CN106230436B - 高可靠性频率源设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高可靠性频率源设备，旨在提供一种可靠性高、长短稳定度好的频率源设备。本发明通过下述技术方案予以实现：接收切换单元采用两个三合一天线和信号放大器串联2×3信号交换矩阵，2×3信号交换矩阵通过多通道接收机芯片和三选一开关来切换接收到的卫星信号，三选一开关接收三路可同源或不同源的卫星秒信号，将其中选出的一路卫星秒信号送入一分三功分器，将功分出的三路同源的卫星秒信号分别送给锁定单元锁定在输入的同源卫星秒信号上，并分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；另一路通过一分三功分器的卫星秒信号去对铷钟进行校频驯服，标准频率信号通过铷钟锁相单元传送至信号处理单元C，形成输出三种同源的标准频率信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率源，更具体说本发明涉及一种接收卫星信号并内置锁相环的高性能时统设备。
背景技术
频率标准源是产生标准频率信号，其输出信号作为时间码产生器的信号源及作为标准频率信号提供给多普勒测速等测控设备。常用的频率标准源有石英晶体振荡器、铷原子频率标准、铯原子频率标准和氢原子频率标准。传统的频标设备是通过原子钟来产生所需的多种标准频率信号，原子钟的原理同其他钟一样，都是利用固定周期的振荡或摆动来维持测量时间的精确度的。普通时钟的振荡频率会有轻微的改变，从而造成了时间不精确，而原子钟由于采用了原子振荡频率，可以获得极高的时间精确度。原子钟是利用铯、铷等原子稳定的振荡频率制成的极精密的计时器，准确度极高，但是由于原子钟体积太大，耗费能量过高，对环境要求高，可靠性低，且必须外接秒信号来校频，因此结构复杂，功能单一，适用范围有限；此外，传统的频标设备由于其必须连接外接参考信号，导致必须固定安装，因此限定了其适用范围；另外原子钟短期稳定度差，需要稳很久才能达到较佳的指标，实际使用中相当不便。若仅采用体积小的晶振，虽然短期稳定度好，但长期稳定度差，易老化，准确度低。若采用卫星授时，虽然方便，但当卫星信号不好时，整个设备将处于瘫痪状态，故其可靠性差。
发明内容
本发明的目的针对现有技术存在的不足之处，提供一种可靠性高、成本低、体积小、准确度高、长短稳定度好的高可靠性频率源设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种高可靠性频率源设备，包括：接收切换单元、锁定单元和信号处理单元，其特征在于：接收切换单元采用两个三合一天线和信号放大器并顺次串联2×3信号交换矩阵，2×3信号交换矩阵通过多通道接收机芯片和三选一开关来切换接收到的卫星信号，三选一开关接收三路可同源或不同源的卫星秒信号，将其中选出的一路卫星秒信号送入串联在三选一开关输出端的一分三功分器，将功分出的三路同源的卫星秒信号分别送给锁定单元中两个可独立工作的模拟锁相环和铷钟，两个独立工作的模拟锁相环将晶体振荡器晶振锁定在输入的同源卫星秒信号上，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；另一路通过一分三功分器的卫星秒信号去对铷钟进行校频驯服，铷钟作为一路标准频率信号的频率源，该标准频率信号通过含有两个单刀双掷开关并联回路构成的铷钟锁相单元传送至信号处理单元C，从而形成了输出三种同源的标准频率信号。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
