情況)，並且逐列將結果相加。這些和是同相的I和正交的Q值，並且總的相移可以被發現為 3" arctan(Q/I),容易看出通過選擇權重，對所選擇的fr的諧波的響應可以成為零 例如在表1中給出的權重產生對頻率34、5f；和7f；的零響應。可選地，計數器2000還接收頻率為f,的重置信號脈衝序列2001作為輸入，當本地振蕩器信號1042和激勵信號同相(即二者在同一時刻經歷轉變)時，將其重置成零狀態(清除所有輸出位)，這在每個差頻循環發生一次。可替換地，N位信號2003可以被用於有效地確定本地振蕩器或激勵信號的瞬時相位。這將在下文中進一步討論。
表1應用於計數器陣列2022中的計數器1021以評估I和Q的示例權重
圖3是示出適合於在圖1的相移測量系統中作為解調器元件1008和1008』中的一個而使用的解調器元件的第二示例實施方式的示意圖。數字計時器3031、3033分別在觸發埠 3020、3021上接收觸發信號並且在時鐘埠 3025,30 上接收時鐘信號3001，並且在輸出埠 3028、30四上產生輸出信號3002、3003。當由觸發信號的下降沿觸發時，輸出信號對於N1時鐘脈衝保持低，然後對於隊時鐘脈衝變為高，然後再次變為低。這一功能可以從例如最初由 Advanced Micro Devices (Sunnyvale, CA)製造的 AM9513A/AM9513 計數器電路獲得。注意，數字計時器3033由來自數字計時器3031的輸出脈衝的結束(下降沿)觸發。 輸出信號3002、3003的這些輸出脈衝被作為門輸入供應給兩個其它計數器的門埠 3046、 3047，第一計數器3036由數字計時器3031控制，並且第二計數器3037由數字計時器3033 控制。這些計數器3036、3037在時鐘埠 3041、3042上接收例如從與放大器1005相關聯的電壓到頻率轉換器(未示出)獲得的輸出信號1052 (以脈衝序列的形式)作為它們的時鐘輸入。當門輸入為高時，對這些脈衝計數，並且當門輸入為低時，忽略它們。它們可以由計算元件10010通過總線10020讀出，並且上述分量(未示出)的複製品可以類似地通過總線 10020，被讀出。 圖4是圖3的解調器元件的示例時序圖4000。進入數字計時器3031的時鐘信號 3001是參考頻率f,的倍數Ntl倍，並且因此時間軸被從0標度到隊。軌跡4010是觸發脈衝序列3000。軌跡4020是第一數字計時器3031的輸出3002，其中低時間和高時間被分別指定為N11和N12。軌跡4030是第二數字計時器3033的輸出3003，其中低持續時間和高持續時間被分別指定為^和N22。這些分別是用於兩個計數器3036、3037的門信號，並且計算元件10010可以將這些權重分別指定為+1和-1。因此，這些波形和計算的結合等同於在軌跡4040中示出的參考波形。軌跡4050示出正弦波和餘弦波，並且因此限定相角測量的零點。觀察到通過使得N11=Nci/^, N21=N0/6,和N12= N22=N0/3,參考波形將具有正弦波的對稱性，並且對餘弦波的輸入的響應將為零。因此，波形4040是對正弦波的近似，並且在圖3中
7示出的元件和指定的計算一起構成在圖1中示出的解調器元件1008』的實現。以類似的方式，通過將N11變成N。/3，實現在圖1中示出的解調器元件1008。此外，上文給出的N的值在3f；處產生對信號的零響應。可以結合類似於上述的系統採用新穎的技術來獨立於來自其它部件的相移而測量由物理系統1002引起的相移，例如在基本上不受由放大器1005或混合器1004的其它下遊電路部件引入的任何相移影響的情況下測量由物理系統1002引起的相移。此類技術包括改變(例如調整)激勵信號1001的頻率fx和/或本地振蕩器信號1042的頻率f\。，以使得差頻(參考頻率)fx"fl0的幅度是恆定的，但是差頻的符號從正變成負。在該差頻的兩個符號中的每一個處，測量差頻(參考頻率)fx-fi。相對於參考信號1006的相移。從在正的符號處測量的相移減去在負的符號處測量的相移，並且然後將差分成兩半以產生相移結果。