本发明涉及专用无线通信行业，是一种用于时频设备的频率分配模块。
背景技术：
标频信号是指能给出较高准确度的单一频率值正弦波振荡信号，其频率值主要是1mhz、5mhz、10mhz或100mhz。标频信号主要由石英晶体振荡器或高准确度原子频标产生，晶体振荡器由于其体积小、成本低、使用方便、频率短期稳定度好等优点，已被广泛应用，几乎所有的电子产品都会用到，是主要频率信号发生源，但其也存在频率长期稳定度差，频率漂移较大等缺点。因此，高精度标频信号常常选用原子频标，目前原子频标主要有铯原子频标、铷原子频标和氢原子频标，其中，铷原子频标具有体积小、价格相对较低、预热快、指标优异、功耗低等优点，已被较多应用，其能实现准确度1×10-11，稳定度1×10-12量级的高指标性能。
标频源一般只输出一路标准频率信号，时频设备需要对其进行变频、扩展、分配、滤波处理，输出多路多种频率的标频信号，给用户提供低相噪、高稳定的标频信号参考，是通信、导航等系统的重要组成部分。标频分配模块为时频设备中重要的模块之一，现有技术中，标频分配模块通常只能对某一种固定频率进行分配，需要为多种频率值进行分配时，需分别配置可以分配不同频率的标频分配模块。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种用于时频设备的频率分配模块及具有这种频率分配模块的时频设备，主要目的是满足不同用户对时频设备标频信号输出不同频率和不同数量的需求，该模块可以同时解决多种频率的射频信号的分配，从而大大降低模块的设计、生产工作量，提高用户的使用便利性和维护性。
本发明的技术方案是：
一种频率可配置的频率分配模块，包括：微处理器电路，配置有与上位机通信连接的微处理器；射频信号处理电路，配置有功率分配电路和n路并联的滤波电路，每一路滤波电路配置有一滤波切换单元，所述滤波切换单元具有射频开关和m个并联的滤波器，所述滤波器为低通滤波器或带通滤波器，且各低通滤波器的截止频率或带通滤波器的中心频率大小不同，通过与微处理器连接的射频开关对不同滤波器进行切换，m和n均为大于1的整数；电源电路，为射频信号处理电路和微处理器电路提供电源供给；所述微处理器电路接收上位机下发的频率分配指令，并将频率分配指令发送至射频信号处理电路，同时根据频率分配指令控制射频开关接通相应的滤波器；所述射频信号处理电路根据接收到的频率分配指令，通过功率分配电路将输入的外部射频主信号分配成不大于n路的相同射频信号，再由滤波电路滤波后输出。
作为一种优选方案，所述射频信号处理电路还包括位于功率分配电路输入端的第一信号耦合电路和与其连接的第一射频功率检测电路，以及位于各滤波电路输出端的第二信号耦合电路和与其连接的第二射频功率检测电路；第一信号耦合电路和第二信号耦合电路分别对输入和输出信号进行采样，第一射频功率检测电路和第二射频功率检测电路分别将采样信号的射频功率强度转换成同比例大小的采样电压信号，并将其发送至微处理器电路；所述微处理器电路接收射频信号处理电路输出的采样电压信号，并将其与相应的预设值进行比较，以判断输入、输出信号的信号状态，并将其上报至上位机。
作为一种优选方案，所述微处理器电路接收射频信号处理电路输出的采样电压信号，并将其与预设值进行比较，以判断输入、输出信号的信号状态，具体包括：
将输入信号的采样电压信号与预设的第一基准电压和第二基准电压进行比较：
当采样电压大于第一基准电压时，判断有输入信号且幅度正常；
当采样电压介于第一基准电压和第二基准电压之间时，判断有输入信号，但幅度偏小不正常；
当采样电压小于第二基准电压时，判断无输入信号；
将输出信号的采样电压信号与预设的第三基准电压和第四基准电压进行比较：
当采样电压大于第三基准电压时，判断有输入信号且幅度正常；
当采样电压介于第三基准电压和第四基准电压之间时，判断有输入信号，但幅度偏小不正常；
当采样电压小于第四基准电压时，判断无输入信号。
作为一种优选方案，微处理器电路还接收上位机下发的频率分配使能指令，并根据频率分配使能指令控制射频信号处理电路中功率分配电路的工作使能，以激活或关闭分配输出。
作为一种优选方案，射频信号处理电路还包括n路与滤波电路并联的直通通道，通过射频开关实现对滤波电路和直通通道的切换，用于检测路滤波电路的工作状态。
