CN105634476B - 多种异频频率源同步一种频率输出的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多种异频频率源同步一种频率输出的系统，包括：监测单元、控制单元、锁定单元、输出单元和时钟单元。本发明还提供一种多种异频频率源同步一种频率输出的方法，采用监测单元对系统输入的多路异频频率源和系统输出频率进行状态监测；采用控制单元，根据监测单元的状态监测结果，从多种异频频率源中选择出跟踪频率源；采用锁定单元，实现系统输出对所述跟踪频率源的频率锁定和相位锁定；采用输出单元，通过数字锁相环把锁定后的所述跟踪频率源生成为指定频率输出。本发明能够将不同频率设备产生的频率统一到同一个频率上来，把不同频率的频率源同步成一种频率输出，不管前端频率源怎么变化对后端固定频率输出没有影响。
Description
技术领域
本发明涉及频率融合，主要用于时间设备的多种频率源的融合，尤其涉及一种将多种不同频率的频率源融合成一个固定频率输出的系统和方法。
背景技术
目前在通讯、交通和电力等行业中有很多不同的频率设备，其产生的频率种类也很多，例如10MHz、2Mbit、2MHz和1PPS等等，不同的频率指标也不同，设备新旧造成的频率输出准确度也不同，很难统一到同一个频率上来，对后端频率的使用造成了很大的影响。因此需要一种能把不同频率的频率源同步成一种频率输出，不管前端频率源怎么变化对后端固定频率输出没有影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种多种异频频率源同步一种频率输出的系统及方法，把不同频率的频率源同步成一种频率输出，以解决现有技术存在的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
多种异频频率源同步一种频率输出的系统，包括以下功能单元：
监测单元，对系统输入的多路异频频率源和系统输出频率进行状态监测，判断出频率源是否正常；
控制单元，根据监测单元的状态监测结果，从多种异频频率源中选择出跟踪频率源；
锁定单元，实现系统输出对所述跟踪频率源的频率锁定和相位锁定；
输出单元，通过数字锁相环把锁定后的所述跟踪频率源生成为指定频率输出；
时钟单元，采用低频的高稳时钟信号作为输入，把输入频率倍频至系统工作所需的高频率时钟信号，作为输出单元和输入监测的采样时钟信号和系统的高稳工作时钟。
监测单元中采用的监测方法为统计出频率源两次上升沿之间的时间值，累计定时Tr后取平均计算出周期值pr，与设定的超出容限值pmax和恢复容限值pmin进行比较，判断输入和输出频率状态是否正常，即如果pr>pmax或者pr<pmin累计超过累计定时Td，则该频率源频率超限；如果pr<pmax并且pr>pmin累计超过累计定时Td，则认为该频率源频率正常；所述累计定时Tr和Td小于60秒钟。
所述控制单元对输入频率源分配优先级，根据频率源的优先级和监测单元的状态监测结果从多种异频频率源中选择优先级最高且频率正常的频率源作为跟踪频率源。
若选择的跟踪频率源与当前跟踪频率源不同，采用零相位切换进行频率源切换；所述零相位切换是指在跟踪频率源切换时，系统从Active状态进入Hold状态，输出保持原相位，系统按固定相位偏移、输出频率不变，直到系统输出频率相位与选择出的跟踪频率源相位相同，系统状态切换回Hold状态。
所述相位锁定方法为：系统计算输入输出频率上升沿的时间差相减得出相位差ΔP，然后与容限值进行判断比较，如果超过容限值则认为相位失锁。
相位失锁分为正失锁和负失锁；所述相位差ΔP<Phmin时为负失锁，对输出进行正向调节，增大ΔP；若相位差ΔP>Phmax时为正失锁，对输出进行负向调节，减小ΔP。
