阅读说明：本技术 一种数字锁相放大器相位同步方法及系统 (Phase synchronization method and system for digital phase-locked amplifier ) 是由 阴泽杰 吴彤宇 张伟 徐修峰 于 2018-08-09 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种数字锁相放大器相位同步方法及系统，方法包括：相位调节模块获取调节使能信号，基于调节使能信号进入调节模式；相位调节模块获取当前低通滤波器输出的第一测量结果，并将第一相位信号调整为第二相位信号；正弦信号发生器基于第二相位信号生成第一正弦信号；乘法器将相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘；低通滤波器滤除乘法器输出的延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘的结果中的高频，输出第二测量结果；相位调节模块在预设时长后，记录低通滤波器输出的第二测量结果，并更新相位调节值。本申请能够有效的实现数字锁相放大器的相位同步，且降低资源消耗。(The application discloses a digital phase-locked amplifier phase synchronization method and a system, wherein the method comprises the following steps: the phase adjusting module acquires an adjusting enabling signal and enters an adjusting mode based on the adjusting enabling signal; the phase adjusting module acquires a first measuring result output by the current low-pass filter and adjusts the first phase signal into a second phase signal; the sinusoidal signal generator generates a first sinusoidal signal based on the second phase signal; the multiplier multiplies the signal output by the delay unit by the first sinusoidal signal by controlling the multiplexer by the phase adjusting module; the low-pass filter filters out high frequency in a result obtained by multiplying a signal output by the delay unit and the first sinusoidal signal, and outputs a second measurement result; and the phase adjusting module records a second measuring result output by the low-pass filter after the preset time length and updates the phase adjusting value. The phase synchronization of the digital phase-locked amplifier can be effectively realized, and the resource consumption is reduced.)

一种数字锁相放大器相位同步方法及系统

技术领域

本申请涉及数字锁相放大器技术领域，尤其涉及一种数字锁相放大器相位同步方法及系统。

背景技术

锁相放大技术(Lock-in Amplifier，LIA)是一种广泛应用于测量较大噪声中微弱信号的技术，具有抗干扰能力强的优点。在磁约束核聚变等离子体实验中，激光色散干涉仪要求有高精度的锁相放大。随着数字技术的飞速发展，数字锁相放大器相较于模拟锁相放大器具有全面优势。数字锁相放大器工作时需要保证输入信号和参考载波信号之间的相位同步，否则输出信号的强度会变弱，测量精度也会大打折扣。

目前，保证待测信号和参考信号之间的相位同步的已有方法大致有三种。一种是通过严格控制传输延迟，保证两者延迟一致，由于信号调制端载波和调制信号是相位同步的，因此接收端两者的相位也是同步的，此种方法对于复杂环境往往无法严格保证延迟一致，特别是传输过程中某些器件的延迟是在缓慢变化的，因此这种方法适用场景较少。另外一种是接收端直接输出载波驱动调制端，使得调制端的相位直接由接受端控制，从而统一两端的相位完成相位同步，此种方法对于两端相距较远以及调制端无法接受相位控制信号的情况很难适用，存在局限性。第三种方法是直接生成一个与参考载波正交的同频率信号，然后用两路正交的参考信号同时与待测信号进行两路锁相放大，得到待测信号特定频率成分在两个正交载波方向上的投影强度，再利用三角合成最终的结果，这种方法利用了两路锁相放大器实现了一路锁相放大器的功能，解决了相位不同步的问题，但是非常占用资源，成本、功耗较高。

因此，如何有效的实现数字锁相放大器的相位同步，且降低资源消耗是一项亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种数字锁相放大器相位同步方法，能够有效的实现数字锁相放大器的相位同步，且降低资源消耗。

