相位处理在时频测量领域中具有最高的测量分辨率,但传统的相位比对技术只能对频率标称值相同或成简单倍数关系的信号进行比对。随着时频测量被更加广泛地应用于航空航天、海洋探测、5G技术等各种新兴的技术领域中,复杂频率信号间相位比对的应用场景变得越来越多,测量精度的要求也变得越来越高。若需要实现复杂频率关系的两个信号间相位比对,传统方法通常需要对频率进行归一化处理,使电路变得极其复杂且引入了大量噪声,严重影响了频率测量精度。本文通过对传统相位比对方法的研究,引入广义相位处理等概念,将标称值不同的频率信号之间的相位比对延展到相位群中。经过对相位群中复杂频率关系信号的研究发现,在单个最小公倍数周期内,相位差并不会像简单频率关系一样规律性变化。但是若以两个比对信号的最小公倍数周期为间隔,在相邻相位群之间可以发现相位差的变化是连续的。相位群概念的引入,使得宽频率范围内的直接相位比对变成了可能。在此基础上,结合数字化技术及线性相位比对原理,以参考信号和被测信号的最小公倍数周期的整数倍为时间间隔进行采样,利用信号本身的相位特征便能够实现频率标称值成复杂关系的两个信号之间的相位比对。本文设计的复杂频率信号数字化直接线性相位比对系统,首先以标准信号作为ADC的时钟对被测信号进行连续无间隔的采样,并在FPGA中对闸门中的数据进行选取,使得相邻线性区采样点之间的时间间隔为两信号间最小公倍数周期的整数倍。再通过三级均值滤波、幅值相位转换等算法,从而实现对复杂频率信号的直接线性相位比对。经过高精度标准频率源的自校与互比实验验证,本文设计的复杂频率数字化直接线性相位比对系统能够实现对复杂频率关系信号的频率及频率稳定度的测量,秒级频率稳定度能够达到E-13量级。本系统结构简单,操作简便,在频标领域有着很强的竞争力。