所述频率锁定方法为：系统计算输入输出周期的差值ΔF，然后与容限值进行判断比较，如果超过容限值则认为频率失锁。
所述频率失锁分为正失锁和负失锁；正失锁是频率差ΔF>Fmax，对输出进行负向调节，减小ΔF；负失锁是频率差ΔF<Fmin，对输出进行正向调节，增大ΔF。
所述输出单元采用数字锁相环。
多种异频频率源同步一种频率输出的方法，包含以下步骤：
步骤一：采用监测单元对系统输入的多路异频频率源和系统输出频率进行状态监测，判断频率源是否正常；
步骤二：采用控制单元，根据监测单元的状态监测结果，从多种异频频率源中选择出跟踪频率源；
步骤三：采用锁定单元，实现系统输出对所述跟踪频率源的频率锁定和相位锁定；
步骤四：采用输出单元，通过数字锁相环把锁定后的所述跟踪频率源生成为指定频率输出。
本发明的有益效果：能够将不同频率设备产生的频率统一到同一个频率上来，把不同频率的频率源同步成一种频率输出，不管前端频率源怎么变化对后端固定频率输出没有影响。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图。
图2为本发明监测单元对输入多频率源监测的工作流程图。
图3为本发明控制单元的选择跟踪频率源的工作流程图。
图4为本发明控制单元的零相位切换示意图。
图5为本发明锁定单元的系统输出对跟踪频率源的频率锁定和相位锁定的工作流程图。
图6为本发明输出单元的原理框图。
图7为本发明时钟单元的从选择出来的输入频率源输出指定频率的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种多种异频频率源同步一种频率输出的系统，参见图1，包括以下功能单元：
①监测单元，用于对系统输入的多路异频频率源和系统输出频率进行状态监测。
允许多种不同的频率源输入，对每一路频率源进行状态监测。主要监测每个输入频率源和系统输出频率是否超限，通过测量频率源的周期与阀值周期进行比较，参见图2。监测单元统计出频率源两次上升沿之间的时间值，累计定时Tr后取平均计算出周期值pr，与设定的周期的上限pmax(超出容限值)和下限pmin(恢复容限值)进行比较，判断输入和输出频率状态是否正常，即如果pr>pmax或者pr<pmin累计超过累计定时Td，则该频率源频率超限；如果pr<pmax并且pr>pmin累计超过累计定时Td，则认为该频率源频率正常。
对不同的频率源周期的容限值pmax和pmin是不同的，累计定时Tr和Td都是相同的。对频率的判断时间，即累计定时Tr和Td，一般小于60秒钟。
②控制单元，用于根据监测单元的状态监测结果，从多种异频频率源中选择出跟踪频率源。
控制单元根据功能需要给多路频率源分配不同的优先级，优先级从0-7代表优先级由高到低。系统读取优先级最高的频率源，然后根据监测单元的结果(频率源是否正常)来选择是否采用该频率源作为跟踪源。选择的结果是优先级最高并且频率正常的频率源，参见图3。
如果频率源选择的结果与当前频率源不同，则控制单元会进行频率源切换。为了保证输入输出同相位，必须采用零相位补偿技术，即当频率源选择的结果与当前频率源(即老参考频率源)不同时，系统从Active(跟踪)状态进入Hold(保持)状态，系统跟踪频率源取消使能，输出保持原先的相位，参见图4中输出时刻1所示。系统开始按固定相位ΔTp偏移，输出频率不变，直至输出时刻n时，系统输出频率相位与选择出的跟踪频率源(即新参考频率源)相位相同，系统状态由Hold切回Active，此时系统跟踪频率源使能，参见图4。
零相位切换技术实际上是在两个不同频率源Active之间插入Hold模式，让输出连续且频率不变，相位从一个位置慢慢偏移到另一个位置，保证了输入和输出同相位。频率源切换时间不固定，要根据新频率源相位和输出相位差的大小而定。ΔTp的设定应该保证输出相位连续，不应过大。