本申请提供了一种数字锁相放大器相位同步方法，所述方法包括：

相位调节模块获取调节使能信号，基于所述调节使能信号进入调节模式；

所述相位调节模块获取当前低通滤波器输出的第一测量结果，并将第一相位信号调整为第二相位信号；

正弦信号发生器基于所述第二相位信号生成第一正弦信号；

乘法器将所述相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和所述第一正弦信号相乘；

所述低通滤波器滤除所述乘法器输出的延迟单元输出的信号和所述第一正弦信号相乘的结果中的高频，输出第二测量结果；

所述相位调节模块在预设时长后，记录所述低通滤波器输出的第二测量结果，并更新相位调节值。

优选地，在所述相位调节模块获取调节使能信号，基于所述调节使能信号进入调节模式前，还包括：

所述延迟单元获取待测信号，对所述待测信号进行延迟；

通过锁相环对参考信号进行倍频；

所述相位调节模块将相位调节值初始化为0，并生成周期与所述参考信号一致的相位信号；

所述正弦信号发生器基于接收到的所述相位调节模块输出的周期与所述参考信号一致的相位信号，输出第二正弦信号；

所述相位调节模块控制所述多路选择器将未延迟的待测信号输入乘法器；

所述乘法器将未延迟的待测信号和所述第二正弦信号相乘；

所述低通滤波器滤除所述乘法器输出的未延迟的待测信号和所述第二正弦信号相乘的结果中的高频，输出第一测量结果。

优选地，所述延迟单元获取待测信号，对所述待测信号进行延迟包括：

所述延迟单元将获取到的待测信号延迟M个采样点，其中，M等于所述低通滤波器的抽头数。

一种数字锁相放大器相位同步系统，包括：相位调节模块、低通滤波器、正弦信号发生器、乘法器、多路选择器以及延迟单元，其中：

所述相位调节模块，用于获取调节使能信号，基于所述调节使能信号进入调节模式；

所述相位调节模块，还用于获取当前所述低通滤波器输出的第一测量结果，并将第一相位信号调整为第二相位信号；

所述正弦信号发生器，用于基于所述第二相位信号生成第一正弦信号；

所述乘法器，用于将所述相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和所述第一正弦信号相乘；

所述低通滤波器，用于滤除所述乘法器输出的延迟单元输出的信号和所述第一正弦信号相乘的结果中的高频，输出第二测量结果；

所述相位调节模块，还用于在预设时长后，记录所述低通滤波器输出的第二测量结果，并更新相位调节值。

优选地，所述系统还包括：锁相环，其中：

所述延迟单元，用于获取待测信号，对所述待测信号进行延迟；

所述锁相环，用于对参考信号进行倍频；

所述相位调节模块，还用于将相位调节值初始化为0，并生成周期与所述参考信号一致的相位信号；

所述正弦信号发生器，还用于基于接收到的所述相位调节模块输出的周期与所述参考信号一致的相位信号，输出第二正弦信号；

所述相位调节模块，还用于控制所述多路选择器将未延迟的待测信号输入乘法器；

所述乘法器，还用于将未延迟的待测信号和所述第二正弦信号相乘；

所述低通滤波器，还用于滤除所述乘法器输出的未延迟的待测信号和所述第二正弦信号相乘的结果中的高频，输出第一测量结果。

优选地，所述延迟单元具体用于：

将获取到的待测信号延迟M个采样点，其中，M等于所述低通滤波器的抽头数。

综上所述，本申请公开了一种数字锁相放大器相位同步方法，采用相位调节的方式实现了待测信号和参考信号之间的相位同步，对待测信号的相位和调制端没有要求，极大的扩展了应用场景，并且只使用了一路资源占用量很高的乘法器和低通滤波器，降低了系统的功耗和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种数字锁相放大器相位同步方法实施例1的方法流程图；

图2为本申请公开的一种数字锁相放大器相位同步方法实施例2的方法流程图；

图3为本申请公开的一种数字锁相放大器相位同步系统实施例1的结构示意图；

图4为本申请公开的一种数字锁相放大器相位同步系统实施例2的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本申请公开的一种数字锁相放大器相位同步方法实施例1 的方法流程图，所述方法可以包括以下步骤：

S101、相位调节模块获取调节使能信号，基于调节使能信号进入调节模式；

当需要同步数字锁相放大器待测信号和参考信号之间的相位时，相位调节模块接收调节使能信号，相位调节模块进入调节模式。

S102、相位调节模块获取当前低通滤波器输出的第一测量结果，并将第一相位信号调整为第二相位信号；

当相位调节模块进入调节模式后，记录当前低通滤波器的输出值，即获取系统在工作模式下当前低通滤波器输出的测量结果，同时，将第一相位信号调整为第二相位信号，其中第一相位信号为系统在工作模式下的相位信号。