作为一种优选方案，射频开关选用单刀多掷开关，以实现对滤波切换单元中不同滤波器的切换；滤波器采用椭圆函数型lc低通或带通滤波器结构。
作为一种优选方案，所述各路滤波电路均配置有隔离放大器，和/或所述功率分配电路输入端配置有低噪声放大电路。
作为一种优选方案，低噪声放大电路选用低噪声运算放大器；隔离放大器选用驱动放大器，使射频信号互相隔离，不会互相串扰影响。
作为一种优选方案，所述电源电路包括dc/dc开关降压滤波电路和ldo线性稳压电路，dc/dc开关降压滤波电路用于将高电压输入转换成低电压输出；ldo线性稳压电路包括第一ldo线性稳压电路和第二ldo线性稳压电路，第一ldo线性稳压电路用于将dc/dc开关降压滤波电路输出的低压进行处理后给射频信号处理电路工作使用；第二ldo线性稳压电路用于将dc/dc开关降压滤波电路输出的低压进行处理后给微处理器电路工作使用，以达到既降低射频电路电源与数字电路电源的噪声，又提高相互隔离的作用。优选的，电源电路包括dc/dc开关降压滤波电路和ldo线性稳压电路，dc/dc开关降压滤波电路输入24v输出+6v电压，将高电压输入转换成低电压输出；ldo线性稳压电路包括第一ldo线性稳压电路和第二ldo线性稳压电路，第一ldo线性稳压电路输入+6v输出+5v电压，给射频信号处理电路工作使用；第二ldo线性稳压电路输入+6v输出+3.3v电压，给微处理器电路工作使用。
作为一种优选方案，电源电路还包括工作电流检测电路，其将当前工作电流转换成电压信号，并输出至微处理器电路；微处理器电路对电源电路输出的工作电压信号进行检测，通过与预设值进行比较，以判断电源电路的工作状态，并将其上报至上位机。
作为一种优选方案，微处理器电路对当前工作电流转换成的工作电压信号进行检测，通过与预设值进行比较，以判断有源电路的工作状态，具体包括：
所述微处理器将工作电压信号与预设的第五基准电压和第六基准电压比较：
当工作电压大于第五基准电压时，判断模块电流偏大，工作异常；
当工作电压介于第五基准电压和第六基准电压之间时，判断工作电流正常；
当工作电压小于第六基准电压时，判断模块电流偏小，工作异常。
进一步的，本发明还公开一种时频设备，其配置有具有上述特征的频率可配置的频率分配模块。
有益效果：
(1)通过射频信号处理电路中多个并联的低通或带通滤波器，实现不同频率信号的滤波输出，可以适用于不同频率分配的需求，减少模块类型、提高通用性和备份件数量，有利于产品后期维护。
(2)可根据需求设置滤波电路的路数，滤波器的种类、数量及截止频率，增加可分配频率种类，提高频率分配模块的适应性和功能性，减少设备研发、生产、维护成本。
(3)通过射频信号处理电路输入输出端的射频功率检测电路，实现频率分配模块的故障自检；通过直通通路，还能检测出滤波电路中各滤波器的工作状态，方便快速定位故障，降低用户排故难度。
(4)选用单刀多掷开关实现对滤波电路中不同滤波器和直通通路的切换，其带来的插入损耗对标频信号影响很小，且开关隔离度对滤波器的影响也非常小，完全满足使用要求。
(5)基于本发明提出的频率分配模块，能让时频设备具备了频率输出可配置能力，不限于标频分配，从而扩大了频率分配的适用范围，以满足多用户不同需求。
附图说明
图1为实施例中频率分配模块组成框图；
图2为实施例中频率分配模块外形示意图；
图3为实施例中微处理器外围接口框图；
图4为实施例中射频信号处理框图；
图5为实施例中低通滤波器结构示意图；
图6为实施例中1mhz低通滤波器仿真频响图；
图7为实施例中5mhz低通滤波器仿真频响图；
图8为实施例中10mhz低通滤波器仿真频响图；
图9为实施例中射频开关插入损耗频响图；
图10为实施例中射频开关隔离度频响图。
具体实施方式
本发明频率分配模块所公开的频率可配置的频率分配模块可采用3u(100mm×160mm)标准高度，4hp(1hp＝5.08mm)宽度结构形式，与设备背板低频信号互联选用坚固耐用型110芯带编码位cpci标准连接器，射频信号互联选用sbma可浮动盲插式射频连接器。
