馬丁

摘 ?要： 為縮小由不理想噪聲帶來(lái)的電路公共相位誤差，設(shè)計(jì)一種新型的單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)。在單端轉(zhuǎn)差分相位板中，連接DSP電路與旁系相位噪聲濾波器，完成新型噪聲消除系統(tǒng)的硬件運(yùn)行環(huán)境搭建。在此基礎(chǔ)上，估計(jì)電路相位噪聲的導(dǎo)頻與信道條件，并對(duì)系統(tǒng)的消除遍歷容量進(jìn)行定點(diǎn)分析，并以其為前提對(duì)噪聲數(shù)據(jù)的傳輸與消除流程進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)新型消除系統(tǒng)的軟件運(yùn)行環(huán)境搭建，軟硬件結(jié)合，完成單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)研究。改變轉(zhuǎn)差分系數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與理想相位噪聲消除系統(tǒng)相比，應(yīng)用新型電路相位噪聲消除系統(tǒng)后，電子噪聲干擾量的最大值不超過(guò)6.5×107 dB，相位消除比特率明顯降低，不理想噪聲帶來(lái)的電路公共相位誤差得到有效緩解。

關(guān)鍵詞： 噪聲消除系統(tǒng); 單端轉(zhuǎn)差分電路; DSP電路; 旁系相位; 遍歷容量; 數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)： TN710?34; TP216 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）07?0136?05

Systematic research on single?ended to differential circuit for phase noise elimination

MA Ding

（Science and Technology College of NCHU， Nanchang 330034， China）

Abstract： A new phase noise elimination system of single?ended to differential circuit is designed to reduce the circuit common phase error caused by undesirable noise. In the single?ended to differential phase board， the DSP circuit and the bypass phase noise filter are connected to construct the hardware operation environment of the new noise elimination system. On this basis， the pilot frequency and channel conditions of circuit phase noise are estimated， and the elimination ergodic capacity of the system is subjected to fixed?point analysis. On the premise of the above， the transmission and elimination process of noise data is improved to build the software operation environment of the new elimination system. The phase noise elimination system of single?ended to differential circuit is studied with the combination of the hardware and software operation environment. Contrast experiments are designed on the basis of changing the single?ended to difference coefficient. The experimental results show that， in comparison with the ideal phase noise elimination system， the maximum of electronic noise interference does not exceed 6.5×107 dB after the application of the new circuit phase noise elimination system， the bit rate of phase elimination is obviously reduced， and the common phase error caused by the undesirable noise is reduced effectively.

Keywords： noise elimination system; single?ended to differential circuit; DSP circuit; bypass phase; ergodic capacity; data transmission

0 ?引 ?言

相位噪聲是一種明顯的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位隨機(jī)變化行為，多發(fā)生于電路系統(tǒng)或由射頻器件組成的物理組織結(jié)構(gòu)中。這種相位變化行為是衡量原子頻標(biāo)、高穩(wěn)晶振頻率等標(biāo)準(zhǔn)源頻穩(wěn)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，當(dāng)頻標(biāo)源的性能發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)所需的物理噪聲量也隨之減小，這也是電路系統(tǒng)相位噪聲譜測(cè)量要求不斷提高的主要原因。幅度、頻率是描述系統(tǒng)相位噪聲水平的重要指標(biāo)，且二者之間始終保持關(guān)聯(lián)性的制約影響關(guān)系[1?2]。在理想情況下，固定系統(tǒng)噪聲頻率所帶來(lái)的信號(hào)波動(dòng)周期始終固定，在一個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)脈沖噪聲信號(hào)的變化曲線也一定是正弦波，這也是現(xiàn)有技術(shù)策略所應(yīng)遵循的主要電路相位噪聲消除原理。

現(xiàn)有電路相位噪聲消除系統(tǒng)采用PCIe主機(jī)電路與外部鑒相電路相連的搭建模式，整個(gè)硬件單元可以劃分為電量模擬、噪聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、相位控制三個(gè)主要部分，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路噪聲數(shù)據(jù)的定點(diǎn)消除，也從根本上降低了系統(tǒng)相位轉(zhuǎn)化所需的電子量要求。但隨著系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，由不理想噪聲帶來(lái)的電路公共相位誤差始終不能得到有效控制。為解決上述問(wèn)題，本文在保留原有系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，增加DSP電路等硬件設(shè)備，用于完善并建立一種新型的單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)。