這樣測量的相移因為項的消除而基本上不受由放大器1005或混合器1004的其它下遊電路部件引起的任何附加相移的影響。圖5A是在使用圖1的外差相移測量系統的示例外差相移測量中涉及的代表性波形的描述5000。來自物理系統1002的頻率為fx的示例響應信號1003被描繪為信號5001， 並且示例本地振蕩器信號1042被描繪為信號5002。如上所提到的那樣，本地振蕩器信號 1042可以是方波，可以作為激勵信號1001，並且來自物理系統1002的響應信號1003可以是激勵信號的經濾波的版本。在任何時刻，放大器1005的輸出信號1052是響應信號5001 和本地振蕩器信號5002的乘積的平均，其中響應信號和本地振蕩器之間的時間偏移dT隨著循環逐漸演變，因為fx興 \。。注意，在典型應用中，仁《仁、4。，並且通常仁/%。<10_3。 這意味著，輸出信號是響應信號5001和寬度基本上等於l/2fx的方形脈衝信號的卷積，其中時間相關性被以fx/f；縮放。因為該卷積關係，輸出信號還可以被描述為通過作為持續時間為l/2fx的方形脈衝的脈衝響應濾波的信號5001。注意，當f1fx 時，輸出信號不僅臨時被縮放，而且還被時間反轉。在信號5004中描繪了時間反轉的情況。 注意，在圖5A中繪出了波形與循環的一部分的關係，並且對于波形5001和5002的實際時間標度通常比對於5003和5004的更短。垂直軸是任意單位的。波形5 (C) ,5(D)中的每一個都由包括形式為Assin《《aa ff I) + Β ακ(ι ιι f, ι:》的項的傅立葉級數表示。對於時間反轉的波形，在這些項中用_t代替t，這等同於用-An代替An， 同時留著BJ^不變。因為相移是S=Srcian(AiZBl),,所以可以看到從f1fx，其中 I fl0-fx I不變，相移在符號上反轉。該改變可以在不改變f；的情況下完成，並且因此混合
器1004的下遊信號路徑的部分的任何貢獻不變。因為相移是相加量，可以執行下面新穎的操作
i)測量差頻輸出和參考信號之間的總相移，其中f1<fx；
ii)測量差頻輸出和參考信號之間的總相移，其中fl。>fx，Iflo-fx I保持與步驟(i)中的相同；
iii)取這些測量之間的差的一半。這些操作的結果是，消除由放大器1005或混合器1004的其他下遊電路部件貢獻的任何附加相移。
圖5B描繪精確外差相移測量的示例步驟序列。在步驟5010處，生成激勵信號 1001。在步驟5020處，生成與激勵信號1001相干的本地振蕩器信號1042。在步驟5030處， 生成處於激勵信號1001和本地振蕩器信號1042的差頻的參考信號1006。這樣的參考信號 1006與激勵信號和本地振蕩器信號二者相干。在步驟5040處，激勵信號1040被施加於物理系統1002以產生響應信號1003。在步驟5050處，響應信號1003例如在混合器1004處與本地振蕩器信號1042混合以產生輸出信號1043。在步驟5060處，來自混合器的輸出信號1043的差頻分量被選擇並且被用作輸出信號1052。在步驟5070處，重複步驟5010到 5050，激勵信號和/或本地振蕩器信號的頻率被改變(例如調整)以使得差頻的幅度是恆定的，但是差頻的符號從正變為負。可以在計算元件10011的引導下完成這樣的變化。在步驟 5080處，在該差頻的兩個符號中的每一個處，測量差頻分量相對於參考信號的相移。最後， 在步驟5090處，從在正的符號處測量的相移減去在負的符號處測量的相移，並且然後將差分成兩半以產生相移結果。實施例1
根據上述新穎技術，為了精確地測量周期性地激勵的物理系統1002的相移，期望生成與頻率f；、fx和f\。互相相干的信號，並且改變差頻(參考頻率)fr=fx"fl0的符號，但是不改變差頻(參考頻率)f^t-fV。的幅度。一種實現符號改變的直接方法是交換載送激勵和本地振蕩器信號1001、1042的線。這是對於其中待研究的物理系統1002的相移不會急劇地諧振的那些應用的優選實施例。圖6是示出結合圖3的解調元件使用的第一示例頻率發生器6000的示意圖。在該實施例中生成的頻率可以通過對單個主時鐘6001的頻率&進行分頻來獲得，所述主時鐘6001可以是石英晶體控制的振蕩器。該頻率被兩個N次分頻計數器6002、6003分頻，它們中的每一個之後是二次分頻級(未示出)以便保證輸出是方波。這些分量的輸出頻率分別是f。/2NjnfQ/2N2。這些頻率之間的差是(IWXIZN1 ),並且當M2 = N1 +1時,變成
