CN109787616B - 一种频率信号切换***及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率信号切换***及切换方法，包括：主通道频率源、备用通道频率源、鉴相器、低通滤波器、AD转换器、DA转换器、本地振荡器和MCU；主通道频率源和备用通道频率源分别依次连接鉴相器、低通滤波器和AD转换器；AD转换器的输出端均与MCU的输入端相连接，MCU的输出端与DA转换器的输入端相连接，DA转换器的输出端与本地振荡器的输入端相连接；本地振荡器的输出分为两路，一路用于输出信号，另一路再分别与每个鉴相器的输入端相连接。本发明可消除各路频率信号之间存在的固有相位差的影响，使切换过程中相位不跳动、信号不中断，可保证频率信号的连续性和稳定性。

Description

一种频率信号切换***及切换方法

技术领域

本发明属于时间频率技术领域，特别涉及一种频率信号切换***及切换方法。

背景技术

在精密授时、航空航天、雷达同步、尖端武器操控、高速通信以及深空探测等领域，都对频率信号提出了较高的要求，要求其具有准确性、连续性、稳定性和可靠性等特点。

实际使用中，为了频率信号的可靠性和稳定性，用户往往需要有多个频率源，为了进行协调，需要引入一种切换方法，当正在使用的一个频率源出现故障时，快速、可靠地切换到另一个正常的频率源上。但目前，绝大部分***仍采用射频开关等硬切换方式来实现信号切换，使得输出信号在切换过程易产生毛刺、跳变和中断等问题，影响了信号的稳定性和连续性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率信号切换***及切换方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的方法采用数字误差跟踪和通道选通的软切换方式，取代了传统的射频开关硬切换的方式，可消除各路频率信号之间存在的固有相位差的影响，使切换过程中相位不跳动、信号不中断，可保证频率信号的连续性和稳定性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种频率信号切换***，包括：主通道频率源、备用通道频率源、鉴相器、低通滤波器、AD转换器、DA转换器、本地振荡器和MCU；主通道频率源和备用通道频率源分别依次连接鉴相器、低通滤波器和AD转换器；AD转换器的输出端均与MCU的输入端相连接，MCU的输出端与DA转换器的输入端相连接，DA转换器的输出端与本地振荡器的压控电压输入端相连接；本地振荡器的输出分为两路，一路用于输出信号，另一路分别与每个鉴相器的输入端相连接。

进一步地，备用通道频率源的数量为一个或多个，且按照预设优先级排列。

进一步地，MCU包括：

减法器，用于计算相位误差；

PI运算单元，用于根据输入信号计算出控制量；

控制单元，控制单元的输入端与减法器的输出端相连接；控制单元与PI运算单元相连接，二者能够进行信息传递，控制单元的输出端用于输出控制量。

进一步地，频率源切换前后的输出信号的相位跳动小于5ps。

一种频率信号切换方法，包括以下步骤：

步骤1，将本地振荡器频率信号通过数字锁相方式在主通道频率信号上锁定；

步骤2，实时检测主通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号以及备用通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号；相位误差信号的跳动超过预设阈值时，则认为其对应的通道频率信号出现故障；

步骤3，未检测到主通道频率信号出现故障时，重复步骤1和步骤2；当检测到主通道频率信号出现故障时，选择无故障的备用通道的相位误差信号作为数字锁相的输入信号，将本地振荡器频率信号通过数字锁相方式在备用通道频率信号上锁定，完成频率信号切换。

进一步地，步骤1具体包括：

步骤1.1，将主通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号作为PI运算单元的输入信号，PI运算单元根据所述输入信号计算获得控制量；

步骤1.2，步骤1.1获得的控制量通过控制单元输出给DA转换器，DA转换器输出模拟电压信号控制本地振荡器信号的频率和相位，实现本地振荡器频率信号在主通道频率信号上的锁定。

进一步地，步骤2具体包括：

步骤2.1，采集预设数量的各通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差数据；

步骤2.2，分别求取采集的各通道的相位误差数据的平均值，获得各通道的锁定相位目标值；

步骤2.3，采集获取各通道实时相位误差数据，将各通道的实时相位误差数据与锁定相位目标值的差值作为该通道的相位误差信号；

步骤2.4，将获取的各通道的相位误差信号与预设阈值比较，判断出各通道的频率信号是否出现故障。

一种多通道频率信号切换方法，基于本发明的频率信号切换***，切换***的备用通道频率源的数量为多个，具体包括以下步骤：

步骤1，主通道中，主通道频率信号f₀与本地振荡器频率信号f_VCO依次经过鉴相器和低通滤波器，获得相位误差uD_err0(t)；相位误差uD_err0(t)经过AD转换器得到数据AD₀，将AD₀作为MCU的PI运算单元的输入信号；