1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)單端轉(zhuǎn)差分相位板、DSP電路、旁系相位噪聲濾波器三個(gè)設(shè)計(jì)步驟，完成新型電路相位噪聲消除系統(tǒng)的硬件運(yùn)行環(huán)境搭建，其具體操作方法可按如下步驟進(jìn)行。

1.1 ?單端轉(zhuǎn)差分相位板設(shè)計(jì)

單端轉(zhuǎn)差分相位板相當(dāng)于新型噪聲消除系統(tǒng)的模擬框架結(jié)構(gòu)，與DSP電路、旁系相位噪聲濾波器等硬件執(zhí)行單元保持對(duì)應(yīng)連接關(guān)系。

從功能角度來(lái)看，單端轉(zhuǎn)差分相位板以ADC數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為核心搭建設(shè)備，可以在采集系統(tǒng)中電路相位數(shù)據(jù)消耗量信息的同時(shí)，向下級(jí)硬件單元傳輸與噪聲應(yīng)用數(shù)據(jù)相關(guān)的消除指令[3?4]。

作為DSP電路與核心計(jì)算機(jī)間的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，單端轉(zhuǎn)差分相位板包含一個(gè)小型的子模擬電路，可以根據(jù)相位噪聲對(duì)系統(tǒng)電力資源的占用情況，生成多項(xiàng)包含消除連接意象的被測(cè)信號(hào)。

完整的單端轉(zhuǎn)差分相位板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 ?DSP電路設(shè)計(jì)

DSP電路隸屬于單端轉(zhuǎn)差分相位板，是新型噪聲消除系統(tǒng)中的重要電量提供組織。該結(jié)構(gòu)通過(guò)PCIe總線與系統(tǒng)處理主機(jī)相連，并通過(guò)接收或發(fā)送相位噪聲消除指令的方式，參與系統(tǒng)中的電路電子疏導(dǎo)與傳輸。主體DSP電路以DDR3 SDRAM內(nèi)存條作為核心搭建設(shè)備，并在其旁側(cè)配合具備緩沖功能的消耗電阻，用于執(zhí)行高效的電子分配處理[5?6]。電路內(nèi)部包含一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理板和一個(gè)SPI主機(jī)板，當(dāng)單端轉(zhuǎn)差分相位板具備強(qiáng)烈的電子消耗需求時(shí)，兩個(gè)接口板結(jié)構(gòu)同時(shí)處于連接狀態(tài)，以保證由供電電源產(chǎn)生的電子能夠快速進(jìn)入DSP電路，并在保留較高活力狀態(tài)的前提下，進(jìn)入下級(jí)消耗組織。為與旁系相位噪聲濾波器保持良性連接關(guān)系，DSP電路還具備4個(gè)EMIF接口，一方面可以主動(dòng)接收系統(tǒng)中分散的消耗電阻，另一方面也可為濾波器結(jié)構(gòu)提供足量的電流與電壓供應(yīng)。詳細(xì)DSP電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 ?旁系相位噪聲濾波器設(shè)計(jì)

旁系相位噪聲濾波器是系統(tǒng)消除指令的核心生成組織，可對(duì)滿足鎖相環(huán)連接需求的單端轉(zhuǎn)差分電子進(jìn)行輸出調(diào)整，使此系統(tǒng)始終具備較強(qiáng)的電路相位噪聲提取能力[7?8]。

為減輕由DSP電路帶來(lái)的電子無(wú)阻抗匹配問(wèn)題，旁系相位噪聲濾波器包含一個(gè)模擬FPGA設(shè)備，可在高、中、低三種頻段條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)單端轉(zhuǎn)差分電路相位的定點(diǎn)分辨，并根據(jù)真實(shí)的電子消耗情況確定支撐系統(tǒng)運(yùn)行所需的最佳噪聲情況，如圖3所示。

當(dāng)DSP電路保持標(biāo)準(zhǔn)相位噪聲輸出狀態(tài)時(shí)，模擬FPGA設(shè)備會(huì)發(fā)出兩個(gè)不沖突的消除信號(hào)，并分別將其傳輸給兩個(gè)不同的系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的不斷累積，單端轉(zhuǎn)差分電路的相位噪聲水平也隨之累積，此時(shí)，消除信號(hào)會(huì)按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行循環(huán)流通，直至將系統(tǒng)中的相位噪聲完全消除，此時(shí)，消除信號(hào)所屬的物理位置，即為旁系相位噪聲濾波器在系統(tǒng)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)中所屬位置[9?10]。

2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在基礎(chǔ)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按照導(dǎo)頻與信道估計(jì)、消除遍歷容量分析、消除流程完善的操作環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件運(yùn)行環(huán)境搭建，兩項(xiàng)結(jié)合完成新型單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)的搭建。