③锁定单元，实现系统输出对所述跟踪频率源的频率锁定和相位锁定，参见图5。
频率锁定方法为：系统计算输入输出周期的差值ΔF，然后与容限值进行判断比较，如果超过容限值则认为频率失锁。频率失锁分为正失锁和负失锁；正失锁是频率差ΔF>Fmax，对输出进行负向调节，减小ΔF；负失锁是频率差ΔF<Fmin，对输出进行正向调节，增大ΔF。
相位锁定方法为：系统计算输入输出频率上升沿的时间差相减得出相位差ΔP，然后与容限值进行判断比较，如果超过容限值则认为相位失锁。相位失锁分为正失锁和负失锁；若相位差ΔP>Phmax时为正失锁，对输出进行负向调节，减小ΔP；若相位差ΔP<Phmin时为负失锁，对输出进行正向调节，增大ΔP。
相位容限值Phmax和Phmin、频率容限值Fmax和Fmin的设定要根据该频率源时钟等级，如果设置太小则很难锁定，太大造成容易锁定输出相位与输入相位有偏差，锁定判断时间不固定。
④输出单元。
内部为数字锁相环，通过数字锁相环把锁定后的所述跟踪频率源生成为指定频率输出。
多路的频率源经过控制单元选择出优先级最高并且频率正常的频率源，经过对频率源的锁定，然后进入输出单元。输出单元内部其实就是数字锁相环，完成从选择出的输入频率到指定频率的输出过程，参见图6。输出单元的数字锁相环工作原理为现有技术。
⑤时钟单元，采用低频的高稳时钟信号作为输入，把输入频率倍频至系统工作所需的高频率时钟信号fs，作为输出单元和输入监测的采样时钟信号和系统的高稳工作时钟。
参见图7，其描述了系统时钟单元产生系统时钟频率fs的过程，系统时钟单元在系统复位时能够提供低噪声、稳定、高频率的时钟。系统输出的信号来源于系统时钟频率fs。
系统时钟单元输入采用低频的高稳时钟信号，内部使用锁相环倍频器把输入的频率倍频至系统工作所需的高频率时钟信号。为了降低锁相环倍频器的输入宽带噪声，要把输入频率双倍频。锁相环倍频器是一个依靠完整LC振荡器和压控振荡器的倍频器，倍频数设置为合适的倍数，把低频的时钟频率信号倍频至所期望的高频率时钟信号。例如，低频的时钟为10MHz高稳钟，设置倍频倍数为100，得到的高频率时钟为1GHz。
锁相环倍频器包含频率相位监测单元，对输入的频率信号和反馈信号进行相位锁定监测。系统时钟锁相环刚开始工作时频率相位监测单元采集到一系列随机输入和反馈相位信号，随着系统时钟锁相环完成相位锁定，频率相位监测单元采集到连续的相位信号会逐渐增多，当连续信号时间大于等于Tl时，则认为频率相位锁定；所述T1为一个固定值，一般设置为128秒。
本发明还提供多种异频频率源同步一种频率输出的方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：采用监测单元对系统输入的多路异频频率源和系统输出频率进行状态监测，判断频率源是否正常；
步骤二：采用控制单元，根据监测单元的状态监测结果，从多种异频频率源中选择出优先级最高并且频率正常的频率源；
步骤三：采用锁定单元，实现系统输出对所述跟踪频率源的频率锁定和相位锁定；
步骤四：采用输出单元，通过数字锁相环把锁定后的所述跟踪频率源生成为指定频率输出。
本发明能够将不同频率设备产生的频率统一到同一个频率上来，把不同频率的频率源同步成一种频率输出，不管前端频率源怎么变化对后端固定频率输出没有影响。
Claims (7)
1.多种异频频率源同步一种频率输出的系统，其特征在于包括以下功能单元：
监测单元，对系统输入的多路异频频率源和系统输出频率进行状态监测，判断出频率源是否正常；
控制单元，根据监测单元的状态监测结果，从多种异频频率源中选择出跟踪频率源；
锁定单元，实现系统输出对所述跟踪频率源的频率锁定和相位锁定；
输出单元，通过数字锁相环把锁定后的所述跟踪频率源生成为指定频率输出；
时钟单元，采用低频的高稳时钟信号作为输入，把输入频率倍频至系统工作所需的高频率时钟信号，作为输出单元和输入监测的采样时钟信号和系统的高稳工作时钟；