S103、正弦信号发生器基于第二相位信号生成第一正弦信号；

正弦信号发生器接收相位调节模块输入的第二相位信号，输出与第二相位信号对应的第一正弦信号。

S104、乘法器将相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘；

然后，相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号送入乘法器，正弦信号发生器将输入的第一正弦信号送入乘法器；乘法器将相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘。

S105、低通滤波器滤除乘法器输出的延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘的结果中的高频，输出第二测量结果；

相乘得到的结果经过低通滤波器滤除高频成分后，得到第二测量结果。

S106、相位调节模块在预设时长后，记录低通滤波器输出的第二测量结果，并更新相位调节值。

综上所述，在调节模式下控制多路选择器输出的经过延迟单元的信号，并改变输出给正弦信号发生器的相位信号，通过检测低通滤波器的反馈使得最终输出的相位信号与待测信号达到相位同步的状态。

如图2所示，为本申请公开的一种数字锁相放大器相位同步方法实施例2 的方法流程图，所述方法可以包括以下步骤：

S201、延迟单元获取待测信号，对待测信号进行延迟；

当需要同步数字锁相放大器待测信号和参考信号之间的相位时，系统分为工作模式和调节模式，初始化进入工作模式后，将待测信号送入延迟单元延迟M个采样点，其中，M等于低通滤波器的抽头数。

S202、通过锁相环对参考信号进行倍频；

然后，利用锁相环对参考信号进行倍频，利用该倍频信号作为时钟，使得数据处理与调制端频率相同。

S203、相位调节模块将相位调节值初始化为0，并生成周期与参考信号一致的相位信号；

相位调节模块初始化相位调节值φ为0，并生成周期与参考信号一致的相位信号ωt+φ。

S204、正弦信号发生器基于接收到的相位调节模块输出的周期与参考信号一致的相位信号，输出第二正弦信号；

将相位信号ωt+φ送入正弦信号发生器，得到第二正弦信号sin(ωt+φ)，设输入的待测信号相对于相位调节模块有一个相位延迟θ，由傅里叶变换原理，可将待测信号表示为：

其中，A为需要测量目标结果，公式(1)中第二项为噪声以及干扰信号的频率成分。

S205、相位调节模块控制多路选择器将未延迟的待测信号输入乘法器；

在工作模式下，相位调节模块控制多路选择器将未延迟的待测信号直接送入乘法器。

S206、乘法器将未延迟的待测信号和第二正弦信号相乘；

送入乘法器中的未延迟的待测信号与送入乘法器中的第二正弦信号 sin(ωt+φ)相乘，由三角恒等式得到：

S207、低通滤波器滤除乘法器输出的未延迟的待测信号和第二正弦信号相乘的结果中的高频，输出第一测量结果；

将公式(2)的结果送入低通滤波器，它将结果序列与长度为M的滤波器系数进行卷积，滤除高频成分后得到测量结果：

S208、相位调节模块获取调节使能信号，基于调节使能信号进入调节模式；

在开始正式测量前或者需要相位同步时，相位调节模块接收调节使能信号，相位调节模块进入调节模式。记录当前低通滤波器的输出值V₁。根据有限冲击响应滤波器的原理，V₁的值是由卷积运算得到，设当前时刻为0，滤波器延迟为T，则：

A(-T)是-T时刻目标结果A的值。V₁受到当前采样点之前的连续M个点的影响，将这M个点记为序列I_(M)，因此在进行相位调节操作时，相位调节模块控制系统重现序列I_(M)，使得采用正交的解调载波计算时输入信号一致。