2.1 ?電路相位噪聲的導(dǎo)頻與信道估計(jì)

單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲導(dǎo)頻是確定系統(tǒng)消除操作所需配合信道數(shù)量的重要物理?xiàng)l件，也是衡量系統(tǒng)客戶端是否具備較強(qiáng)執(zhí)行能力的基礎(chǔ)條件。

處于正常運(yùn)行狀態(tài)的相位噪聲消除系統(tǒng)，以主機(jī)客戶端作為一切執(zhí)行指令的運(yùn)行起始環(huán)節(jié)，當(dāng)單端轉(zhuǎn)差分相位板處于正常連接狀態(tài)時(shí)，DSP電路中的所有EMIF接口均保持高效連接狀態(tài)，并以此為條件，促使系統(tǒng)中的所有流通電子全部進(jìn)入旁系相位噪聲濾波器設(shè)備中[11?12]。

在上述物理運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)[y]代表EMIF接口的電子連接系數(shù)，[u]代表新型消除系統(tǒng)的平均電子流通量，[t]代表系統(tǒng)消耗時(shí)間，利用[y]，[u]，[t]可將單端轉(zhuǎn)差分電路的相位噪聲導(dǎo)頻估計(jì)結(jié)果表示為：

[W=qy+ru2χtΔp] （1）

式中：[q]代表旁系相位噪聲濾波器對(duì)流通電子的基本消耗水平;[r]代表單端轉(zhuǎn)差分電子束的最大寬度條件;[χ]代表標(biāo)準(zhǔn)電路相位水平下的噪聲節(jié)點(diǎn)數(shù)量;[Δp]代表總噪聲量在[t]時(shí)間內(nèi)的變化量。

單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲信道條件確定以導(dǎo)頻估計(jì)結(jié)果作為先決條件，并通過(guò)設(shè)置上限相位數(shù)值[λ]、下限相位數(shù)值[λ]的方式，得出確切的數(shù)量級(jí)結(jié)果，其具體計(jì)算過(guò)程如式（2）所示：

[I=λ→-∞λ→∞1sWeξφde] （2）

式中：[s]代表噪聲信道的原消除系數(shù);[e]代表被積信道向量;[ξ]，[φ]代表兩個(gè)不同的冪次項(xiàng)估算物理差。

2.2 ?系統(tǒng)消除遍歷容量分析

消除遍歷容量是描述系統(tǒng)對(duì)相位噪聲粒子承載能力的物理量，根據(jù)該項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果可確定系統(tǒng)單端轉(zhuǎn)差分電路相位的波動(dòng)極值，并以此衡量噪聲水平是否低于系統(tǒng)的最高承受水平，這也是新型系統(tǒng)電路公共相位誤差始終不超過(guò)理想數(shù)值的主要原因。

在單端轉(zhuǎn)差分電路中，系統(tǒng)消除遍歷容量與噪聲位置條件和信道判別指標(biāo)兩項(xiàng)物理參數(shù)保持相關(guān)性影響關(guān)系[13?14]。其中，噪聲位置條件[c]是一項(xiàng)獨(dú)立的相位屬性條件，可以描述系統(tǒng)單端轉(zhuǎn)差分電路的基本連通狀態(tài)。

信道判別指標(biāo)[μ]具備較強(qiáng)的數(shù)值依附性，只能與電路相位噪聲信道條件[I]保持乘積式的存在狀態(tài)，不能脫離計(jì)算數(shù)值而單獨(dú)存在。

在上述變量條件的基礎(chǔ)上，聯(lián)立式（2）可將系統(tǒng)的消除遍歷容量表示為：

[k=l?c?fαμI2] （3）

式中：[l]代表與系統(tǒng)消除指令相關(guān)的最大遍歷系數(shù);[fα]代表電路相位位置為[α]時(shí)的基礎(chǔ)噪聲存在量。

2.3 ?噪聲數(shù)據(jù)傳輸與消除流程完善

噪聲數(shù)據(jù)傳輸與消除在整個(gè)新型消除系統(tǒng)搭建中起到關(guān)鍵信息調(diào)節(jié)的作用。在確保單端轉(zhuǎn)差分相位板不被噪聲節(jié)點(diǎn)占據(jù)的前提下，連接DSP電路，并使其中的所有節(jié)點(diǎn)與接口均處于定向連接的狀態(tài)。此時(shí)，存在于系統(tǒng)輸出信道內(nèi)的所有數(shù)據(jù)都屬于電路相位噪聲數(shù)據(jù)[15]。