该标率分配模块主要由电源降压、滤波、电流检测电路，射频信号检测、放大、分配、滤波处理电路，微处理器检测、通信、控制、管理电路组成。外部输入预先设置的任意一种频率的射频信号后，可以通过射频部分电路分配输出三路相同的射频信号，信号分配的工作频率可由微处理器对射频电路进行软件配置切换，输入射频信号(即输入信号)和输出射频信号(即输出信号)分别通过功率检测后，给微处理器进行a/d采样，以判断信号有无和是否正常。模块通过总线通信接口与设备进行通信和管理，配置当前工作频率，上报模块工作状态和输入输出射频接口信号状态。电源降压、滤波电路将外部输入的24v电源降压，输出高质量、低纹波+3.3v和+5v电压，供模块内芯片和有源电路使用，电流检测电路通过实时检测当前工作电流，由微处理器a/d采样后，判断模块有源电路工作状态是否异常。当出现异常时，及时通过总线通信接口向设备上报。
考虑到目前大多时频设备主要用于输出1mhz、5mhz、10mhz三种频率正弦波标频信号，下面针对这三种标频信号设计一种频率分配模块的具体实施例。
如图1所示，实施例中公开一种用于输出1mhz、5mhz、10mhz三种标频信号的频率分配模块(简称该模块)，该模块主要由电源部分、微处理器和射频处理等电路组成。图中：
1是输入标频信号功率检测电路，其将输入的标频信号的射频功率强度转换成同比例大小的电压信号，以方便微处理器采样，采样后的电压值vin与两个基准电压vref1和vref2比较，基准电压vref1和vref2依据模块调试实测后确定，并记录在该模块软件里。信号有无和是否正常按照以下方法判断：
当vin≥vref1时，输入信号有，且幅度正常；
当vref1＞vin＞vref2时，输入信号有，但幅度偏小不正常；
当vin＜vref2时，输入信号无。
2是输入标频信号放大、分配、滤波电路，标频信号的处理主要通过该电路完成，信号处理的指标性能主要由此决定，是该模块的关键电路部分。
3是输出标频信号功率检测电路，对输出的三路标频信号分别进行检测，采样后的电压值的vout与两个基准电压vref3和vref4比较，基准电压vref3和vref4依据模块调试实测后确定，并记录在模块软件里。信号有无和是否正常按照以下方法判断：
当vout≥vref3时，输出信号有，且幅度正常；
当vref3＞vout＞vref4时，输出信号有，但幅度偏小不正常；
当vout＜vref4时，输出信号无。
4是微处理器电路，微处理器是该模块的采样、判断、决策、控制部分，主要通过其存储的软件实现，同时该模块通过微处理器与设备(上位机)进行通信，接受设备的管理和配置，实时上报该模块的当前工作状态。
5是电源降压、滤波，工作电流检测电路，其中，电源降压、滤波电路将外部输入的+24v电源，通过dc/dc和ldo电压转换，降压输出+3.3v、+5v电压，并对每路输出进行电源滤波处理，保证输出电源的质量，减少电源纹波对射频电路的干扰和电源之间的串扰。工作电流检测电路将当前工作电流转换成电压信号，微处理器采样后的电压值videt与两个基准电压vref5和vref6比较，基准电压vref5和vref6依据模块调试实测后确定，并记录在模块软件里。该模块工作电流是否正常按照以下方法判断：
当videt≥vref5时，工作电流偏大，该模块工作异常；
当vref5＞videt＞vref6时，工作电流正常；
当videt＜vref4时，工作电流偏小，该模块工作异常。
如图2所示，实施例所述的频率分配模块外形示意图显示了该模块的板卡外形和对外互联接口形式，图中：
6是模块印制板，其符合3u的结构尺寸要求，板厚1.6mm，采用四层板结构设计，如印制板叠层设计包括l1信号层、l2电源层、l3地层、l4信号层。射频信号主要通过l4信号层走线，特征阻抗参考层为l3地层，通过控制标频信号的阻抗匹配特性，能够有效的保证射频指标性能。模块印制板6的总厚度约为63.46mil，即1.61mm。
7是sbma型弯式插座，实施例中设有四个，输入输出标频信号通过该连接器与设备背板互联，能够有效保证标频信号的特性阻抗、插入损耗、隔离度等指标性能，同时该连接器具有的可浮动特点，能抵消安装时的微小结构误差，延长连接器的使用寿命，提高设备工作的可靠性。
8是带编码位cpci标准连接器，该连接器为坚固耐用型2.0mm间距110芯，其具有防误差定位销，能满足模块盲插要求。