步骤2，PI运算单元根据数据AD₀计算出控制量DATA，计算公式为：

DATA＝p×AD₀+i×∑AD₀，

式中，∑AD₀为AD₀的历史累加数据，P为数字PI运算单元的比例系数，I为数字PI运算单元的积分系数；

步骤3，通过MCU的控制单元将控制量DATA输出给DA转换器；

步骤4，DA转换器输出控制电压信号uC(t)，对本地振荡器信号f_VCO的频率和相位实施控制，使得输出信号f_OUT锁定于f₀；其中，f_OUT＝f_VCO；

步骤5，各备用通道中，f_VCO锁定于f₀时，采集备用通道1、2…Q的频率信号f₁、f₂…f_Q与f_VCO依次经过鉴相器和低通滤波器后的电压信号，并将之转换为AD₁、AD₂…AD_Q；

步骤6，将AD₁、AD₂…AD_Q分别采集n次并取平均值，分别作为备用通道1、2…Q的锁定相位目标值

n取大于1的整数；

步骤7，用MCU中的减法器计算得到AD转换器采集到的实时的AD₁、AD₂……AD_Q与

的差值，作为各通道相位误差信号D_err1、D_err2……D_errQ；

步骤8，通过MCU的控制单元检测AD₀～AD_Q的数据跳动，当跳动超出阈值时AD_h，判断为该路频率信号出现故障，否则为正常；

步骤9，如果控制单元未检测到主通道频率信号f₀出现故障，重复步骤1至步骤8；如果控制单元检测到主通道频率信号f₀出现故障，则判断备用通道信号的工作状态；控制单元按照预定顺序选择无故障的备用通道相位误差信号作为MCU的PI运算单元的输入信号，将本地振荡器频率信号在该备用通道频率信号上锁定，完成频率信号切换。

进一步地，步骤8中，阈值AD_h＝10。

进一步地，MCU为具有预设运算能力的单片机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的多通道频率信号无缝切换方法，在数字锁相环技术的基础上，采用数字误差跟踪和软件选通的方法实现频率信号的无缝切换。先将主通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号作为数字锁相环的PI运算单元的输入信号，PI运算单元的输出驱动DA转换器来控制本地振荡器，从而实现数字锁相；数字锁相环完成对主通道频率信号的锁定后，将各路备用通道信号与本地振荡器频率信号的相位差作为对应各路的锁定相位目标值；当主通道频率信号出现故障时，控制单元选择无故障的备用通道信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号作为数字锁相环的PI运算单元的输入信号，完成数字锁相，从而实现了频率信号的无缝切换。本发明不采用射频开关硬切换的方式，而采用数字误差跟踪和软件选通的软切换方式，数字误差跟踪技术消除了各路频率信号之间存在的固有相位差的影响，使切换过程相位不跳动，软件选通的软切换方式不存在硬件开关的动作，使切换过程频率信号不中断，保证了频率信号的连续性。

本发明采用数字误差跟踪和软件选通的软切换方式，取代了传统的射频开关硬切换的方式，消除了各路频率信号之间存在的固有相位差的影响，使切换过程中相位不跳动、信号不中断，保证了频率信号的连续性和稳定性，从而使用户可以有效平稳地协调使用多路频率信号源。

经过实际测试，本发明的多通道频率信号无缝切换***在信号切换前后的输出信号的相位跳动可小于5ps。

附图说明

图1是本发明实施例的一种三通道频率信号切换***的示意框图；

图2是本发明实施例的一种多通道频率信号切换方法的流程示意框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1，图1是以三通道为例的实施例的原理框图。本发明的一种频率信号切换***，所述***中包含主通道频率源和2路备用通道频率源、鉴相器、低通滤波器、AD转换器、DA转换器、本地振荡器和单片机。其中备用通道频率源的优先级顺序为f₁、f₂；单片机实现减法器、PI运算单元和控制单元等功能。

本发明中，主通道频率源和备用通道频率源分别依次连接鉴相器、低通滤波器和AD转换器；AD转换器的输出端均与MCU的输入端相连接，MCU的输出端与DA转换器的输入端相连接，DA转换器的输出端与本地振荡器的输入端相连接；本地振荡器的输出分为两路，一路用于输出信号，另一路再分为N路分别与每个备用通道的鉴相器及主通道的鉴相器的输入端相连接，N取自然数。单片机的选择只要满足一定的运算能力即可，例如可以选择MSP430FE427、STM32F103RCT6等。