假設N1是奇數，並且N2是偶數且可被3整除。於是2Ν2可被12整除，以使得分別具有除數N1和2 的計數器6005和6006的組合滿足上面提到的對於在圖3中示出的解調器元件的信號3000和3001的目標。在圖6中被表示為6100的元件代表在圖1中示出的外差相移測量系統的部件，其中通過在圖3中示出的部件來實施解調器1008、1008』。計數器6002、6003的輸出可以在計算元件10010 (其生成控制信號6041)的控制下由開關6004選擇性地交換，以生成在圖 1所示的系統中使用的激勵信號1001和本地振蕩器信號1042。計算元件10010可以進一步實施上面給出的操作i、ii和iii以測量f1fx時的總相移(保持I f1(rfx I相同)，並且取這些測量結果之間的差的一半。實施例2
在某些應用中，可能期望修改實施例1的頻率生成技術。例如，如果待研究的物理系統具有窄的諧振(例如如果它是石英晶體)，則甚至實施例1可以產生的激勵頻率中的適度變化可能都是不期望的。而且，因為f；隨著除數N1和隊的減小而快速增大，處於高激勵頻率的操作可能建議非常高的fo以保證f；在期望的範圍中。這些問題可以在使用線性調頻轉發器頻率偏移發生器來從兩個高頻信號(即fx或 \。)中的一個高頻信號生成另一個高頻信號時而解決。
線性調頻轉發器頻率偏移發生器受到頻率為F的信號以通過具有2 π弧度最大相移的鋸齒波形進行調相<1^)。因為最大相移是2 π，所以結果產生的調相的波形在其中相位從重置為0的轉變處是連續的，並且經過調相的信號的頻率是F+d_dl。圖7是示出使用針對結合圖2的解調元件使用本地振蕩器信號的線性調頻轉發器頻率偏移發生器的第二示例頻率發生器7000的示意圖。頻率&處的源7001被提供給N 位計數器7002的時鐘輸入埠 7021，其最高位在頻率fy2N處產生方波7022。例如，使用 N=4，方波7022的頻率是f。/16。計數器7002的所有N個位被提供給全加法器電路7003的A輸入1···η，Β輸入1··· η被耦合到已通過包括N個XOR門7010的符號改變電路7004的N位整數信號7041。全加法器7003的輸出是E=A+B+Ci，其中Ci是進位輸入(ο或者1)。可以不使用進位輸出。 注意，2補數二進位數的負數是1補數加1。當符號控制信號7005為高(真)時，XOR門7010 輸出它們的輸入的1補數。符號控制信號7005還受到全加法器7003的進位輸入埠 7031 的約束。因此，全加法器7003根據符號控制信號7005的狀態或者添加從計數器7002的內容提供的整數或者減去從計數器7002的內容提供的整數。觀察到，當正數被添加到計數器7002的內容時，其最高位的轉變在循環早期出現，並且當它被減去時，轉變在循環後期出現。因此，加法器7003的最高位輸出是由N位計數器7002產生的信號7022的經過調相的版本。如果整數7041繼續增加，則加法器7032 的最高位輸出是信號7022的頻率偏移版本，偏移的符號由符號控制線7005的狀態確定，並且幅度是整數7041的最高位的頻率。信號7022還被供應給計數器7006，其被用作分頻器。計數器7006的輸出可以被用作到圖2中示出的數字計數器2000的脈衝序列輸入2002。該數字計數器2000提供被用作N位信號7041 (到線性調頻轉發器頻率偏移發生器的調相輸入)的N位輸出信號2003。 因此，關於上面圖7描述的電路使用圖2的示例解調器元件提供對於圖1的示例相移測量系統的所有必要信號。計算元件10010執行上文闡述的操作i、ii和iii，並且還生成符號控制信號7005。實施例3