可靠性高。本发明采用两个可独立工作的三合一天线、三个可独立工作的多通道接收机模块，通过矩阵和开关切换，功分的方式，将可选出的一路卫星信号功分，进而产生三路同源的标准频率信号和脉冲信号，时间码信号等。三路同源的卫星秒信号其中两路经锁定单元中两个可独立工作的锁相单元，另一路送给铷钟校频使用，同时铷钟也采用锁相单元1：1备份的方式；锁相单元的输出信号通过三个可独立工作的信号处理单元，最终输出多种功能的同源的标准频率信号和脉冲信号，时间码信号等，大大提高了电路的可靠性。例如有一个天线，两个接收机芯片损坏造成无法工作的情况下，可以通过开关切换的方式选择另一个天线和接收机芯片继续工作；当卫星信号很差，两个天线和三个接收机芯片均损坏的情况下，还可以通过锁定单元内置的驯服铷钟锁相单元继续工作，不会影响整个装置的正常工作，和信号的准确度可靠性相噪等指标，从而大大延长了频率源设备的使用寿命，减少了频率源设备的维修次数。铷钟锁相单元采用锁相单元1：1备份的方式对铷钟产生的标准频率信号，通过两个单刀双掷开关选择其中一路锁相环链路来锁定，并将锁定后的信号传送至信号处理单元C，信号处理单元分将来自上述锁定单元和铷钟锁相单元的三种同源的频率信号进行信号整形、放大、分路、编码后，输出多种功能的同源的标准频率信号和脉冲信号，时间码信号等，方便了系统时间和频率的统一。
成本低。本发明独创地采用两个三合一天线的方式运用成熟的锁相环PLL模块频率合成技术，通过功能强大的三合一天线，且成本低廉的多通道接收机芯片，相比于现有技术价格高昂的原子钟组组成的频标系统，大大降低了成本，并且拓展了频率源设备的适用范围，克服了现有技术功能单一，适用范围有限的弊端。
体积小。本发明采用三个多通道卫星接收芯片的方式和超小体积铷钟锁相单元，发展成熟的集成PLL模块，超高速模拟数字转换器ADC和数字模拟转换器DAC芯片，相比于以往笨重的频标设备，缩小了体积。
切换简单。本发明中的一分三功分器将接收切换单元产生的一路标准卫星秒信号分成三路传输给锁定单元进行频率锁定和切换，锁定单元可利用内置单刀双掷开关选择为铷钟工作的锁相环，整个装置频率转换速度快(可小于10ms)，切换简单快捷。本发明还可以通过人机交互单元分别与接收切换单元、锁定单元、信号处理单元电连接，控制各种信号的走向和开关的切换，在实际使用中可通过编程的方式，可优选地在整个装置的外观上安装可触摸显示屏，实时查看天线接收卫星信息，锁相环锁定状态及工作状态，信号处理及输出各类信号状态。用手指在屏上点击开关，便可选择相应的工作通道，达到切换的目的。且可增加时间显示，实时显示卫星时间。
准确度高、长短稳定度好。本发明在电路中独创地采用了可以同时接收秒信号和频率信号的锁相环，通过对比两者的相位差，将晶振锁定在卫星秒信号上，兼具了卫星信号的时间准确度高和驯服晶振的短期稳定度好的优点，克服了晶振老化率高的缺点。通过对比两路卫星秒信号和铷钟锁相单元产生的信号，并将产生的三路同源的标准频率信号传送至信号处理单元，信号处理单元分将来自锁定单元的三路频率信号进行信号整形、放大、分路、编码后，分频输出多种功能的同源的标准频率信号和脉冲信号，时间码信号等，工作稳定可靠，输出信号频谱纯度高，且一致性特别好，便于终端设备时间和频率的统一。当卫星信号抖动时，驯服后的铷钟锁相单元可发挥其长期稳定度好、准确度高的优点。通过将卫星信号、铷钟锁相单元、数字锁相环PLL_B，模拟锁相环PLL_A和模拟锁相环PLL_C几者的优点结合起来，实现了高性能的信号输出。
适用面广。本发明通过接收多种不同的卫星信号，实现了一种便携式频标源。只要此设备可以接收到三种卫星信号中的任何一种，通过卫星信号便可授时和产生标准高性能的频率信号。当捕捉不到卫星信号或卫星信号受到干扰时，也可用内置铷钟锁相单元替代继续工作。
查看卫星天线是否受到干扰。由于卫星信号和天线很容易受到不同程度的干扰，本发明通过接收到三种不同的卫星信号，并利用开关选择其中一路卫星信号进行锁相输出。通过对比两路最终输出信号中的任一路和铷钟锁相单元产生的信号，便可得知是否某卫星信号发生抖动，快速确定其是否受到干扰，天线是否安置妥当。可通过接收多种卫星信号经内置超小体积铷钟锁相单元、锁相环等实现多种高质量标准频率信号的输出。其具有可靠性高、成本低、体积小、准确度高、长短稳定度好、适用范围广，可批量生产等优点。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过实施例来说明。