9是模块印制板与结构件安装孔，用于模块印制板6与模块结构件的连接固定，其中，模块结构件可为射频部分电路起到屏蔽作用，减少内部电路串扰和外部干扰，同时电路部分产生的热量可以通过模块结构件散热和传到设备结构件，为模块可靠、稳定工作提供保障。
实施例中，微处理器电路选用具有较强通用性的32位arm处理器芯片stm32f103rct6，该微处理器基于arm32位cortex-m3内核，具有最高72mhz工作频率，512k字节闪存程序存储器，拥有usb、can、11个定时器、3个12位adc转换器、多达13个通信接口和多个快速多功能双向i/o口等资源，完全满足该模块的控制、通信等需求，且具有很大的可扩展空间。
如图3所示，微处理器外围接口框图显示了微处理器主要的外设电路及用到的内部资源。图中：
10是微处理器外部供电电源降压电路，为微处理器提供+3.3v工作电源。
11是模块工作电流检测电路，转换后的电压信号给微处理器采样，以判断模块有源电路工作电流情况。
12是can总线收发器芯片电路，将微处理器内部的can控制器输入输出信号，经过电平转换和阻抗匹配，连接到can物理总线上，并可通过can总线与上位机连接。
13是无源晶体，与微处理器连接后，和芯片内部的振荡电路形成晶体振荡器电路，振荡输出微处理器工作使用的主时钟，微处理器内部可基于该时钟频率，进行倍频或分频来改变实际工作时钟频率。
14是微处理器的在线仿真调试接口，用于软件代码在线调试和烧写。
15是微处理器调试串口，可以打印软件工作状态信息，也可输入指令，查询当前工作状态和数据。
16是flash存储器，一种非易失性内存，在没有电源的情况下，能够长久的保存模块工作频率等参数数据，方便断电重启后能恢复到之前工作状态。
17是输入标频信号功率检测信号，经微处理器a/d采样后，判断输入标频信号状态。
18是输出标频信号功率检测信号，经微处理器a/d采样后，判断输出标频信号状态。
19是射频电路工作频率切换信号，模块由总线通信接口接收设备设置的工作频率信息，通过该接口切换射频电路频率来匹配相应的设置。
通过上述方案，微处理器电路接收上位机下发的标频分配指令，并根据标频分配指令将射频信号处理电路切换到相应的工作频率，这也是所谓的外部控制方式。微处理器电路可对输入输出标频信号进行功率检测，判断信号强度是否在正常范围内，从而判断信号有无，将判断结果定时向上位机上报；微处理器电路还可实时检测模块的工作电压和消耗电流，其中，工作电压包括电源电路中输入的24v电压、输出的3.5v和5v电压，消耗电流主要是指的总电流，并判断是否在正常范围内，出现异常时向上位机上报。进一步的，微处理器电路还可以配置有使能指令信号输入端，用于接收上位机下发的使能指令，并根据使能指令控制标频是否输出，该功能主要应用于调试或输入频率不稳定的情况。
射频信号处理电路是标频信号分配的主要工作电路，其完成输入射频信号的检测、放大、分配，再通过不同工作频率的滤波器组，对不同输出频率的标频信号进行不同的滤波，达到最佳的谐波抑制效果。多个滤波器通过射频开关进行切换，切换控制信号由微处理器输出，每路输出的标频信号通过功率检测，显示其工作状态。射频信号处理电路其可接受为微处理器的控制，通过控制分配芯片工作使能，激活或关闭分配输出；其还可以在微处理器的控制下，通过对滤波器的逐个切换，实现对输入标频信号的频率识别。
如图4所示，显示了射频信号的处理流程，图中：
20是外部标频输入信号，可以是1mhz、5mhz、10mhz频率中的任意一种。
21是标频信号耦合电路，通过耦合，从射频主信号分出一小部分功率的信号，在不影响到主信号的正常传输和性能的前提下，以一定的功率比例实时的指示主信号的功率情况，起到实时监测主信号的作用。
22是射频功率检测电路，主要采用adi公司的有源检波器芯片，其将输入的信号经平方律检波后，以平方律电路为反馈的放大器放大，再经过缓冲放大后输出与输入信号有效值对应的电压，其对于不同的输入信号均具有良好的输出线性和稳定性。
23是标频输入信号的功率检波电压，在微处理器中，将该电压与两个基准电压vref1和vref2比较，以判断输入信号有无和是否正常。