可能存在其中期望這種高激勵頻率fx的應用，其中甚至不期望由實施例2的計數器 7002引起的適度分頻。在這些情況下，可以優選基於鎖相迴路的實施例。圖8是示出使用針對頻率偏移生成的鎖相迴路並結合圖3的解調元件的第三示例頻率發生器8000的示意圖。 如圖8中所示的那樣，振蕩器8000的輸出直接被用作fx以及N1次分頻計數器8002時鐘輸入，所述N1次分頻計數器8002的輸出被用作圖3中示出的示例解調器的時鐘信號3001， 並且還被發送到另一個隊次分頻計數器8003。隊次分頻計數器8003的輸出的頻率為f,， 並且被作為觸發信號3000發送。可變頻率(通常電壓控制的)振蕩器8001可以被用來生成本地振蕩器信號。使用具有分頻比N； =N1-Nj +1的第二計數器8004b來對其分頻，並且其輸出信號8005被供應給鎖相迴路控制器8010的輸入埠 8011。鎖相迴路控制器8010的另一輸入埠 8012可以從N2 次分頻計數器8003接收頻率為f,的輸出信號8006。因此=NJM2 * f；和fe = (Ν,·Ν2 +1)* f, =!； + !；,其是期望的值。
鎖相迴路通過檢測該鎖相迴路的兩個輸入之間的相差並且調整發送到電壓控制的振蕩器的電壓來操作以使相差到達穩定的值，例如0或π /2弧度。除了鎖相迴路的使用之外，該實施例可以以類似於實施例1的相同方式來操作。 如在實施例1中那樣使用開關800 和8004b交換激勵和本地振蕩器線是針對頻率切換的優選技術。當期望最高可能的激勵頻率時該實施例可能是優選的，但是在其他方面實施例1 和2可能是優選的。這樣的原因是電壓控制的振蕩器可以針對可調諧性而權衡頻率穩定性，並且因為激勵信號和本地振蕩器信號是獨立的並且不同的，所以本地振蕩器信號的任何不穩定性可以直接被看作所測量的相移中的噪聲。儘管上面的描述討論各種實施例，但是應該認識到可以在不偏離本發明的意圖精神和範圍的情況下進行許多修改和/或添加。例如，上述技術可以以軟體、硬體或其組合來實施。軟體實施可以包括存儲在例如CD、DVD、硬碟、固態存儲設備、易失性存儲設備或其他有形介質的計算機可讀存儲介質中的計算機可執行指令。硬體實施可以包括處理器、存儲器、可編程邏輯電路、專用集成電路和/或其他類型的硬體部件。此外，組合的軟體/硬體實施方式可以包括在計算機可讀介質中體現的計算機可執行指令以及一個或多個硬體部件二者。因此，應該理解上述描述意味著僅以示例的方式來採用。
權利要求
1.一種用於測量由激勵信號激勵的物理系統中的相移的設備，包括頻率發生器，其被配置成產生激勵信號、本地振蕩器信號以及參考信號，其中參考信號處於激勵信號和本地振蕩器信號的差頻；混合器，其被配置成響應於激勵信號而檢測物理系統的輸出並且將所述輸出與本地振蕩器信號混合；濾波器，其被配置成選擇混合器的差頻輸出；以及計算元件，其被配置成使激勵信號或本地振蕩器信號或二者的頻率改變以使得差頻的幅度是恆定的， 但是差頻的符號從正變成負，在該差頻的兩個符號中的每一個處測量差頻輸出相對於參考信號的相移，以及從在正的符號處測量的相移減去在負的符號處測量的相移，並且然後將差分成兩半以產生相移結果。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述頻率發生器被配置成產生與激勵信號相干的本地振蕩器信號，並且參考信號與激勵信號和本地振蕩器信號相干。
3.根據權利要求1所述的設備，其中所述頻率發生器包括主時鐘，根據所述主時鐘，通過分頻來生成激勵信號、本地振蕩器信號以及參考信號。
4.根據權利要求1所述的設備，其中所述頻率發生器包括線性調頻轉發器差頻發生器，其被配置成生成激勵信號、本地振蕩器信號以及參考信號中的至少一個。
5.根據權利要求1所述的設備，其中所述頻率發生器包括鎖相迴路，其被配置成生成激勵信號、本地振蕩器信號以及參考信號中的至少一個。
6.根據權利要求1所述的設備，還包括至少一個解調器元件，其被配置成接收差頻輸出和參考信號並且結合計算元件來操作以產生相移結果。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述至少一個解調器元件包括耦合到解復用器的數字計數器，所述解復用器又耦合到計數器陣列。