图1是本发明高可靠性频率源设备的电路原理示意图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，一种高可靠性频率源设备可以通过接收多种卫星信号并内置BM2102—06型超小体积铷钟锁相单元、锁相环实现多种高质量标准频率信号的输出。所述一种高可靠性频率源设备，包括：接收切换单元、锁定单元和信号处理单元，其特征在于：接收切换单元采用两个三合一天线和信号放大器并顺次串联2×3信号交换矩阵，2×3信号交换矩阵通过多通道接收机芯片和三选一开关来切换接收到的卫星信号，三选一开关接收三路可同源或不同源的卫星秒信号，将其中选出的一路卫星秒信号送入串联在三选一开关输出端的一分三功分器，将功分出的三路同源的卫星秒信号分别送给锁定单元中两个可独立工作的模拟锁相环和铷钟，两个独立工作的模拟锁相环将晶体振荡器晶振锁定在输入的同源卫星秒信号上，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；另一路通过一分三功分器的卫星秒信号去对铷钟进行校频驯服，铷钟作为一路标准频率信号的频率源，该标准频率信号通过含有两个单刀双掷开关并联回路构成的铷钟锁相单元传送至信号处理单元C，从而形成了输出三种同源的标准频率信号。
信号处理单元将来自锁定单元的三路频率信号进行信号整形、放大、分路、编码后，分频输出多种功能的同源的标准频率信号和脉冲信号，时间码信号等。
接收切换单元采用两个三合一天线和信号放大器、2×3信号交换矩阵、三个多通道接收机芯片和三选一开关等来实现接收到的卫星信号的切换，而且，每个经天线接收到的卫星信号都输入到放大器，每个放大器均电连接矩阵2×3信号交换矩阵，2×3信号交换矩阵为2×3切换矩阵。2×3信号交换矩阵输入端共电连接两个放大器，2×3矩阵输出端共电连接三个多通道卫星接收机芯片，每个卫星接收机模块后均电连接有三选一开关，三选一开关输入端共电连接有三个多通道卫星接收机芯片，三选一开关输出端电连接一分三功分器。一分三功分器输入端电连接三选一开关，输出端顺次电连接锁定单元的两个模拟锁相环和铷钟。一分三功分器输出端输出三路同源卫星秒信号给锁定单元。
多通道接收机芯片由分别电连接在2×3信号切换矩阵与三选一开关之间的3个GPS/BD/GLONASS多通道接收机芯片组成。接收切换单元产生的三路同源卫星秒信号，经接收切换单元中的三选一开关，选出经过三路多通道接收机芯片中某一路的卫星秒信号传输给一分三功分器，一分三功分器将三选一开关选出的一路卫星秒信号功分为三路，三路卫星秒信号分别送给锁定单元和进行频率锁定，其中两路卫星秒信号经锁定单元中两个独立工作的模拟锁相环、晶体振荡器晶振和分配器产生两路锁相后的标准频率信号，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；一分三功分器功分出的第三路卫星秒信号送给铷钟锁定单元中的铷钟进行校频和驯服，铷钟锁相单元采用锁相环1:1备份的方式，可通过铷钟锁相单元电路中的两个单刀双掷开关，选择其中一路锁相环进行铷钟的锁相输出，通过铷钟产生的标准频率信号经含有两个单刀双掷开关并联回路构成的铷钟锁相单元传送至信号处理单元C，从而形成了输出三种同源的标准频率信号。
锁定单元包括两个锁相环单元和一个铷钟锁相单元，锁相环单元包括顺次串联的两路模拟锁相环PLL_A、晶振和信号分配器，其中，铷钟锁相单元串联在一分三功分器输出端，铷钟电连接第一单刀双掷开关，串联在所述铷钟第一单刀双掷开关分别通过顺次串联的模拟数字转换器ADC、数字锁相环PLL_B、数字模拟转换器DAC和模拟锁相环PLL_C电连接第二单刀双掷开关形成并联回路。铷钟根据接收的一分三功分器给的同源卫星秒信号对铷钟进行校频，驯服后的铷钟通过第一单刀双掷开关分别经模拟数字转换器ADC、数字锁相环PLL_B、DAC和模拟锁相环PLL_C送入第二单刀双掷开关传送至信号处理单元，信号处理单元分别接收锁定单元的三路同源频率信号，可完成信号整形、放大、分路、编码、分频等多种需要的功能并输出三路同源的标准频率信号和脉冲信号，时间码信号等。