S209、相位调节模块获取当前低通滤波器输出的第一测量结果，并将第一相位信号调整为第二相位信号；

将相位信号调整为ω(t-t₀)+φ+π/2，其中t₀为延迟单元的延迟。

S210、正弦信号发生器基于第二相位信号生成第一正弦信号；

控制正弦信号发生器生成sin(ωt-ωt₀+φ+π/2)值，即对M个点当时所乘正弦信号的相位增加π/2。

S211、乘法器将相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘；

相位调节模块控制多路选择器将延迟单元的输出送入乘法器，延迟单元的输出即序列I_(M)，与sin(ωt-ωt₀+φ+π/2)相乘。

S212、低通滤波器滤除乘法器输出的延迟单元输出的信号和所述第一正弦信号相乘的结果中的高频，输出第二测量结果；

相乘得到的结果经过低通滤波器滤除高频成分后，得到第二测量结果。

S213、相位调节模块在预设时长后，记录低通滤波器输出的第二测量结果，并更新相位调节值。

相位调节模块在调节模式等待时长t₀后，记录低通滤波器的输出值V₂,

根据式(4)和式(5)可以求得：

θ-φ＝arctan(V₂/V₁) (6)

此时可以将相位调节值φ更新为θ：

θ＝arctan(V₂/V₁)+φ (7)

至此，调节模式完成，系统再次进入工作模式，相位调节模块生成相位信号ωt+φ，其中φ等于θ，输入信号和参考信号之间达到相位同步。最终系统在工作模式下得到的测量结果：

目前已成功将本申请应用于HL-2A托卡马克装置上的色散干涉仪信号处理系统，色散干涉仪的调制端不接受载波信号，由于光路的设置无法实现延迟的准确控制，并且要求锁相放大过程是相位同步的，否则测量结果不仅有精度下降问题，还会导致测量结果的错误。通过本申请进行了相位同步的锁相放大操作之后，成功测量得到等离子电子密度，并消除了错误测量，提高了测量精度，降低了系统成本以及功耗。

如图3所示，为本申请公开的一种数字锁相放大器相位同步系统实施例1 的结构示意图，所述系统可以包括：相位调节模块、低通滤波器、正弦信号发生器、乘法器、多路选择器以及延迟单元，其中：

相位调节模块，用于获取调节使能信号，基于调节使能信号进入调节模式；

当需要同步数字锁相放大器待测信号和参考信号之间的相位时，相位调节模块接收调节使能信号，相位调节模块进入调节模式。

相位调节模块，还用于获取当前低通滤波器输出的第一测量结果，并将第一相位信号调整为第二相位信号；

当相位调节模块进入调节模式后，记录当前低通滤波器的输出值，即获取系统在工作模式下当前低通滤波器输出的测量结果，同时，将第一相位信号调整为第二相位信号，其中第一相位信号为系统在工作模式下的相位信号。

正弦信号发生器，用于基于第二相位信号生成第一正弦信号；

正弦信号发生器接收相位调节模块输入的第二相位信号，输出与第二相位信号对应的第一正弦信号。

乘法器，用于乘法器将相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘；

然后，相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号送入乘法器，正弦信号发生器将输入的第一正弦信号送入乘法器；乘法器将相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘。

低通滤波器，用于低通滤波器滤除乘法器输出的延迟单元输出的信号和所述第一正弦信号相乘的结果中的高频，输出第二测量结果；

相乘得到的结果经过低通滤波器滤除高频成分后，得到第二测量结果。

相位调节模块，还用于相位调节模块在预设时长后，记录低通滤波器输出的第二测量结果，并更新相位调节值。

综上所述，在调节模式下控制多路选择器输出的经过延迟单元的信号，并改变输出给正弦信号发生器的相位信号，通过检测低通滤波器的反馈使得最终输出的相位信号与待测信号达到相位同步的状态。

如图4所示，为本申请公开的一种数字锁相放大器相位同步系统实施例2 的结构示意图，所述系统可以包括：锁相环、相位调节模块、低通滤波器、正弦信号发生器、乘法器、多路选择器以及延迟单元，其中：

延迟单元，用于延迟单元获取待测信号，对待测信号进行延迟；

当需要同步数字锁相放大器待测信号和参考信号之间的相位时，系统分为工作模式和调节模式，初始化进入工作模式后，将待测信号送入延迟单元延迟M个采样点，其中，M等于低通滤波器的抽头数。