MCU包括：减法器，用于计算相位误差；PI运算单元，用于根据输入信号计算出控制量；控制单元的输入端与减法器的输出端相连接；控制单元与PI运算单元相连接，二者能够进行信息传递，控制单元的输出端用于输出控制量。

本发明的切换***，频率源切换前后的输出信号的相位跳动小于5ps。

请参阅图2，本发明的一种多通道频率信号无缝切换方法，包括以下步骤：

步骤1，主通道频率信号f₀与本地振荡器频率信号f_VCO经过鉴相器、低通滤波器直接得到相位误差信号uD_err0(t)；将相位误差信号uD_err0(t)经过AD转换器后得到的数据AD₀作为数字锁相环的PI运算单元的输入信号。

步骤2，PI运算单元根据AD₀计算出控制量DATA，其计算如下式所示：

DATA＝p×AD₀+i×∑AD₀，

式中，∑AD₀为AD₀的历史累加数据，P为数字PI运算单元的比例系数，I为数字PI运算单元的积分系数。

步骤3：控制单元将控制量DATA输出给DA转换器。

步骤4：DA转换器输出控制电压信号uC(t)，对本地振荡器信号f_VCO的频率和相位实施控制。

至此，数字锁相环完成对主通道频率信号的锁定，即输出信号f_OUT锁定于f₀，其中，f_OUT＝f_VCO。

接下来，采用数字误差跟踪和软件选通的方法实现频率信号的无缝切换。

步骤5：AD转换器持续采集f_VCO锁定于f₀时，备用通道1、2频率信号f₁、f₂与f_VCO经过鉴相器、低通滤波器后的电压信号，并将之转换为AD₁、AD₂。

步骤6：AD₁、AD₂采集n次并取平均值，作为备用通道1、2的锁定相位目标值

此处取n＝10。

步骤7：用减法器得到AD转换器采集到的新的AD₁、AD₂与

的差值，作为各通道相位误差信号D_err1、D_err2。

步骤8：控制单元检测AD₀～AD₂的数据跳动，当跳动超出阈值时AD_h，判断为该路频率信号出现故障，否则为正常；此处取AD_h＝10。

步骤9：如果控制单元未检测到主通道频率信号f₀出现故障，重复步骤1到步骤8；如果控制单元检测到主通道频率信号f₀出现故障，则判断备用通道信号f₁、f₂的工作状态，控制单元按照预定义顺序选择无故障的备用通道相位误差信号作为数字锁相环的PI运算单元的输入信号，实现数字锁相。

经过实际测试，从主频率信号f₀切换到备用通道信号f ₁或f₂，切换前后的输出信号的相位跳动均小于5ps。

本发明的三通道实施例提供一种多通道频率信号的无缝切换方法。在数字锁相环技术的基础上，采用数字误差跟踪和软件选通的方法实现频率信号的无缝切换。先将主通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号作为数字锁相环的PI运算单元的输入信号，PI运算单元的输出驱动DA转换器来控制本地振荡器，从而实现数字锁相。数字锁相环完成对主通道频率信号的锁定后，将各路备用通道信号与本地振荡器频率信号的相位差作为对应各路的锁定相位目标值。当主通道频率信号出现故障时，控制单元选择无故障的备用通道信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号作为数字锁相环的PI运算单元的输入信号，完成数字锁相，从而实现了频率信号的无缝切换。本发明不采用射频开关硬切换的方式，而采用数字误差跟踪和软件选通的软切换方式，数字误差跟踪技术消除了各路频率信号之间存在的固有相位差的影响，使切换过程相位不跳动；软件选通的软切换方式不存在硬件开关的动作，使切换过程频率信号不中断，保证了频率信号的连续性。

本发明的三通道实施例采用数字误差跟踪和软件选通的软切换方式，取代了传统的射频开关硬切换的方式，消除了各路频率信号之间存在的固有相位差的影响，使切换过程中相位不跳动、信号不中断，保证了频率信号的连续性和稳定性，从而使用户可以有效平稳地协调使用多路频率信号源。经过实际测试，该多通道频率信号无缝切换***在信号切换前后的输出信号的相位跳动可小于5ps。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种频率信号切换***，其特征在于，包括：主通道频率源、备用通道频率源、鉴相器、低通滤波器、AD转换器、DA转换器、本地振荡器和MCU；

