CN112564707B - 一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法,结合采样时钟信号和无线传输模式的外部时钟输入信号进行抖动分布估计,利用时钟信号采集数据信噪比直接对时钟抖动量估计,并根据抖动量估计结果进行插值修正,解决旋转环境下数据采集***外部时钟输入信号严重抖动导致数据采集错误的问题,减小外部时钟输入信号的相位误差,提高数据采集的精度和准确性。与现有技术相比,该方法不仅具备多路采集和综合性抖动量估计等优点,能够明显减小外部时钟抖动,也适用于提升数据采集***的外部时钟输入稳定传输。

Description

一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法
技术领域
发明涉及模拟信号采集技术领域,具体涉及一种用于风洞直升机旋翼旋转环境下的数据采集***的时钟抖动估计及修正方法。
背景技术
在风洞直升机旋翼旋转试验中,通常需要获取不同旋转方位角处的采样数据,由于转速的控制偏差,使用板载时钟无法准确获取等角度的采样数据,因此需要将旋转编码器的脉冲信号作为外部时钟采样信号送入采集设备,实现外部触发采样,因此,外部时钟采样信号的准确性是确保在相同起始相位实现360度范围内等角度采样的关键环节。多次试验中发现,通过引电滑环将外部采样时钟信号送入采集设备过程中存在明显的缺陷:引电滑环长时间使用后,各通道的动态电阻指标变差,导致外部时钟采样信号产生失真和畸变,从而导致采集设备产生错误的采集动作,无法实现相同相位的等角度采样。因此,为解决旋转环境下传统数据采集***的外部时钟信号线缆缠绕及严重时钟抖动导致数据采集错误的问题,采用无线传输技术进行外部时钟信号的传输,并进行时钟抖动估计进行插值修正及反馈,反复减小外部时钟采样信号抖动导致的采集信号误差,提高数据采集精度和准确性。
发明内容
本发明的目的在于,解决风洞直升机旋翼旋转环境下传统数据采集***的外部时钟信号线缆缠绕及严重时钟抖动导致数据采集错误问题,采用无线传输技术进行外部时钟采样信号传输,利用两组相位差90度的DA三角波基准源信号进行等幅度时间检测,估计时钟抖动,对采集信号进行插值修正及反馈,进一步减小外部时钟采样信号抖动导致的采集信号误差,对提高采集动作的准确性和数据高精度采集有着明显作用。
为了解决上述问题,本发明是通过以下步骤实现的:
一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法,包括以下步骤:
S1: 通过DA模块生产一个同相三角波基准源信号
Figure 38937DEST_PATH_IMAGE001
和一个正交三角波基准源信号
Figure 424919DEST_PATH_IMAGE002
,两组信号的频幅相同,相位相差90度,并将两者数据传输至FPGA;
S2: 无线外部时钟采样信号
Figure 876760DEST_PATH_IMAGE003
通过无线传输模块进行差分处理,传输至FPGA,FPGA以无线外部时钟采样信号
Figure 209652DEST_PATH_IMAGE003
作为AD采样时钟对同相三角波基准源信号
Figure 492866DEST_PATH_IMAGE001
和正交三角波基准源信号
Figure 282705DEST_PATH_IMAGE002
进行等间隔
Figure 284159DEST_PATH_IMAGE004
连续同步并行采集,满足
Figure 951901DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 292884DEST_PATH_IMAGE006
为无线外部时钟采样信号
Figure 755089DEST_PATH_IMAGE003
的采样频率;
S3: 在进行信号采集过程中,利用三角波斜边检测原理对同相三角波基准源信号
Figure 978260DEST_PATH_IMAGE001
和正交三角波基准源信号
Figure 184113DEST_PATH_IMAGE002
进行上升或下降阶段检测,采用等幅度时间检测法估计时钟抖动:
相邻两个采样点的时间抖动变化量为
Figure 955103DEST_PATH_IMAGE007
实际采样点距离标准采样的时间抖动估计量为:
Figure 853789DEST_PATH_IMAGE008
,
其中:
Figure 564256DEST_PATH_IMAGE009
为基准信号源采集点序列,
Figure 511483DEST_PATH_IMAGE010
为同相三角波基准源信号
Figure 889375DEST_PATH_IMAGE001
和正交三角波基准源信号
Figure 693383DEST_PATH_IMAGE002
的标准理论幅度差值,
Figure 592943DEST_PATH_IMAGE011