當(dāng)噪聲數(shù)據(jù)在系統(tǒng)環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整傳輸時(shí)，旁系相位噪聲濾波器達(dá)到良性輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，利用電路相位噪聲導(dǎo)頻與信道估計(jì)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)必須經(jīng)歷的消除遍歷容量進(jìn)行定量分析，并根據(jù)最終的數(shù)值結(jié)果制定完整的相位噪聲消除操作指令。

根據(jù)上述指令條件可確定系統(tǒng)中所有噪聲數(shù)據(jù)的明確位置條件，并據(jù)此對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)消除處理。至此，完成新型系統(tǒng)的軟件運(yùn)行環(huán)境搭建，結(jié)合相關(guān)硬件組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)的順利運(yùn)行，具體數(shù)據(jù)傳輸與消除流程圖如圖4所示。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為突出說(shuō)明單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)的實(shí)用操作效果，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在Virtual Reality Platform環(huán)境中搭建理想的計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)，并通過(guò)多次更改轉(zhuǎn)差分系數(shù)的方式，得出多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值對(duì)比的方式驗(yàn)證系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，其中，實(shí)驗(yàn)組計(jì)算機(jī)平臺(tái)搭載新型電路相位噪聲消除系統(tǒng)，對(duì)照組計(jì)算機(jī)平臺(tái)搭載理想相位噪聲消除系統(tǒng)。

3.1 ?實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)及詳細(xì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的絕對(duì)公平性，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組實(shí)驗(yàn)參數(shù)始終保持一致。

3.2 ?電子噪聲干擾量對(duì)比

在100 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，令轉(zhuǎn)差分系數(shù)分別等于0.20，0.21，0.22，0.23，0.24，并記錄在每個(gè)系數(shù)條件下，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組消除系統(tǒng)后電子噪聲干擾量的變化情況，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖5，圖6所示。

按照從左至右的順序，圖5，圖6中的柱形圖分別代表轉(zhuǎn)差分系數(shù)等于0.20，0.21，0.22，0.23，0.24時(shí)的電子噪聲干擾量。分析圖5可知，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組噪聲消除系統(tǒng)后，電子噪聲干擾量隨轉(zhuǎn)差分系數(shù)的增大而不斷減小，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大值也僅能達(dá)到6.4×107 dB，遠(yuǎn)低于理想極值8.2×107 dB;分析圖6可知，應(yīng)用對(duì)照組噪聲消除系統(tǒng)后，電子噪聲干擾量也隨轉(zhuǎn)差分系數(shù)的增大而不斷減小，但整體數(shù)值水平始終高于實(shí)驗(yàn)組，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大值達(dá)到12.3×107 dB，遠(yuǎn)超過(guò)理想極值8.2×107 dB。

綜上可知，新型單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)具備控制電子噪聲干擾水平的能力。

3.3 ?相位消除比特率對(duì)比

控制轉(zhuǎn)差分系數(shù)，使其數(shù)值水平始終保持為0.24。以100 min作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，分別記錄在該段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組噪聲消除系統(tǒng)后，相位消除比特率的變化情況，詳細(xì)數(shù)值對(duì)比結(jié)果如表2所示。

對(duì)比表1、表2可知，實(shí)驗(yàn)組相位消除比特率呈現(xiàn)階段性降低的變化趨勢(shì)，且每次降低停止后，總會(huì)出現(xiàn)10 min的穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)值狀態(tài)始終低于理想最大值區(qū)間70%～75%;對(duì)照組相位消除比特率以20 min或30 min作為一個(gè)時(shí)間階段，在每一階段內(nèi)都保持下降變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)值狀態(tài)雖然一直維持在理想對(duì)照組區(qū)間內(nèi)，但與實(shí)驗(yàn)組相比仍然存在較大差距。綜上可知，隨著新型單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)的應(yīng)用，相位消除比特率得到了一定程度的降低。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

在保留理想相位噪聲消除系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，新型單端轉(zhuǎn)差分電路相位噪聲消除系統(tǒng)針對(duì)旁系相位噪聲濾波器、消除遍歷容量等多項(xiàng)軟硬件運(yùn)行條件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并在DSP電路的支持下，對(duì)總體的噪聲消除流程進(jìn)行完善。從實(shí)用性角度來(lái)看，這種新型系統(tǒng)的搭建環(huán)節(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單，且對(duì)噪聲導(dǎo)頻、信道等物理系數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，從根本上解決了由不理想噪聲帶來(lái)的電路公共相位誤差問(wèn)題。

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