监测单元中采用的监测方法为：统计出频率源两次上升沿之间的时间值，累计定时Tr后取平均计算出周期值pr，与设定的超出容限值pmax和恢复容限值pmin进行比较，判断输入和输出频率状态是否正常，如果pr>pmax或者pr<pmin累计超过累计定时Td，则该频率源频率超限；如果pr<pmax并且pr>pmin累计超过累计定时Td，则认为该频率源频率正常；所述累计定时Tr和Td小于60秒钟；
所述控制单元对输入频率源分配优先级，根据频率源的优先级和监测单元的状态监测结果从多种异频频率源中选择优先级最高且频率正常的频率源作为跟踪频率源；
若选择的跟踪频率源与当前跟踪频率源不同，采用零相位切换进行频率源切换；所述零相位切换是指在跟踪频率源切换时，系统从Active状态进入Hold状态，输出保持原相位，系统按固定相位偏移、输出频率不变，直到系统输出频率相位与选择出的跟踪频率源相位相同，系统状态切换回Hold状态。
2.根据权利要求1所述的多种异频频率源同步一种频率输出的系统，其特征在于：所述相位锁定方法为：系统计算输入输出频率上升沿的时间差相减得出相位差ΔP，然后与容限值进行判断比较，如果超过容限值则认为相位失锁。
3.根据权利要求2所述的多种异频频率源同步一种频率输出的系统，其特征在于：相位失锁分为正失锁和负失锁；所述相位差ΔP<Phmin时为负失锁，对输出进行正向调节，增大ΔP；若相位差ΔP>Phmax时为正失锁，对输出进行负向调节，减小ΔP。
4.根据权利要求1所述的多种异频频率源同步一种频率输出的系统，其特征在于：所述频率锁定方法为：系统计算输入输出周期的差值ΔF，然后与容限值进行判断比较，如果超过容限值则认为频率失锁。
5.根据权利要求4所述的多种异频频率源同步一种频率输出的系统，其特征在于：所述频率失锁分为正失锁和负失锁；正失锁是频率差ΔF>Fmax，对输出进行负向调节，减小ΔF；负失锁是频率差ΔF<Fmin，对输出进行正向调节，增大ΔF。
6.根据权利要求1所述的多种异频频率源同步一种频率输出的系统，其特征在于：所述输出单元采用数字锁相环。
7.多种异频频率源同步一种频率输出的方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：采用监测单元对系统输入的多路异频频率源和系统输出频率进行状态监测，判断频率源是否正常；
步骤二：采用控制单元，根据监测单元的状态监测结果，从多种异频频率源中选择出跟踪频率源；
步骤三：采用锁定单元，实现系统输出对所述跟踪频率源的频率锁定和相位锁定；
步骤四：采用输出单元，通过数字锁相环把锁定后的所述跟踪频率源生成为指定频率输出；
监测单元中采用的监测方法为：统计出频率源两次上升沿之间的时间值，累计定时Tr后取平均计算出周期值pr，与设定的超出容限值pmax和恢复容限值pmin进行比较，判断输入和输出频率状态是否正常，如果pr>pmax或者pr<pmin累计超过累计定时Td，则该频率源频率超限；如果pr<pmax并且pr>pmin累计超过累计定时Td，则认为该频率源频率正常；所述累计定时Tr和Td小于60秒钟；
所述控制单元对输入频率源分配优先级，根据频率源的优先级和监测单元的状态监测结果从多种异频频率源中选择优先级最高且频率正常的频率源作为跟踪频率源；
若选择的跟踪频率源与当前跟踪频率源不同，采用零相位切换进行频率源切换；所述零相位切换是指在跟踪频率源切换时，系统从Active状态进入Hold状态，输出保持原相位，系统按固定相位偏移、输出频率不变，直到系统输出频率相位与选择出的跟踪频率源相位相同，系统状态切换回Hold状态。
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