为相邻两个采样点的实际幅度差值;
S4:在S3中进行基准源信号检测时,同步采集信号,获得采集信号
Figure 140599DEST_PATH_IMAGE012
在一个采集周期内的实际采样值序列和时间抖动估计量序列;
S5:根据实际采样值序列和时间抖动量序列对采集信号
Figure 372998DEST_PATH_IMAGE012
进行拉格朗日多项式插值修正,得在到
Figure 816748DEST_PATH_IMAGE009
个序列点插值修正的采样值序列:
Figure 236229DEST_PATH_IMAGE013
其中:
Figure 587575DEST_PATH_IMAGE014
为已采集的信号序列点,
Figure 674480DEST_PATH_IMAGE015
为第j个采集信号。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
使用采集板上DA器件输出两个三角波基准源信号,一个为同相基准源信号,另一个为与同相信号相位相差90度的正交基准源信号作为基准源信号进行时钟抖动估计,与传统时钟抖动估计及修正方法相比,采用正交相位差90度保证时钟抖动确定在上升沿或下降沿,提高时钟抖动估计准确度。
结合采样频率与基准源信号关系,与传统时钟抖动估计及修正方法相比,利用基准信号源单个周期内两个采集点的幅度差形成等幅度的标准理论幅度差值,与实际两个采集点的幅度差值确定时间抖动变化量,并由最大门限值确定两组基准源信号的标准理论幅度差值。
与传统时钟抖动估计及修正***相比,该***在信号采集过程中,无线传输外部时钟采样信号,解决旋转环境线缆问题;连续性地并行同步完成无线外部时钟采样信号时间抖动估计和最多128路采集信号的拉格朗日多项式插值修正与数据缓存,并反馈插值修正结果。同步减小多路采集信号误差,进一步提高采集信号精确性,改善外部时钟抖动造成数据采集错误。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1为一种用于旋转环境下的数据采集***的时钟抖动估计及修正方法框图;
图2为数据处理模块框架图;
图3为一种用于旋转环境下的数据采集***的时钟抖动估计及修正方法流程图;
图4时钟抖动估计波形图;
图5时钟抖动误差修正原理图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1 所示,数据采集***由信号采集模块和数据处理模块组成,包括两组DA输出、多路采集信号、两级放大、低通滤波、18位SAR模数转换器、子采集FPGA、主控FPGA、无线收发模块、外部时钟接口及数据缓存。
如图2所示,所述数据处理模块包括外部时钟采样信号无线收发模块、主控FPGA模块、外部时钟接口及数据缓存模块组成。所述无线收发模块接收无线传输的外部时钟采样信号差分Clock+和Clock-传输至外部时钟接口,减小共模噪声影响,进一步传输Clock信号至主控FPGA模块。所述数据缓存模块采用Data+和Data-方式连接主控FPGA模块进行数据通信。
本实例使用DA器件产生两个三角波基准源信号,一个为同相基准源信号,另一个为与同相信号相位相差90度的正交基准源信号;两个三角波基准源信号直接通过18位SAR模数转换器传输至信号采样模块中子采集FPGA;多路采集信号经两级放大和低通滤波,通过18位SAR模数转换器传输至信号采样模块中子采集FPGA,子采集FPGA传输数据至数据处理模块中主控FPGA;无线收发模块接收外部时钟作为无线外部时钟采样信号,并差分传输至外部时钟接口,进一步传输至主控FPGA;结合两个三角波基准源信号和无线外部时钟采样信号完成三角波斜边检测确定两个三角波基准源信号的上升沿或下降沿,并利用等幅度时间检测法进行时间抖动量估计,根据时间抖动估计量对采集信号进行拉格朗日多项式插值修正及反馈,减小因时钟信号抖动引起的采集信号误差。
如图3所示,具体实施过程为:
步骤一:通过DA器件产生一个同相三角波基准源信号
Figure 587335DEST_PATH_IMAGE001
和一个正交三角波基准源信号
Figure 697373DEST_PATH_IMAGE002
,信号
Figure 586832DEST_PATH_IMAGE016
幅度相同,频率相同
Figure 528243DEST_PATH_IMAGE017
,仅相位相差90度,无线外部时钟采样信号
Figure 110534DEST_PATH_IMAGE003
的频率为
Figure 770186DEST_PATH_IMAGE018
,根据采样信号频率
Figure 165133DEST_PATH_IMAGE019
来确定和产生合适频率的
Figure 695471DEST_PATH_IMAGE016
,满足
Figure 448663DEST_PATH_IMAGE020
,一般情况下