锁相环，用于通过锁相环对参考信号进行倍频；

然后，利用锁相环对参考信号进行倍频，利用该倍频信号作为时钟，使得数据处理与调制端频率相同。

相位调节模块，用于将相位调节值初始化为0，并生成周期与所述参考信号一致的相位信号；

相位调节模块初始化相位调节值φ为0，并生成周期与参考信号一致的相位信号ωt+φ。

正弦信号发生器，用于基于接收到的相位调节模块输出的周期与参考信号一致的相位信号，输出第二正弦信号；

将相位信号ωt+φ送入正弦信号发生器，得到第二正弦信号sin(ωt+φ)，设输入的待测信号相对于相位调节模块有一个相位延迟θ，由傅里叶变换原理，可将待测信号表示为：

其中，A为需要测量目标结果，公式(1)中第二项为噪声以及干扰信号的频率成分。

相位调节模块，用于控制多路选择器将未延迟的待测信号输入乘法器；

在工作模式下，相位调节模块控制多路选择器将未延迟的待测信号直接送入乘法器。

乘法器，用于乘法器将未延迟的待测信号和第二正弦信号相乘；

送入乘法器中的未延迟的待测信号与送入乘法器中的第二正弦信号 sin(ωt+φ)相乘，由三角恒等式得到：

低通滤波器，用于滤除乘法器输出的未延迟的待测信号和第二正弦信号相乘的结果中的高频，输出第一测量结果；

将公式(2)的结果送入低通滤波器，它将结果序列与长度为M的滤波器系数进行卷积，滤除高频成分后得到测量结果：

相位调节模块，用于相位调节模块获取调节使能信号，基于调节使能信号进入调节模式；

在开始正式测量前或者需要相位同步时，相位调节模块接收调节使能信号，相位调节模块进入调节模式。记录当前低通滤波器的输出值V₁。根据有限冲击响应滤波器的原理，V₁的值是由卷积运算得到，设当前时刻为0，滤波器延迟为T，则：

A(-T)是-T时刻目标结果A的值。V₁受到当前采样点之前的连续M个点的影响，将这M个点记为序列I_(M)，因此在进行相位调节操作时，相位调节模块控制系统重现序列I_(M)，使得采用正交的解调载波计算时输入信号一致。

相位调节模块，还用于获取当前低通滤波器输出的第一测量结果，并将第一相位信号调整为第二相位信号；

将相位信号调整为ω(t-t₀)+φ+π/2，其中t₀为延迟单元的延迟。

正弦信号发生器，用于基于第二相位信号生成第一正弦信号；

控制正弦信号发生器生成sin(ωt-ωt₀+φ+π/2)值，即对M个点当时所乘正弦信号的相位增加π/2。

乘法器，用于将相位调节模块控制多路选择器将延迟单元输出的信号和第一正弦信号相乘；

相位调节模块控制多路选择器将延迟单元的输出送入乘法器，延迟单元的输出即序列I_(M)，与sin(ωt-ωt₀+φ+π/2)相乘。

低通滤波器，用于滤除乘法器输出的延迟单元输出的信号和所述第一正弦信号相乘的结果中的高频，输出第二测量结果；

相乘得到的结果经过低通滤波器滤除高频成分后，得到第二测量结果。

相位调节模块，用于在预设时长后，记录低通滤波器输出的第二测量结果，并更新相位调节值。

相位调节模块在调节模式等待时长t₀后，记录低通滤波器的输出值V₂，

根据式(4)和式(5)可以求得：

θ-φ＝arctan(V₂/V₁) (6)

此时可以将相位调节值φ更新为θ：

θ＝arctan(V₂/V₁)+φ (7)

至此，调节模式完成，系统再次进入工作模式，相位调节模块生成相位信号ωt+φ，其中φ等于θ，输入信号和参考信号之间达到相位同步。最终系统在工作模式下得到的测量结果：

综上所述，本申请采用相位调节的方式实现了待测信号和参考信号之间的相位同步，对待测信号的相位和调制端没有要求，极大的扩展了应用场景，并且只使用了一路资源占用量很高的乘法器和低通滤波器，降低了系统的功耗和成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。