时频测控技术是测试计量、仪器仪表、电力通讯、导航定位、航空航天等领域的重要基础,它的发展直接关系到相关科学技术及产业的进步和精度的提高。频率稳定度作为频率源的重要指标,对时频测控系统的性能有着重要影响。时域的阿伦方差和频率的单边带相位噪声是短期稳定度的两种主要表征形式,而单边带相位噪声以其更明确的物理意义受到越来越多研究者的关注,对频率源单边带相位噪声的精确测量是时频测控领域的研究热点,产生了大量的相位噪声测量理论和方法,出现了许多高性能的相位噪声测量系统。传统的相位噪声测量方法和系统,主要采用同频锁相的相位处理方法,测量时要求参考和被测信号频率值相同且相位正交。当参考和被测频率不同频时,需要复杂的频率变换线路进行频率归一化,增加了频率处理链路,提高了成本,引入了变换线路附加误差,限制了传统相位处理应用面和测量精度的提高。应用微电子技术对线路进行改进,借助微处理技术对算法进行优化等都没有从根本上解决传统同频相位处理中的高测量分辨率和宽频率测量范围间的矛盾。考虑到周期性运动现象及其相位问题的普遍性,相位处理理应具有更宽的频率适用范围、更高的测量分辨率,对于相位处理理论和方法的深入研究,探索如何将传统的同频相位比对和处理拓展到更广的任意频率信号间的相位直接比对和处理,具有重要的意义和研究价值。鉴于相位噪声测量和相位处理方法中同频比相的限制,本论文在深入分析任意两个不同频率信号间直接相位比对的相位差变化规律的基础上,揭示了异频信号间的相位群特征理论,并将该理论应用于相位噪声的测量,实现了基于相位群特征的相位噪声测量系统的硬件功能模块和软件算法设计,并进行了系统性能实验验证和结果分析。同时,探讨了异频信号间的相位群特征在频率、相位差测量以及频率链接中的应用。本论文的主要研究内容和的研究成果包括以下几个方面:1.分析了频率稳定度和相位噪声测量理论的发展和现状,介绍了常用的相位噪声测量方法和典型相位噪声测量系统,分析了基于同频相位处理的相位噪声测量方法的局限性。研究了相位噪声的时域阿伦方差和频域功率谱密度表征形式,阐述了阿伦方差和功率谱密度尤其是单边带相位噪声的计算方法及其相互转换的原理。2.研究了异频信号间的相位群特征理论。在最小公倍数周期、等效鉴相频率等概念的基础上,分析了异频信号间相位比对的相位差变化规律,揭示了异频信号间相位差以最小公倍数周期为周期的相位群特征,即群间相位差变化严格一致的相位群同步特征,群内相位差量化步进的相位量化步进特征。异频信号间的相位群特征理论,对于简化频率处理链路,提高时频测量的分辨率及精度有重要的研究价值。3.研究了异频信号间的相位重合检测理论。对异频信号间的相位群同步特征进行了深入探讨,分析了异频信号间相位重合检测模糊区的形成原因,发现了相位重合检测模糊区的边沿效应。相位重合检测模糊区及其边沿效应的研究,对于提高相位重合检测以及相关时频测量的精度,实现基于异频相位处理的相位噪声测量,以及解决更广范围内高测量分辨率需求与有限的检测分辨率之间的矛盾具有重要的研究价值和启发意义。4.研究了基于异频信号间的相位群特征的相位噪声测量原理。探讨了异频信号间的相位群特征在相位噪声测量中的应用,利用异频参考和被测频率间的相位重合检测构成实际测量闸门,通过测量门时内参考和被测频率的计数值变化求得测量门时的起伏,实现近载频单边带相位噪声测量;同时,通过测量门时内参考和被测频率间的相位重合检测脉冲的个数及缺失脉冲位置的记录求得相应的相位起伏,实现远载频单边带相位噪声的测量。5.完成了基于异频信号间的相位群特征的相位噪声测量系统的软硬件设计与实现。给出了基于异频信号间相位群特征的相位噪声测量系统的总体方案,完成了系统的参考频率源模块、DDS及晶体滤波模块、相位重合检测和门时产生及计数模块等的功能设计与电路实现,设计并编程实现了系统的软件算法,对系统的性能作了实验验证和结果分析。6.探讨了异频信号间的相位群特征理论在时频测控中的其它应用。给出了基于精密移相的相检宽带测频改进方法,有效提高了参考和被测频率呈倍数关系时的测量速度;给出了基于相位群同步的相位差测量方法,通过对由中介频率与参考和被测频率的相位重合检测构成的测量门时内的被测和中介频率计数实现高分辨率的相位差测量;给出了基于相位群同步的频率链接方法,利用异频信号间稳定的相位群同步特征,无需频率归一化即可实现复杂频率信号间准确度和稳定度的高精度传递。