Figure 595611DEST_PATH_IMAGE021
可以取区间范围内的任意值。
步骤二:DA产生的同相三角波基准源信号
Figure 92451DEST_PATH_IMAGE001
和正交三角波基准源信号
Figure 742876DEST_PATH_IMAGE002
,两路基准源信号直接通过18位SAR模数转换器传输至信号采样模块中子采集FPGA,约定三角波最低电平
Figure 604652DEST_PATH_IMAGE022
为0V,最高电平
Figure 474782DEST_PATH_IMAGE023
为5V。
步骤三:无线外部时钟采样信号
Figure 509734DEST_PATH_IMAGE003
过无线传输模块进行差分处理,传输至FPGA。FPGA以无线外部时钟采样信号
Figure 280244DEST_PATH_IMAGE003
作为AD采样时钟对同相三角波基准源信号
Figure 375239DEST_PATH_IMAGE001
和正交三角波基准源信号
Figure 434461DEST_PATH_IMAGE002
以及其他采集信号进行等间隔
Figure 273104DEST_PATH_IMAGE004
连续同步并行采集,满足
Figure 898121DEST_PATH_IMAGE005
步骤四:如图4所示,利用三角波斜边检测原理对同相三角波基准源信号
Figure 662552DEST_PATH_IMAGE001
和正交三角波基准源信号
Figure 740230DEST_PATH_IMAGE002
进行上升或下降阶段检测,进一步采用等幅度时间检测法估计时钟抖动:
同相三角波基准源信号
Figure 585826DEST_PATH_IMAGE001
和正交三角波基准源信号
Figure 65349DEST_PATH_IMAGE002
在上升或下降阶段,标准时间间隔
Figure 502146DEST_PATH_IMAGE024
的两个采样点,则同相三角波基准源信号
Figure 332699DEST_PATH_IMAGE001
理论幅度差值为:
Figure 513145DEST_PATH_IMAGE025
正交三角波基准源信号
Figure 551901DEST_PATH_IMAGE002
的理论幅度差值为
Figure 425179DEST_PATH_IMAGE026
确定标准理论幅度差值为
Figure 477449DEST_PATH_IMAGE027
其中
Figure 196006DEST_PATH_IMAGE028
为最大门限值。
约定基准源信号采集点序列的第一个采集点不存在时间抖动,则实际时间间隔
Figure 853384DEST_PATH_IMAGE029
的两个采样点
Figure 631984DEST_PATH_IMAGE009
Figure 935664DEST_PATH_IMAGE030
实际幅度差值为
Figure 457912DEST_PATH_IMAGE031
,则可计算第
Figure 969796DEST_PATH_IMAGE009
个采样点相对于第
Figure 919298DEST_PATH_IMAGE030
个采样点的时间抖动变化量为
Figure 680580DEST_PATH_IMAGE032
则第
Figure 272099DEST_PATH_IMAGE009
个实际采样点距离第
Figure 435227DEST_PATH_IMAGE033
标准采样点的时间抖动估计量为
Figure 45375DEST_PATH_IMAGE008
,其中
Figure 762796DEST_PATH_IMAGE033
为基准信号源采集点序列,
Figure 626847DEST_PATH_IMAGE034
分别为第
Figure 910060DEST_PATH_IMAGE030
和第
Figure 466944DEST_PATH_IMAGE009
个采样点对应幅值。
步骤五:根据步骤四进行的基准源信号检测时,同步采集信号,获得采集信号
Figure 406081DEST_PATH_IMAGE035
在一个采集周期
Figure 572358DEST_PATH_IMAGE036
的实际采样值序列
Figure 710078DEST_PATH_IMAGE037
和时间抖动估计量序列为
Figure 437863DEST_PATH_IMAGE038
其中M=M+1。
步骤六:如图5所示,根据步骤五的实际采样值序列和时间抖动量序列对采集信号
Figure 661033DEST_PATH_IMAGE039
进行拉格朗日多项式插值修正,得到修正采样值序列
Figure 70149DEST_PATH_IMAGE040
设定采集信号
Figure 327955DEST_PATH_IMAGE039
Figure 226641DEST_PATH_IMAGE041