锁定单元输入端接收来自接收切换单元的三路同源卫星秒信号，第一路卫星秒信号通过第一锁相环单元电路中顺次串联模拟锁相环PLL_A的晶振和信号分配器传输到信号处理单元中的信号处理单元A，第二路卫星秒信号通过第二锁相环单元电路中顺次串联的模拟锁相环PLL_A、晶体振荡器晶振和信号分配器传输到信号处理单元中的信号处理单元B，铷钟锁相单元根据一分三功分器功分出的第三路卫星秒信号进行校频，当卫星信号不好时也可不用外接秒信号，输出驯服铷钟锁相单元产生的标准频率信号。
铷钟锁相单元根据一分三功分器功分给的卫星秒信号对铷钟进行校频和驯服，驯服后的铷钟产生的标准频率信号可通过第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关选择哪一路锁相环工作，一路经模数转换器ADC送入数字锁相环PLL_B、数模转换器DAC送入第二单刀双掷开关，另一路通过模拟锁相环PLL_C送入第二单刀双掷开关，两路信号均通过第二单刀双掷开关传送至信号处理单元C。
当卫星信号好时，信号处理单元A和信号处理单元B的性能较好，铷钟锁相单元最终输出的信号是通过信号处理单元C作为备份的。
当卫星信号不好时，信号处理单元A和信号处理单元B的性能较差，卫星信号一跳，锁相单元中与信号处理单元A和信号处理单元B电连接的锁相单元内部的锁相环就会失锁，重新锁定，此时铷钟锁相单元产生的最终信号，即信号处理单元C的稳定度可靠性相噪等指标远优于信号处理单元A和信号处理单元B。因此此装置适用范围广，可以搬移到环境很恶劣的郊外，也可置于室内，满足了目前不同环境不同设计的缺陷。
铷钟锁相单元可以通过切换并联回路上前后端相连的单刀双掷开关来选择模数转换器ADC、模拟锁相环PLL_B和数模转换器DAC构成的一支链路工作，或选择切换与之并联的模拟锁相环PLL_C的另一支链路工作，两个并联的支链路均能实现将自身信号锁定在以铷钟频率信号为参考的信号上。且两个并联的支链路各有优劣，如ADC+PLL_B+DAC串联构成的支链路的优点是体积小成本低，精度高，不易受环境温度影响；模拟锁相环PLL_C构成的支链路的优点是锁定时间短，易调试，近端相噪很低。实际中用户可根据自身需求，选配ADC+PLL_B+DAC和PLL_C构成的两个并联支链路的任意一个，或两个模拟锁相环PLL_C，或两个ADC+PLL_B+DAC。铷钟锁相单元的输出信号传输到信号处理单元中的信号处理单元C，由此实现输出三路同源的标准频率信号。
Claims (10)
1.一种高可靠性频率源设备，包括：接收切换单元、锁定单元和信号处理单元，其特征在于：接收切换单元采用两个三合一天线和信号放大器并顺次串联2×3信号交换矩阵，2×3信号交换矩阵通过多通道接收机芯片和三选一开关来切换接收到的卫星信号，三选一开关接收三路可同源或不同源的卫星秒信号，将其中选出的一路卫星秒信号送入串联在三选一开关输出端的一分三功分器，将功分出的三路同源的卫星秒信号分别送给锁定单元中两个可独立工作的模拟锁相环和铷钟，两个独立工作的模拟锁相环将晶体振荡器晶振锁定在输入的同源卫星秒信号上，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；另一路通过一分三功分器的卫星秒信号去对铷钟进行校频驯服，铷钟作为一路标准频率信号的频率源，该标准频率信号通过含有两个单刀双掷开关并联回路构成的铷钟锁相单元传送至信号处理单元C，从而形成了输出三种同源的标准频率信号。
2.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：信号处理单元将来自锁定单元的三路频率信号进行信号整形、放大、分路、编码后，分频输出多种功能同源标准频率信号和脉冲信号，时间码信号。
3.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：接收切换单元采用两个三合一天线和信号放大器、2×3信号交换矩阵、三个多通道接收机芯片和三选一开关来实现接收到的卫星信号的切换，而且，每个经天线接收到的卫星信号都输入到放大器，每个放大器均电连接矩阵2×3信号交换矩阵，2×3信号交换矩阵为2×3切换矩阵。