主通道频率源和备用通道频率源分别依次连接鉴相器、低通滤波器和AD转换器；AD转换器的输出端均与MCU的输入端相连接，MCU的输出端与DA转换器的输入端相连接，DA转换器的输出端与本地振荡器的压控 电压输入端相连接；本地振荡器的输出分为两路，一路用于输出信号，另一路分别与每个鉴相器的输入端相连接；

所述频率信号切换***的频率信号切换方法，包括以下步骤：

步骤1，将本地振荡器频率信号通过数字锁相方式在主通道频率信号上锁定；

步骤2，实时检测主通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号以及备用通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号；相位误差信号的跳动超过预设阈值时，则认为其对应的通道频率信号出现故障；

步骤3，未检测到主通道频率信号出现故障时，重复步骤1和步骤2；当检测到主通道频率信号出现故障时，选择无故障的备用通道的相位误差信号作为数字锁相的输入信号，将本地振荡器频率信号通过数字锁相方式在备用通道频率信号上锁定，完成频率信号切换；

步骤1具体包括：步骤1.1，将主通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差信号作为PI运算单元的输入信号，PI运算单元根据所述输入信号计算获得控制量；步骤1.2，步骤1.1获得的控制量通过控制单元输出给DA转换器，DA转换器输出模拟电压信号控制本地振荡器信号的频率和相位，实现本地振荡器频率信号在主通道频率信号上的锁定；

步骤2具体包括：步骤2.1，采集预设数量的各通道频率信号与本地振荡器频率信号的相位误差数据；步骤2.2，分别求取采集的各通道的相位误差数据的平均值，获得各通道的锁定相位目标值；步骤2.3，采集获取各通道实时相位误差数据，将各通道的实时相位误差数据与锁定相位目标值的差值作为该通道的相位误差信号；步骤2.4，将获取的各通道的相位误差信号与预设阈值比较，判断出各通道的频率信号是否出现故障；

频率源切换前后的输出信号的相位跳动小于5ps。

2.根据权利要求1所述的一种频率信号切换***，其特征在于，备用通道频率源的数量为一个或多个，且按照预设优先级排列。

3.根据权利要求1所述的一种频率信号切换***，其特征在于，MCU包括：

减法器，用于计算相位误差；

PI运算单元，用于根据输入信号计算出控制量；

控制单元，控制单元的输入端与减法器的输出端相连接；控制单元与PI运算单元相连接，二者能够进行信息传递，控制单元的输出端用于输出控制量。

4.一种多通道频率信号切换方法，其特征在于，基于权利要求1中所述的频率信号切换***，切换***的备用通道频率源的数量为多个，具体包括以下步骤：

步骤1，主通道中，主通道频率信号f₀与本地振荡器频率信号f_VCO依次经过鉴相器和低通滤波器，获得相位误差uD_err0(t)；相位误差uD_err0(t)经过AD转换器得到数据AD₀，将AD₀作为MCU的PI运算单元的输入信号；

步骤2，PI运算单元根据数据AD₀计算出控制量DATA，计算公式为：

DATA＝p×AD₀+i×∑AD₀，

式中，∑AD₀为AD₀的历史累加数据，P为数字PI运算单元的比例系数，i 为数字PI运算单元的积分系数；

步骤3，通过MCU的控制单元将控制量DATA输出给DA转换器；

步骤4，DA转换器输出控制电压信号uC(t)，对本地振荡器信号f_VCO的频率和相位实施控制，使得输出信号f_OUT锁定于f₀；其中，f_OUT＝f_VCO；

步骤5，各备用通道中，f_VCO锁定于f₀时，采集备用通道1、2…Q的频率信号f₁、f₂…f_Q与f_VCO依次经过鉴相器和低通滤波器后的电压信号，并将之转换为AD₁、AD₂…AD_Q；

步骤6，将AD₁、AD₂…AD_Q分别采集n次并取平均值，分别作为备用通道1、2…Q的锁定相位目标值

n取大于1的整数；

步骤7，用MCU中的减法器计算得到AD转换器采集到的实时的AD₁、AD₂……AD_Q与

的差值，作为各通道相位误差信号D_err1、D_err2……D_errQ；

步骤8，通过MCU的控制单元检测AD₀～AD_Q的数据跳动，当跳动超出阈值时AD_h，判断为该路频率信号出现故障，否则为正常；

步骤9，如果控制单元未检测到主通道频率信号f₀出现故障，重复步骤1至步骤8；如果控制单元检测到主通道频率信号f₀出现故障，则判断备用通道信号的工作状态；控制单元按照预定顺序选择无故障的备用通道相位误差信号作为MCU的PI运算单元的输入信号，将本地振荡器频率信号在该备用通道频率信号上锁定，完成频率信号切换。

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