在第
Figure 172994DEST_PATH_IMAGE009
个序列点的时间抖动估计量为
Figure 385800DEST_PATH_IMAGE042
,则存在时间区间
Figure 498113DEST_PATH_IMAGE043
,其中
Figure 567700DEST_PATH_IMAGE044
为第
Figure 968726DEST_PATH_IMAGE009
个序列点的时间点。
已知在时间
Figure 516382DEST_PATH_IMAGE045
对应的信号幅度
Figure 981736DEST_PATH_IMAGE046
,则拉格朗日多项式:
Figure 956645DEST_PATH_IMAGE047
Figure 907283DEST_PATH_IMAGE048
拉格朗日多项式插值计算在第
Figure 258630DEST_PATH_IMAGE009
个序列点插值修正后的采样值序列
Figure 283218DEST_PATH_IMAGE049
Figure 694608DEST_PATH_IMAGE050
Figure 601384DEST_PATH_IMAGE051
Figure 257887DEST_PATH_IMAGE052
Figure 402560DEST_PATH_IMAGE053
Figure 719272DEST_PATH_IMAGE054
Figure 378923DEST_PATH_IMAGE055
步骤七:在进行信号采集过程中,同步采用等幅度时间检测法估计时钟抖动变化量和拉格朗日多项式插值修正采集信号
Figure 72073DEST_PATH_IMAGE012
的误差得到修正插值序列
Figure 867991DEST_PATH_IMAGE056
并反馈采集信号修正结果。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法,其特征在于包括以下步骤:
S1: 通过DA模块生产一个同相三角波基准源信号
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和一个正交三角波基准源信号
Figure DEST_PATH_IMAGE004
,两组信号的频幅相同,相位相差90度,并将两者数据传输至FPGA;
S2: 无线外部时钟采样信号
Figure DEST_PATH_IMAGE006
通过无线传输模块进行差分处理,传输至FPGA,FPGA以无线外部时钟采样信号
Figure 875973DEST_PATH_IMAGE006
作为AD采样时钟对同相三角波基准源信号
Figure 996376DEST_PATH_IMAGE002
和正交三角波基准源信号
Figure 244954DEST_PATH_IMAGE004
进行等间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE008
连续同步并行采集,满足
Figure DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为无线外部时钟采样信号
Figure 249951DEST_PATH_IMAGE006
的采样频率;
S3: 在进行信号采集过程中,利用三角波斜边检测原理对同相三角波基准源信号
Figure 267585DEST_PATH_IMAGE002
和正交三角波基准源信号
Figure 558889DEST_PATH_IMAGE004
进行上升或下降阶段检测,采用等幅度时间检测法估计时钟抖动:
相邻两个采样点的时间抖动变化量为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
实际采样点距离标准采样的时间抖动估计量为:
Figure DEST_PATH_IMAGE016
,
实际时间间隔
Figure 216136DEST_PATH_IMAGE008
的两个采样点的实际幅度差值为:
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中:
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为基准信号源采集点序列,
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为同相三角波基准源信号
Figure 507046DEST_PATH_IMAGE002
和正交三角波基准源信号
Figure 894034DEST_PATH_IMAGE004
的标准理论幅度差值,
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为相邻两个采样点的实际幅度差值,
Figure DEST_PATH_IMAGE026