4.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：多通道接收机芯片由分别电连接在2×3信号切换矩阵与三选一开关之间的3个GPS/BD/GLONASS多通道接收机芯片组成。
5.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：接收切换单元产生的三路同源卫星秒信号，经接收切换单元中的三选一开关，选出经过三路多通道接收机芯片中某一路的卫星秒信号传输给一分三功分器，一分三功分器将三选一开关选出的一路卫星秒信号功分为三路，三路卫星秒信号分别送给锁定单元并进行频率锁定，其中，两路卫星秒信号经锁定单元中两个独立工作的模拟锁相环、晶体振荡器晶振和分配器产生两路锁相后的标准频率信号，并将两路锁相后的标准频率信号分别输出到信号处理单元A和信号处理单元B；一分三功分器功分出的第三路卫星秒信号送给铷钟锁定单元中的铷钟进行校频和驯服，铷钟锁相单元采用锁相环1:1备份的方式，通过铷钟锁相单元电路中的两个单刀双掷开关，选择其中一路锁相环进行铷钟的锁相输出，通过铷钟产生的标准频率信号经含有两个单刀双掷开关并联回路构成的铷钟锁相单元传送至信号处理单元C，从而形成了输出三种同源的标准频率信号。
6.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：锁定单元包括两个锁相环单元和一个铷钟锁相单元，锁相环单元包括顺次串联的两路模拟锁相环PLL_A、晶振和信号分配器，其中，铷钟锁相单元串联在一分三功分器输出端，铷钟电连接第一单刀双掷开关，串联在所述铷钟后的第一单刀双掷开关分别通过顺次串联的模拟数字转换器ADC、数字锁相环PLL_B、数字模拟转换器DAC和模拟锁相环PLL_C电连接第二单刀双掷开关形成并联回路。
7.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：铷钟根据接收的一分三功分器给的同源卫星秒信号对铷钟进行校频，驯服后的铷钟通过第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关选择一路进行工作，其中一路经模拟数字转换器ADC、数字锁相环PLL_B、DAC进入第二单刀双掷开关传送至信号处理单元C，另一路经过模拟锁相环PLL_C送入第二单刀双掷开关传送至信号处理单元C，信号处理单元分别接收锁定单元的三路同源频率信号，完成信号整形、放大、分路、编码、分频多种需要的功能并输出三路同源的标准频率信号和脉冲信号，时间码信号。
8.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：铷钟锁相单元根据一分三功分器功分给的卫星秒信号对铷钟进行校频和驯服，驯服后的铷钟产生的标准频率信号通过第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关选择一路锁相环工作，一路经模数转换器ADC送入数字锁相环PLL_B、数模转换器DAC送入第二单刀双掷开关，另一路通过模拟锁相环PLL_C送入第二单刀双掷开关，两路信号均通过第二单刀双掷开关传送至信号处理单元C。
9.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：铷钟锁相单元通过切换并联回路上前后端相连的单刀双掷开关来选择模数转换器ADC、模拟锁相环PLL_B和数模转换器DAC构成的一支链路工作，或选择切换与之并联的模拟锁相环PLL_C的另一支链路工作，两个并联的支链路均能实现将自身信号锁定在以铷钟频率信号为参考的信号上。
10.如权利要求1所述的高可靠性频率源设备，其特征在于：在铷钟锁相单元中，前后端单刀双掷开关并联回路上的支链路切换选配ADC+PLL_B+DAC串联支路与之并联的PLL_C支路，或两个模拟锁相环PLL_C串联支路与之并联的ADC+PLL_B+DAC。
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