24是低噪声放大电路，选用低噪声运算放大器，其提供了一定的功率增益，对输入的标频信号进行放大，满足输入信号较宽的功率范围，且自身产生较低的噪声，不会较大的恶化标频信号的噪声指标。
25是功率分配电路，将一路输入的标频信号，分配输出三路相同的标频信号。
26是隔离放大器，选用驱动放大器，让三路输出标频信号互相隔离，不会互相串扰影响。
27是射频开关，该模块选用单刀四掷(sp4t)开关，提供四个切换通道，三个通道分别用于不同频率的低通滤波器，第四个通道为直通通道，可以用于通道自检，以判断滤波器是否故障。从图9中不同温度下射频开关的插入损耗频响和图10中不同切换通道射频开关隔离度频响(其中，rf1～rf4分别对应1mhz、5mhz、10mhz、直通)可以清楚的看出选用的射频开关插入损耗对标频信号影响很小，且每个开关隔离度大于45db，两个开关隔离度大于90db，不会影响滤波器的阻带抑制性能，完全满足使用要求。
28是1mhz低通滤波器，该低通滤波器采用椭圆函数结构，具有较好的矩形系数和较优的过渡带抑制性能。图5为该低通滤波器的结构示意图，基于该结构，通过仿真后得出表1中的电感和电容元器件值。图6为1mhz低通滤波器仿真频响图，由图可见该低通滤波器具有较低的插入损耗，同时阻带抑制较高，1mhz标频信号的一次、二次、三次谐波均能达到80db以上的抑制，因此，隔离放大后的标频信号经过滤波后基本能保证谐波抑制85db以上的高性能指标。
表1
29是5mhz低通滤波器，该低通滤波器采用椭圆函数结构，其结构示意图同图5，图7为5mhz低通滤波器仿真频响图，表2是5mhz低通滤波器元器件值。该低通滤波器的阻带抑制能力较强，同样可以保证滤波后输出的标频信号谐波抑制85db以上的高性能指标。
表2
30是10mhz低通滤波器，该低通滤波器采用椭圆函数结构，其结构示意图同图5，图8为10mhz低通滤波器仿真频响图，表2是10mhz低通滤波器元器件值。该低通滤波器的阻带抑制能力较强，同样可以保证滤波后输出的标频信号谐波抑制85db以上的高性能指标。
表3
31是标频输出信号的功率检波电压，将该电压与两个基准电压vref3和vref4比较，以判断输出信号有无和是否正常。32是标频输出信号，实施例中共有三路信号输出。
电源处理电路为射频信号处理电路和微处理器电路提供稳定、低噪声的电源供给，其对外部输入的电源进行降压处理，为模块有源芯片和电路提供电源供给，是模块的基本保障电路。该电路的设计采用高效率的dc/dc降压滤波电路和低噪声的ldo线性稳压电路，在保证转换效率的同时，还能提高输出电源的质量，并实现电路的小型化。电源输出的+3.3v电压主要给微处理器等数字电路工作使用，电源输出的+5v电压主要给射频部分电路工作使用，通过ldo线性稳压滤波电路使输出的两路电压之间有较高的隔离，能避免数字电路和射频电路间的电源串扰，保证射频信号指标性能。
下面对实施例所述的用于输出1mhz、5mhz、10mhz三种标频信号的频率分配模块的主要工作原理进行简要说明：
功率分配：通过以上所述的微处理器电路、射频信号处理电路主电源处理电路三种电路的协调工作，可以完成三种标频信号的频率分配。例如，当标频输入1mhz信号时，设备通过设置频率分配模块工作在1mhz状态，具体的，微处理器通过总线通信接口接收到1mhz标频信号分配指令后，对射频电路滤波器组开关作相应切换配置，满足工作频率的要求，输出三路分配后的标频信号，同时该设置将被存储进与微处理器连接的flash存储器，直到下次设备重新配置后才重新更改，否则一直工作在该频率，断电重启后任然有效。
输入输出功率检测：该模块可以对输入的标频信号和所有输出的标频信号进行功率采样检测，实时指示标频接口信号状态。当模块工作电流出现异常时，也可以通过检测并发现，及时上报设备。
通道自检：射频信号处理电路出现异常时，还可以通过射频开关直通通道检测是否是滤波器故障。
综上所述，基于本发明所公开的频率分配模块，可同时实现多种频率的分配，且不限于标频分配，提高了模块的通用性，扩大了模块的应用场景。并且，通过这些检测，可以很好的显示模块当前工作状态，即时掌握出现的异常状况，具有较高的自感知能力。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。