分别为第
Figure 28343DEST_PATH_IMAGE020
个和第
Figure DEST_PATH_IMAGE028
个采样点的幅值;
S4:在S3中进行基准源信号检测时,同步采集信号,获得采集信号
Figure DEST_PATH_IMAGE030
在一个采集周期内的实际采样值序列和时间抖动估计量序列;
S5:根据实际采样值序列和时间抖动量序列对采集信号
Figure 674351DEST_PATH_IMAGE030
进行拉格朗日多项式插值修正,得在到
Figure DEST_PATH_IMAGE032
个序列点插值修正的采样值序列:
Figure DEST_PATH_IMAGE034
其中:
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为已采集的信号序列点,
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为第j个采集信号,
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为第
Figure 611695DEST_PATH_IMAGE020
个序列点的时间点;
S6:将采集信号进过修正后的插值序列进行反馈至S3,并进行迭代。
2.根据权利要求1所述的一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法,其特征在于:通过无线外部时钟采样信号的采样频率
Figure DEST_PATH_IMAGE042
确定同相三角波基准源信号
Figure 807184DEST_PATH_IMAGE002
和正交三角波基准源信号
Figure 191023DEST_PATH_IMAGE004
的频率,满足
Figure DEST_PATH_IMAGE044
3.根据权利要求1所述的一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法,其特征在于在S3中,当标准时间间隔
Figure DEST_PATH_IMAGE046
的两个采集点位于基准源信号的上升阶段或下降阶段时,
同相三角波基准源信号
Figure 822862DEST_PATH_IMAGE002
的理论幅度差值为:
Figure DEST_PATH_IMAGE048
,
正交三角波基准源信号
Figure 770089DEST_PATH_IMAGE004
的理论幅度差值为:
Figure DEST_PATH_IMAGE050
,
标准理论幅度差值
Figure 833467DEST_PATH_IMAGE022
根据同相三角波基准源信号
Figure 637475DEST_PATH_IMAGE002
和正交三角波基准源信号
Figure 569659DEST_PATH_IMAGE004
的标准时间间隔
Figure 366582DEST_PATH_IMAGE008
的两个采集点的分布决定,当标准时间间隔
Figure 67822DEST_PATH_IMAGE008
的两个采集点之间存在拐点时,两个基准源信号的理论幅度差值的误差绝对值比较于最大门限值来决定,
Figure DEST_PATH_IMAGE052
其中:
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为同相三角波基准源信号
Figure 934409DEST_PATH_IMAGE002
的频率,
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为正交三角波基准源信号
Figure 806419DEST_PATH_IMAGE004
的频率,
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为基准源信号的高电平,
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为基准源信号的低电平,
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为最大门限值。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法,其特征在于: 三角波斜边检测、等幅度时间检测、时钟抖动估计和拉格朗日多项式插值修正均在FPGA内依次完成。
5.根据权利要求4所述的一种旋转环境下数据采集的时钟抖动估计及修正方法,其特征在于包括主控FPGA和子FPGA,所述子FPGA用于采集DA输出的两组基准源信号和采集信号,主控FPGA用于接受子FPGA的数据和外部时钟数据,并对子FPGA的数据进行修正。
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