8.根據權利要求6所述的設備，其中所述至少一個解調器元件包括分別耦合到第一和第二計數器的第一和第二數字計時器。
9.根據權利要求1所述的設備，其中所述濾波器是由放大器實施的低通濾波器。
10.一種用於測量由激勵信號激勵的物理系統中的相移的方法，包括 生成激勵信號、本地振蕩器信號以及激勵信號和本地振蕩器信號的差頻； 將激勵信號施加於物理系統以產生響應信號；在混合器處將響應信號與本地振蕩器信號混合以產生輸出信號； 選擇輸出信號的差頻分量；改變激勵信號或本地振蕩器信號或二者的頻率，以使得差頻的幅度是恆定的，但是差頻的符號從正變成負；在該差頻的兩個符號中的每一個處測量差頻分量相對於參考信號的相移；以及使用在負的符號處測量的相移和在正的符號處測量的相移的差的一半作為相移結果。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述生成產生與激勵信號相干的本地振蕩器信號，以及與激勵信號和本地振蕩器信號相干的參考信號。
12.根據權利要求10所述的方法，其中所述生成通過分頻來生成激勵信號、本地振蕩器信號以及參考信號。
13.根據權利要求10所述的方法，其中所述生成通過線性調頻轉發器差頻發生來生成激勵信號、本地振蕩器信號以及參考信號中的至少一個。
14.根據權利要求10所述的方法，其中所述生成通過使用鎖相迴路來生成激勵信號、 本地振蕩器信號以及參考信號中的至少一個。
15.一種用於測量由激勵信號激勵的物理系統中的相移的方法，包括通過計算元件來引起激勵信號或本地振蕩器信號或二者的頻率變化，以使得激勵信號和本地振蕩器信號的差頻的幅度是恆定的，但是差頻的符號從正變成負；在該差頻的兩個符號中的每一個處測量從將激勵信號施加於物理系統獲得的差頻分量相對於參考信號的相移；以及在確定相移結果中使用在負的符號處測量的相移和在正的符號處測量的相移的差。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括 生成激勵信號；生成與激勵信號相干的本地振蕩器信號；以及生成與激勵信號和本地振蕩器信號相干的差頻。
17.根據權利要求15所述的方法，還包括 將激勵信號施加於物理系統以產生響應信號；將響應信號與本地振蕩器信號混合以產生輸出信號；以及選擇輸出信號的差頻分量。
18.一種用於測量由激勵信號激勵的物理系統中的相移的設備，包括用於改變激勵信號或本地振蕩器信號或二者的頻率以使得激勵信號和本地振蕩器信號的差頻的幅度是恆定的，但是差頻的符號從正變成負的裝置；用於在該差頻的兩個符號中的每一個處測量從將激勵信號施加於物理系統獲得的差頻分量相對於參考信號的相移的裝置；以及用於使用在負的符號處測量的相移和在正的符號處測量的相移的差的一半作為相移結果的裝置。
19.根據權利要求18所述的設備，還包括 用於生成激勵信號的裝置；用於生成與激勵信號相干的本地振蕩器信號的裝置；以及用於生成與激勵信號和本地振蕩器信號相干的差頻的裝置。
20.根據權利要求19所述的設備，還包括用於將激勵信號施加於物理系統以產生響應信號的裝置； 用於將響應信號與本地振蕩器信號混合以產生輸出信號的裝置；以及用於選擇輸出信號的差頻分量的裝置。
全文摘要
在一個實施例中，頻率發生器產生激勵信號，本地振蕩器信號，以及處於激勵信號和本地振蕩器信號的差頻的參考信號。激勵信號被施加於物理系統以產生響應信號，該響應信號與本地振蕩器信號混合。濾波器選擇差頻分量。改變激勵信號和/或本地振蕩器信號的頻率，以使得差頻分量的幅度是恆定的，但是差頻分量的符號從正變為負。在該差頻的兩個符號中的每一個處，測量差頻分量相對於參考信號的相移。從在正的符號處測量的相移減去在負的符號處測量的相移，並且然後將差分成兩半以產生結果。
文檔編號H03L7/18GK102197598SQ200980142775
公開日2011年9月21日 申請日期2009年5月1日 優先權日2008年8月27日
發明者P·L·科巴比安 申請人:重航空器研究公司